PDN Analyzer (by CST)

Il PDN Analyzer powered by CST^® (Computer Simulation Technology) si integra direttamente con Altium Designer per consentire la simulazione e l'analisi PI-DC del progetto PCB corrente. Poiché PDN Analyzer opera all'interno di Altium Designer, non sono necessarie operazioni manuali di importazione/esportazione dei dati, conversioni dei dati o applicazioni separate: basta avviare PDN Analyzer dall'editor degli schemi o dei PCB, impostare i parametri di test desiderati ed eseguire la simulazione. I risultati vengono presentati principalmente tramite la modellazione 2D/3D della disposizione del rame sulla scheda, consentendo una rapida valutazione e la possibilità di eseguire test esplorativi di tipo «what if» sul layout del PCB.

L'interfaccia di PDN Analyzer mostrata con il PCB di esempio Spirit Level di Altium Designer e i risultati di una simulazione PI-DC della caduta di tensione sul percorso di ritorno della rete GND sul layer superiore per l'alimentazione VCCINT.

Accesso alle funzionalità di PDN Analyzer

Per accedere alle funzionalità di PDN Analyzer in Altium Designer, è necessario installare l'estensione PDN Analyzer  del software. Questa estensione può essere installata o rimossa manualmente.

Per ulteriori informazioni sulla gestione delle estensioni, consulta la pagina Extending Your Installation (Altium Designer Develop, Altium Designer Agile, Altium Designer).

Per accedere alle funzionalità, è inoltre necessario disporre di un abbonamento valido a PDN Analyzer.

Fondamenti dell'integrità dell'alimentazione

In sostanza, il problema PI-DC (o della «caduta IR») è piuttosto semplice: la resistenza delle geometrie di alimentazione della scheda (piste, poligoni, piani, ecc.) dissipa potenza e provoca cadute di tensione, sottraendole ai vari carichi. Come prevedibile, i problemi legati alla caduta IR diventano più complessi all'aumentare del numero di carichi sull'alimentazione, a causa delle interazioni nei percorsi in rame di alimentazione e di massa.

Figura 1: Schema a blocchi di base delle geometrie di alimentazione e di massa e dei carichi applicati.

La Figura 1 (sopra) mostra un semplice schema a blocchi della sorgente di alimentazione di un circuito e delle relative geometrie di alimentazione e di massa (piste e piani) che forniscono energia ai vari carichi (memorie, microcontrollori, ecc.).  Nota che tutti i carichi sono collegati alle stesse geometrie di alimentazione e di massa e dipendono da esse per ricevere le rispettive tensioni operative.  In generale, tendiamo a presumere che queste geometrie di alimentazione e di massa abbiano una resistenza di 0Ω, il che non è necessariamente vero, e questa supposizione può causare problemi.  Poiché spesso sono coinvolte correnti relativamente elevate, anche piccole resistenze nelle geometrie di alimentazione e di massa possono causare una notevole dissipazione di potenza e cadute di tensione.

Figura 2: Effetti della «caduta IR»

La Figura 2 mostra un esempio dei problemi che possono verificarsi se la resistenza delle geometrie di alimentazione e di massa non viene considerata correttamente.  Sebbene ogni geometria abbia una resistenza relativamente bassa, pari a soli 0,25Ω, queste resistenze hanno causato una riduzione della tensione sul carico da 5V a 4,5V.  Il progettista deve essere consapevole di questa caduta e assicurarsi che sia tollerabile, oppure modificare il progetto per ridurla, in modo da garantire che il prodotto finale non presenti guasti durante l'utilizzo.

Il problema, tuttavia, sembra facile da risolvere: basta rendere le geometrie di alimentazione e di massa sufficientemente corte o grandi da avere una resistenza trascurabile, usando la seguente relazione: R = ρ * L/A, dove:

• R è la resistenza totale di una geometria (pista o piano)
• ρ è la resistività del materiale utilizzato per la geometria (in genere rame, ρ ≈ 1.7µΩ-cm)
• L è la lunghezza della geometria
• A è l'area della sezione trasversale della geometria (larghezza x spessore)

In parole semplici, realizzando geometrie di alimentazione e di massa corte, spesse e larghe, se ne riduce al minimo la resistenza.

La difficoltà, tuttavia, è che geometrie eccessivamente grandi occupano spazio prezioso per lo sbroglio e possono limitare lo spazio disponibile per le geometrie delle altre tensioni.  Un progetto con geometrie di alimentazione e di massa correttamente dimensionate sarà più compatto e utilizzerà meno layer rispetto a uno che impiega arbitrariamente piani o piste sovradimensionati.  Lo scopo dell'analisi PI-DC è consentire al progettista di verificare che le geometrie di alimentazione e di massa della scheda siano adeguate, ma non eccessivamente grandi.

Un altro aspetto da considerare per la caduta IR è che la potenza dissipata è I2R: pertanto, un piccolo aumento della corrente che attraversa una resistenza provoca un forte aumento della potenza dissipata.  Questo può manifestarsi sotto forma di problemi termici, con un riscaldamento significativo del circuito perché le geometrie di alimentazione e/o di massa non sono sufficientemente grandi per sostenere la corrente che le attraversa.  Garantendo una caduta IR molto bassa nelle geometrie di alimentazione e di massa, si riduce al minimo la potenza dissipata al loro interno.

Nel caso estremo, se una geometria presenta una resistenza sufficientemente elevata (essendo molto stretta e lunga) ed è attraversata da una corrente abbastanza intensa, diventa di fatto un «fusibile»: il rame fonde, causando il guasto del circuito e creando una situazione potenzialmente pericolosa.  Lo standard IPC-2152 relativo alla capacità di trasporto di corrente dei PCB affronta questo problema, ma con ipotesi pessimistiche (ad esempio, l'assenza di rame termicamente conduttivo nelle vicinanze che aiuti a smaltire il calore); inoltre, i progettisti applicano spesso tale specifica adottando le ipotesi più conservative, ad esempio consentendo solo un aumento minimo della temperatura.  Sebbene l'analisi PI-DC non possa sostituire lo standard IPC-2152 come riferimento per le considerazioni termiche, può fornire indicazioni preziose su come ottimizzare un progetto in sicurezza, studiando le cadute di tensione e le densità di corrente del sistema di distribuzione dell'alimentazione.  Un progetto ottimizzato per ridurre al minimo la densità di corrente e la caduta di tensione tra le sorgenti e tutti i carichi genererà anche meno calore e avrà minori probabilità di presentare problemi termici.

Un altro aspetto affrontato dall'analisi PI-DC è il numero di via utilizzati per la distribuzione dell'alimentazione.  Il problema è molto simile a quello del corretto dimensionamento delle geometrie in rame: se i via non sono sufficienti, si perde tensione e si dissipa potenza a causa della caduta IR; se invece se ne utilizzano troppi, si spreca spazio prezioso per lo sbroglio.  In particolare, se si utilizzano troppi via per un percorso di una determinata tensione, questi attraversano le geometrie sugli altri layer e ne riducono la sezione trasversale in rame, causando problemi per le altre tensioni.  Come per il corretto dimensionamento delle geometrie, l'analisi della tensione nei punti di carico consente di determinare le dimensioni e/o il numero appropriati dei via.

Infine, simulare il progetto finale esattamente nella sua configurazione fisica offre un vantaggio significativo per garantirne l'ottimizzazione.  La simulazione PI-DC fornisce una verifica finale del corretto dimensionamento di connettori e regolatori, ad esempio nel caso in cui siano stati rimossi o aggiunti carichi durante il processo di progettazione.

In assenza di dati affidabili sulla caduta di tensione attraverso le varie aree di alimentazione, aree di massa e via di un PCB, il progettista è costretto ad adottare un approccio conservativo, utilizzando piani e piste sovradimensionati e un numero eccessivo di via, che occupano spazio prezioso e aumentano il numero di strati e le dimensioni del progetto.  Altium PDN Analyzer fornisce informazioni accurate sull'adeguatezza della distribuzione dell'alimentazione in continua di un progetto, in modo semplice e immediato, consentendo ai progettisti di realizzare reti di distribuzione dell'alimentazione il più possibile efficienti.

I risultati non sono utili soltanto per la verifica finale del progetto, ma possono essere utilizzati anche nelle fasi di pianificazione per definire in anticipo un'architettura di alimentazione il più possibile efficiente.  L'analisi PI-DC è uno strumento prezioso per ottenere una rete di distribuzione dell'alimentazione quanto più efficiente e robusta possibile; PDN Analyzer rende questo processo di simulazione e analisi semplice, intuitivo ed efficiente.

Oltre a questi e ad altri vantaggi per i tuoi progetti PCB, PDN Analyzer offre anche i seguenti benefici:

• Affidabilità del prodotto: aiuta a garantire il corretto funzionamento delle singole alimentazioni all'interno del progetto, in termini di livelli di tensione a regime, stabilità della tensione e riscaldamento o danneggiamento delle piste.
• Layout PCB migliorato: fornisce informazioni utili per sfruttare al meglio lo spazio sulla scheda e consente di identificare e correggere facilmente le aree problematiche ad alta densità di corrente.
• Conoscenza: non è più necessario affidarsi a regole empiriche o calcoli approssimativi per definire il layout dei percorsi di corrente continua.

Simulazione con PDN Analyzer

Nella sua forma più semplice, il layout di una scheda da sottoporre ad analisi PI-DC potrebbe essere composto da un regolatore di tensione come sorgente e dal relativo carico, collegati da aree di rame di varie forme e piste di diverse larghezze.

Un esempio di circuito di base con una sorgente di alimentazione e un carico.

Il layout PCB del circuito di base, con varie aree di rame e piste collegate tramite strati e via.

L'interfaccia del pannello PDN Analyzer (Tools » PDN Analyzer) riproduce visivamente una rete circuitale dalla sorgente di alimentazione al carico, che comprende percorsi fisici di alimentazione e massa, analogamente a quanto mostrato nel circuito precedente e nello schema a blocchi concettuale (Fig. 1). L'applicazione estrae automaticamente tutte le informazioni fisiche ed elettriche (netlist, dispositivi, geometrie dei layer, ecc.) dal progetto PCB attualmente attivo, fornendo i dati al motore di simulazione PI-DC.

L'interfaccia del pannello PDN Analyzer  mostra una configurazione di simulazione PI per il circuito di base e il layout della scheda.

In questo caso, la sorgente di tensione è l'uscita di U1 (5 V tra i pin 3 e 2), mentre il carico è definito da una corrente specificata attraverso RL (0,1 A). Una volta inseriti i parametri iniziali tramite l'interfaccia (tensioni e correnti della sorgente e del carico, ecc.) ed eseguita la simulazione, i dati dell'analisi vengono rappresentati graficamente nell'editor PCB sotto forma di immagine renderizzata in 2D o 3D.

I risultati della simulazione della caduta di tensione sul rame delle net PWR e GND della scheda (da U1 a RL e da RL a U1).

La simulazione PI di PDN Analyzer può essere impostata per mostrare i risultati relativi alla tensione (caduta IR, immagine sopra) o alla densità di corrente (immagine sotto) per tutti gli strati pertinenti della scheda.

La mappa della densità di corrente per entrambe le net PWR e GND (da U1 a RL).

► Consulta la guida all'esempio di PDN Analyzer per una descrizione completa dell'utilizzo di PDN Analyzer e dell'interpretazione dei risultati.