Power Analyzer by Keysight

Le prestazioni pratiche del layout di un progetto PCB dipendono da una moltitudine di fattori, molti dei quali possono essere previsti, con un ragionevole grado di accuratezza, tramite una gamma di strumenti di analisi per la progettazione PCB come l’analisi dell’integrità del segnale post-layout. Ciò che spesso viene trascurato, tuttavia, o semplicemente relegato a una metodologia “rule of thumb”, è lo sviluppo del layout più efficace per i sistemi di distribuzione dell’alimentazione DC della scheda. Si tratta del giudizio applicato alla progettazione delle aree di rame della scheda che forniscono sia le linee di alimentazione DC ai circuiti sia il relativo percorso di ritorno a massa o comune verso la sorgente di alimentazione DC. Il risultato desiderato è un progetto efficiente che mantenga l’integrità del layout di alimentazione DC del progetto.

Con i moderni progetti digitali che includono circuiti ad alta velocità, dispositivi multipli, schede ad alta densità di componenti e più linee di alimentazione, le richieste poste alla rete di distribuzione dell’alimentazione DC di un progetto richiedono un approccio più analitico alla sua progettazione. L’analisi DC di una Power Delivery Network (PDN), o i risultati della sua DC Power Integrity (PI-DC), ha fondamentalmente lo scopo di garantire che sia stato previsto rame sufficiente nel percorso dalle sorgenti di tensione ai carichi, in altre parole, che i piani, le tracce e i via sulla scheda abbiano dimensioni (e caratteristiche) sufficienti a soddisfare i requisiti di consumo energetico dei dispositivi presenti sulla scheda.

Fortunatamente, è possibile eliminare le supposizioni dalla valutazione della rete di distribuzione dell’alimentazione di un PCB tramite l’uso di uno strumento di simulazione DC Power Integrity (PI-DC), che analizza le prestazioni DC del progetto della scheda in base alle sue proprietà elettriche e fisiche e aiuta l’ingegnere a rispondere a domande critiche di progettazione, tra cui:

• Identificare e risolvere problemi di tensione DC e densità di corrente.

• Calcolare le interazioni tra reti multiple e percorsi di ritorno.

• Visualizzare la distribuzione della tensione e della densità di corrente e identificare gli hotspot nell’editor PCB.

• Esaminare la tensione, la densità di corrente e la corrente nei via in qualsiasi punto della scheda.

• Generare un report dei risultati della simulazione di analisi.

Per eseguire un’analisi DC Power Integrity direttamente nell’ambiente di progettazione PCB di Altium Designer, la soluzione di riferimento è Power Analyzer by Keysight.

Power Analyzer by Keysight, abilitato da Keysight Technologies, si integra direttamente con Altium Designer per consentire la simulazione e l’analisi PI-DC del progetto PCB corrente. Invece di affidarsi a semplici calcoli dell’area della sezione trasversale per determinare la capacità di trasporto di corrente della rete di alimentazione, Power Analyzer modella innanzitutto con precisione le strutture di rame e quindi calcola tensioni e correnti di distribuzione dell’alimentazione sull’intero PCB. Con risultati presentati sia in forma visiva sia tabellare, l’ingegnere può usare questo feedback e regolare rapidamente larghezze delle piste, spessori del rame e proprietà dei via per garantire il livello di integrità della distribuzione dell’alimentazione DC richiesto dal progetto.

Per eseguire un’analisi Power Integrity in Altium, l’ingegnere crea innanzitutto una rete gerarchica dell’intero sistema di distribuzione dell’alimentazione, identificando ogni net di alimentazione e di ritorno, le sorgenti e i carichi, nonché eventuali elementi in serie presenti in ciascuna sezione della rete di alimentazione. Una volta definiti la rete e i parametri di configurazione, Power Analyzer può esaminare l’intera rete.

Configurazione della rete di alimentazione

Power Analyzer esamina il flusso di energia attraverso i percorsi in rame della rete di alimentazione. La rete di alimentazione viene definita identificando e configurando i vari elementi della rete, inclusi il net, la sorgente, eventuali componenti in serie e i carichi. Per configurare la rete di alimentazione:

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Aggiungere un documento di analisi al progetto L’analisi viene configurata ed eseguita da un documento Power Analyzer by Keysight (<ProjectName>.pdnaK). Configurare le proprietà della scheda Power Analyzer deve conoscere le proprietà fisiche della scheda, come la densità di corrente consentita, il tipo di rame, la temperatura di esercizio e così via. Verifica che i valori predefiniti definiti nella sezione Configuration del documento analyzer siano adatti al tuo progetto. Identificazione automatica delle net di alimentazione Power Analyzer può tentare di identificare automaticamente le net di alimentazione. Per farlo, deve sapere come identificare elementi del circuito come regolatori di tensione, connettori e componenti in serie. Oltre a usare indizi come i prefissi dei designatori dei componenti, puoi anche aggiungere parametri ad alcuni componenti per migliorare il processo di rilevamento automatico. Scopri di più su Configurazione delle impostazioni di definizione automatica. Scegliere le net di alimentazione Fai clic su  per l’identificazione automatica delle net di alimentazione, oppure fai clic su  per selezionare manualmente le net di alimentazione. Scopri di più sulla definizione delle net di alimentazione. Estendere le net Se la net di alimentazione passa attraverso un componente in serie come un fusibile, estendi la net e identifica i componenti in serie e le net concatenate. Scopri di più su come estendere una net. Identificare e configurare la sorgente Ogni net di alimentazione parte da una sorgente, come un connettore. Abilita la sorgente nella finestra di dialogo Add Source, quindi fai clic sull’icona a forma di ingranaggio per configurare quella sorgente. Scopri di più su identificazione e configurazione della sorgente. Identificare i carichi Inizia dai principali consumatori di corrente, inclusi i moduli regolatori di tensione (VRM). Scopri di più su identificazione dei carichi. Configurare i carichi e i VRM Fai clic sull’icona a forma di ingranaggio per aprire la finestra di dialogo Load Properties e configura ciascun carico. Quando un dispositivo viene configurato come Voltage Regulator Module (VRM), nella gerarchia viene creata automaticamente una rete di alimentazione figlia con quel VRM come sorgente. Identificare i carichi nelle net di alimentazione figlie Assicurati che i principali componenti di carico siano inclusi in ciascuna net di alimentazione. Confermare la rete di alimentazione Fai clic sul pulsante per confermare che la rete di alimentazione è pronta per il test. Pronta per l’analisi Controlla l’albero per confermare visivamente che ogni rete di alimentazione sia completa. Per passare da una net di alimentazione a un’altra, fai clic sul collegamento Power Analyzer by Keysight per tornare al documento della net di alimentazione e seleziona l’albero per ciascuna net di alimentazione. Quando questa operazione è completata, sei pronto per analizzare la rete di alimentazione.

Analisi della rete di alimentazione

Una volta definite le reti di alimentazione, sei pronto per analizzare la distribuzione dell’alimentazione DC sulla scheda e attraverso di essa.

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Analizzare le strutture di rame In base ai parametri di configurazione, quando fai clic sul pulsante  , le strutture di rame presenti sulla scheda vengono analizzate e simulate per determinare i flussi di corrente e le cadute di tensione. Mostra su PCB Un riepilogo dei risultati dell’analisi Voltage Drop, Current Density e Max Via Current viene mostrato come parte della Power Net Definition nel documento *.pdnaK (evidenziato sopra in azzurro chiaro). Fai clic su  per esplorare le heatmap della densità di corrente e della caduta di tensione. La vista heatmap colorata si aprirà nell’editor PCB e si aprirà anche il pannello Power Analyzer by Keysight, dove puoi configurare Heatmap, esplorare eventuali Violations e posizionare Probes di misura. Scopri di più su Esecuzione di un’analisi. Esaminare le heatmap Il flusso di corrente calcolato e le cadute di tensione vengono visualizzati come heatmap direttamente nell’editor PCB. Usa le schede dei layer dell’editor PCB per esaminare la heatmap su ciascun layer, passa tra le modalità di visualizzazione PCB 2D e 3D con le scorciatoie standard 2 e 3 e fai clic sul pulsante Show Heatmap nel pannello Power Analyzer by Keysight per passare tra le heatmap dell’analisi di potenza e le modalità di visualizzazione PCB standard. Esplorare i risultati dell’analisi Nell’editor PCB, il risultato dell’analisi della rete di alimentazione che stai esaminando è controllato tramite il pannello Power Analyzer by Keysight. Nella parte superiore del pannello, seleziona la rete di alimentazione/net di cui vuoi visualizzare la heatmap. Nota che se nel progetto sono presenti violazioni, per impostazione predefinita viene incluso Only nets with violations nel menu a discesa; disattiva tale opzione per includere tutte le net di alimentazione nell’elenco. Scopri di più sul pannello Power Analyzer by Keysight. Passare tra densità di corrente e caduta di tensione La Heatmap visualizza o la Current Density attraverso il rame oppure la Voltage Drop sul rame; usa i pulsanti nella parte superiore della scheda Heatmap del pannello per selezionare la modalità richiesta. Sotto la scheda viene visualizzata una scala per la Heatmap, ridimensionata automaticamente per la corrente da Zero a Max Current Density, oppure per la caduta di tensione da (Voltage - VDrop) a Voltage. Sulla Heatmap possono essere visualizzate frecce direzionali che indicano il flusso di corrente e la scala della Densità di Corrente o della Caduta di Tensione può essere regolata. Scopri di più su come configurare e controllare la visualizzazione della Heatmap. Esplorazione della caduta di tensione La posizione dei punti caldi di densità di corrente può essere identificata direttamente dal loro colore sulla heatmap. Poiché viene calcolata come differenza tra posizioni, la comprensione delle cadute di tensione richiede un’interpretazione più approfondita. Per facilitare l’identificazione delle posizioni critiche, usa l’opzione Enable Visual Slider for Voltage Contour per visualizzare linee di contorno predefinite, come tensione o come percentuale. Scopri di più sulla Heatmap per la caduta di tensione. Misurazione dei risultati Per effettuare una misurazione direttamente dalla Heatmap, posiziona una Probe. Posiziona una singola Probe per visualizzare la Corrente o la Tensione assoluta in quella posizione, oppure fai clic su una seconda posizione per misurare la differenza tra i due punti Probe. Il tipo di misurazione (V o I) è determinato dalla modalità Heatmap corrente (Densità di Corrente o Caduta di Tensione). Nota che la misurazione nel punto centrale di un foro passante mostrerà sempre la Densità di Corrente. Scopri di più sulle Probe. Esaminare i risultati della net di massa Per impostazione predefinita, la net di massa è esclusa dai risultati della Heatmap. Disattiva la casella di controllo Skip Ground nella sezione Configuration del documento *.pdnaK per includerla, quindi seleziona la net GND nel menu a discesa Network / Net nella parte superiore del pannello Power Analysis by Keysight. Nota che la Heatmap supporta strutture polygon sui layer di segnale, ma il comportamento di un layer power plane non può essere simulato. Scopri di più sulle opzioni di configurazione.

Interpretazione e report dei risultati

Power Analyzer fornisce un feedback dettagliato direttamente nell’editor PCB. Dal pannello Power Analyzer by Keysight, le violazioni possono essere esaminate rapidamente, si possono posizionare probe di misura e acquisire heatmap come immagini. Per accedere a informazioni dettagliate sull’analisi di potenza DC della tua scheda, è possibile generare un report. Il report dettagliato si apre all’interno del documento pdnaK e da lì puoi salvare le sezioni desiderate in un file di report HTML. Il report può riguardare una singola net di alimentazione oppure l’intera rete di alimentazione.

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Lavorare con i risultati grafici interattivi Lavorando dal pannello interattivo Power Analyzer by Keysight, puoi identificare ed esaminare rapidamente le violazioni. Generazione del report Per generare un report dettagliato, fai clic sul pulsante nel documento Power Analyzer by Keysight (<ProjectName>.pdnaK). In alternativa, è possibile generare un report per qualsiasi singola net facendo clic sul pulsante appropriato. Report dettagliato della net - Parametri Il Full Report elenca tutte le net di alimentazione che sono state analizzate; fai clic su un Nome Net per aprire il report dettagliato di quella net. Il lato sinistro del report della net elenca: Il nome della net di alimentazione (e di tutte le subnet se è stata estesa), insieme a uno stato complessivo Pass / Fail.  Parametri calcolati: Vdrop, Idensity e Ivia_max. Se uno qualsiasi dei Parametri calcolati mostra un Warning (linea arancione) o un Error (linea rossa), sotto i Parametri verranno visualizzati suggerimenti per risolvere questi warning/error. Report dettagliato della net - Risultati Il lato destro del report include sezioni comprimibili per: Global Settings - proprietà fisiche della scheda, come la densità di corrente consentita, il tipo di rame, la temperatura di esercizio e così via. Queste sono configurate nel documento pdnaK. Design Stackup - disposizione dei layer fisici che compongono la scheda, definita nel PCB Layer Stack Manager. Heatmap for Current Density - visualizza la distribuzione della corrente in quella net attraverso il rame per ciascun layer della scheda. La densità di corrente è rappresentata dal colore; maggiore è la densità di corrente, più caldo è il colore.  Heatmap for Voltage Drop - visualizza l’intervallo di tensioni presenti su quella net per ciascun layer di rame della scheda. Più alta è la tensione, più caldo è il colore (oppure, maggiore è la caduta di tensione, più freddo è il colore). System-Level Power Network Results - albero di tutti i dispositivi configurati in tutte le net di alimentazione, con evidenziazione dei dispositivi nella net di alimentazione scelta. Network Details - report dettagliato dei risultati dell’analisi di quella net; ulteriori informazioni nella diapositiva successiva. Report dettagliato della net - Dettagli della rete Usa la sezione Network Details per identificare rapidamente potenziali problemi nel progetto. Questa sezione elenca: Power Net Members - rappresentazione grafica di Sources e Loads nella net di alimentazione scelta, come definito nel documento pdnaK.  Power Consumption - potenza consumata dalla rete di alimentazione scelta. Least Margins - il margine è la differenza tra la corrente consentita e la corrente calcolata, e fornisce un’indicazione di quanta capacità aggiuntiva di trasporto di corrente è disponibile (il margine). Il Least Margin identifica la posizione del margine più piccolo (o del guasto maggiore per un risultato negativo). Usa il risultato Least Margin per identificare rapidamente i risultati peggiori per Non-Via Current Density e Via Current, espressi come Absolute value (Allowed Current - Calculated Current) e anche come Percentage ((Allowed - Calculated) / Allowed * 100).  Un valore zero o negativo indica una Fail. List of Violations - il numero di violazioni di ciascun tipo presenti sulla scheda. Failed Via Summary - un elenco delle pad via e dei pad dei componenti a foro passante i cui risultati di Corrente o Densità di Corrente restituiscono un Margine pari a zero o inferiore. I risultati possono essere ordinati facendo clic sull’intestazione di una colonna; fai clic una seconda volta per ordinare nell’altra direzione, tieni premuto Shift mentre fai clic per sotto-ordinare colonne aggiuntive. Salvare il report Per creare un report HTML delle analisi, fai clic sul pulsante . Nella finestra di dialogo Save Report Settings, configura le Networks e Data di alimentazione richieste che desideri includere, quindi fai clic sul pulsante per salvare il report come insieme di file HTML. Il report viene creato in una cartella con data e ora nel nome all’interno della cartella del progetto, \PowerAnalyzerByKeysight_Output\HTMLReport\<ProjectName> [PDNA]_<Date>_<Time>. Individua e apri il file Report.html per esaminare il report nel browser predefinito.   Includere i risultati delle Probe e le acquisizioni di immagini Le immagini acquisite tramite il pulsante nel pannello Power Analyzer by Keysight vengono incluse automaticamente alla fine della sezione Network Details del report HTML, insieme a eventuali immagini dei risultati Probe salvate usando il pulsante .

Playlist - Come lavorare con Power Analyzer by Keysight

Serve tempo per imparare a usare un nuovo software di progettazione. Se impari meglio guardando, allora dai un’occhiata a questa playlist video che mostra alcune delle funzionalità chiave di How to Work with Power Analyzer by Keysight.