PDN Analyzer (by CST)

PDN Analyzer powered by CST^® (Computer Simulation Technology) integruje się bezpośrednio z Altium Designer, umożliwiając symulację i analizę PI-DC bieżącego projektu PCB. Ponieważ PDN Analyzer działa w środowisku Altium Designer, nie trzeba ręcznie importować ani eksportować danych, konwertować ich ani uruchamiać oddzielnych aplikacji — wystarczy uruchomić PDN Analyzer z edytora schematów lub PCB, ustawić żądane parametry testu i przeprowadzić symulację. Wyniki są prezentowane przede wszystkim w postaci modeli 2D/3D układu miedzi na płytce drukowanej, co umożliwia ich szybką ocenę i przeprowadzanie testów różnych wariantów projektu PCB.

Interfejs PDN Analyzer z przykładową płytką PCB Spirit Level z Altium Designer oraz wynikami symulacji spadku napięcia PI-DC w sieci powrotnej GND na warstwie górnej dla zasilania VCCINT.

Dostęp do funkcji PDN Analyzer

Aby uzyskać dostęp do funkcji PDN Analyzer w Altium Designer, należy zainstalować PDN Analyzer rozszerzenie oprogramowania. Rozszerzenie to można ręcznie instalować i usuwać.

Więcej informacji na temat zarządzania rozszerzeniami można znaleźć na Extending Your Installation stronie (Altium Designer Develop, Altium Designer Agile, Altium Designer).

Aby uzyskać dostęp do tych funkcji, trzeba również mieć aktywną subskrypcję PDN Analyzer.

Podstawy integralności zasilania

W istocie problem PI-DC (czyli spadku napięcia IR) jest dość prosty: rezystancja struktur zasilających płytki (ścieżek, poligonów, płaszczyzn itp.) powoduje straty mocy i spadki napięcia, ograniczając moc i napięcie dostępne dla poszczególnych odbiorników. Jak można się spodziewać, problemy związane ze spadkiem IR stają się bardziej złożone wraz ze wzrostem liczby odbiorników zasilania, ze względu na wzajemne oddziaływania w miedzianych torach zasilania i masy.

Rysunek 1: Podstawowy schemat blokowy struktur zasilania i masy oraz podłączonych odbiorników.

Rysunek 1 (powyżej) przedstawia prosty schemat blokowy źródła zasilania układu oraz struktur zasilania i masy (ścieżek i płaszczyzn), które dostarczają energię do różnych odbiorników (pamięci, mikrokontrolerów itp.).  Należy zauważyć, że wszystkie odbiorniki są podłączone do tych samych struktur zasilania i masy, od których zależą ich napięcia robocze.  Zwykle zakładamy, że struktury zasilania i masy mają rezystancję 0Ω, co nie zawsze jest prawdą, a takie założenie może powodować problemy.  Ponieważ często płyną przez nie stosunkowo duże prądy, nawet niewielkie rezystancje struktur zasilania i masy mogą powodować znaczne straty mocy i spadki napięcia.

Rysunek 2: Skutki spadku napięcia IR

Rysunek 2 przedstawia przykład problemów, które mogą wystąpić, jeśli rezystancja struktur zasilania i masy nie zostanie odpowiednio uwzględniona.  Mimo że każda ze struktur ma stosunkowo niewielką rezystancję, wynoszącą zaledwie 0,25Ω, spowodowały one spadek napięcia na odbiorniku z 5V do 4,5V.  Projektant musi mieć świadomość tego spadku i upewnić się, że jest on dopuszczalny, lub zmodyfikować projekt w celu jego zmniejszenia, tak aby gotowe urządzenie nie uległo awarii podczas eksploatacji.

Problem wydaje się jednak łatwy do rozwiązania — wystarczy sprawić, aby struktury zasilania i masy były na tyle krótkie lub duże, by ich rezystancja była pomijalna, korzystając z następującej zależności: R = ρ * L/A, gdzie:

• R to całkowita rezystancja struktury (ścieżki lub płaszczyzny)
• ρ to rezystywność materiału, z którego wykonano strukturę (zazwyczaj miedzi, ρ ≈ 1.7µΩ-cm)
• L to długość struktury
• A to pole przekroju poprzecznego struktury (szerokość x grubość)

Mówiąc prościej, krótkie, grube i szerokie struktury zasilania i masy pozwalają zminimalizować ich rezystancję.

Trudność polega jednak na tym, że zbyt duże struktury zajmują cenną przestrzeń do prowadzenia ścieżek i mogą ograniczać miejsce na struktury innych napięć zasilania.  Projekt z odpowiednio zwymiarowanymi strukturami zasilania i masy będzie bardziej zwarty i będzie wymagał mniejszej liczby warstw niż projekt, w którym arbitralnie zastosowano zbyt duże płaszczyzny lub ścieżki.  Celem analizy PI-DC jest potwierdzenie projektantowi, że struktury zasilania i masy na płytce mają wystarczające, ale nie nadmierne wymiary.

Kolejną kwestią związaną ze spadkiem napięcia IR jest fakt, że moc tracona wynosi I2R — zatem niewielki wzrost prądu płynącego przez rezystancję powoduje duży wzrost strat mocy.  Może to prowadzić do problemów termicznych, gdy urządzenie znacznie się nagrzewa, ponieważ struktury zasilania lub masy są zbyt małe w stosunku do przepływającego przez nie prądu.  Zapewnienie bardzo małego spadku napięcia IR na strukturach zasilania i masy minimalizuje straty mocy w tych strukturach.

W skrajnym przypadku, jeśli struktura ma wystarczająco dużą rezystancję (jest bardzo wąska i długa) i płynie przez nią odpowiednio duży prąd, staje się ona w praktyce „bezpiecznikiem” — miedź ulega stopieniu, powodując awarię urządzenia i potencjalnie stwarzając zagrożenie.  Norma IPC-2152 dotycząca obciążalności prądowej PCB odnosi się do tego problemu, ale przyjmuje pesymistyczne założenia (na przykład brak w pobliżu miedzi przewodzącej ciepło, która pomagałaby je odprowadzać), a projektanci często stosują tę normę, przyjmując najbardziej zachowawcze założenia, takie jak dopuszczenie jedynie minimalnego wzrostu temperatury.  Chociaż analiza PI-DC nie może zastąpić normy IPC-2152 jako źródła wytycznych dotyczących kwestii termicznych, może dostarczyć cennych informacji o tym, jak bezpiecznie zoptymalizować projekt poprzez badanie spadków napięcia i gęstości prądu w układzie dystrybucji zasilania.  Projekt zoptymalizowany pod kątem jak najmniejszej gęstości prądu i jak najmniejszego spadku napięcia między źródłami a wszystkimi odbiornikami będzie również generował mniej ciepła i będzie mniej podatny na problemy termiczne.

Kolejnym aspektem uwzględnianym w analizie PI-DC jest liczba przelotek służących do doprowadzania zasilania.  Problem jest bardzo podobny do właściwego wymiarowania struktur miedzianych: jeśli przelotek jest za mało, spadek napięcia IR powoduje straty napięcia i mocy, natomiast jeśli jest ich za dużo, marnowana jest cenna przestrzeń do prowadzenia ścieżek.  W szczególności, jeśli dla toru określonego napięcia zastosowano zbyt wiele przelotek, przechodzą one przez struktury na innych warstwach i zmniejszają ich przekrój miedzi, powodując tym samym problemy w torach innych napięć.  Podobnie jak przy prawidłowym wymiarowaniu struktur, analiza napięcia w punktach podłączenia odbiorników pozwala odpowiednio dobrać wymiary i liczbę przelotek.

Wreszcie istotną zaletą jest możliwość symulacji końcowego projektu w postaci dokładnie odpowiadającej jego fizycznej realizacji, aby upewnić się, że jest on zoptymalizowany.  Symulacja PI-DC pozwala ostatecznie sprawdzić, czy złącza i stabilizatory zostały odpowiednio dobrane, na przykład jeśli w trakcie projektowania usunięto lub dodano odbiorniki.

Bez wiarygodnych danych dotyczących spadków napięcia w różnych obszarach miedzi zasilania i masy oraz przelotkach na płytce PCB projektant musi przyjąć zachowawcze podejście, stosując nadmiernie duże obszary płaszczyzn, zbyt szerokie ścieżki i zbyt wiele przelotek. Zajmują one cenną przestrzeń na płytce oraz zwiększają liczbę warstw i gabaryty projektu.  Altium PDN Analyzer w prosty i przystępny sposób dostarcza dokładnych informacji o tym, czy sieć dystrybucji zasilania prądem stałym w projekcie spełnia wymagania, umożliwiając projektantom tworzenie możliwie najefektywniejszych układów dystrybucji zasilania.

Wyniki nadają się nie tylko do końcowej weryfikacji projektu, lecz mogą być również wykorzystywane na etapie planowania do opracowania z wyprzedzeniem możliwie najefektywniejszej architektury zasilania.  Analiza PI-DC jest nieocenionym narzędziem w tworzeniu jak najbardziej wydajnej i niezawodnej sieci dystrybucji zasilania, a PDN Analyzer sprawia, że proces symulacji i analizy jest prosty, intuicyjny i efektywny.

Oprócz tych i innych zalet, które PDN Analyzer wnosi do projektowania PCB, zapewnia on również następujące korzyści:

• Niezawodność produktu: Pomaga zapewnić prawidłowe działanie poszczególnych obwodów zasilania w projekcie pod względem poziomów napięć w stanie ustalonym, stabilności napięcia oraz nagrzewania się i uszkodzeń ścieżek.
• Lepszy układ PCB: Dostarcza informacji, które można wykorzystać do jak najefektywniejszego zagospodarowania powierzchni płytki, oraz umożliwia łatwe identyfikowanie i korygowanie problematycznych obszarów o dużej gęstości prądu.
• Wiedza: Przy projektowaniu przebiegu ścieżek prądu stałego nie trzeba już polegać na praktycznych regułach ani przybliżonych obliczeniach.

Symulacja w PDN Analyzer

W najprostszej postaci układ płytki przeznaczony do analizy PI-DC może składać się ze źródła zasilania w postaci stabilizatora napięcia i jego obciążenia, połączonych obszarami miedzi o różnych kształtach oraz ścieżkami o różnych szerokościach.

Przykładowy podstawowy obwód ze źródłem zasilania i obciążeniem.

Układ PCB podstawowego obwodu, z różnymi obszarami miedzi i ścieżkami połączonymi za pomocą warstw i przelotek.

Interfejs panelu PDN Analyzer (Tools » PDN Analyzer) wizualnie odwzorowuje obwód łączący źródło zasilania z obciążeniem, obejmujący fizyczne ścieżki zasilania i masy — podobnie jak na powyższym schemacie obwodu oraz koncepcyjnym schemacie blokowym (rys. 1). Aplikacja automatycznie pobiera wszystkie informacje fizyczne i elektryczne (listę połączeń, elementy, kształty obszarów na warstwach itp.) z aktualnie aktywnego projektu PCB, dostarczając dane do silnika symulacji PI-DC.

Interfejs panelu PDN Analyzer  przedstawiający konfigurację symulacji PI dla podstawowego obwodu i układu płytki.

W tym przypadku źródłem napięcia jest wyjście U1 (5 V między wyprowadzeniami 3 i 2), a obciążenie określa zadany prąd płynący przez RL (0,1 A). Po wprowadzeniu parametrów początkowych za pośrednictwem interfejsu (napięć i prądów źródła oraz obciążenia itp.) i uruchomieniu symulacji uzyskane dane analizy są przedstawiane graficznie w edytorze PCB w postaci renderowanego obrazu 2D lub 3D.

Wyniki symulacji spadku napięcia dla miedzi należącej do sieci PWR i GND na płytce (od U1 do RL oraz od RL do U1).

Symulację PI w PDN Analyzer można skonfigurować tak, aby wyświetlała wyniki napięcia (spadku IR, ilustracja powyżej) lub gęstości prądu (ilustracja poniżej) dla wszystkich odpowiednich warstw płytki.

Mapa gęstości prądu dla sieci PWR i GND (od U1 do RL).

► Pełny opis korzystania z PDN Analyzer i interpretacji wyników można znaleźć w przewodniku po przykładzie użycia PDN Analyzer.