Power Analyzer by Keysight

Rzeczywiste parametry pracy zaprojektowanej płytki PCB zależą od wielu czynników. Wiele z nich można z wystarczającą dokładnością przewidzieć za pomocą różnych narzędzi do analizy projektów PCB, takich jak analiza integralności sygnałów wykonywana po zakończeniu projektowania topologii. Często jednak pomija się kwestię opracowania najefektywniejszej topologii układów zasilania prądem stałym na płytce lub po prostu opiera się ją na praktycznych regułach. Chodzi tu o decyzje dotyczące projektowania obszarów miedzi, które tworzą zarówno szyny zasilania DC dla obwodów, jak i masę lub wspólną ścieżkę powrotną do źródła zasilania DC. Pożądanym rezultatem jest wydajny projekt zapewniający integralność zasilania DC.

We współczesnych projektach cyfrowych, obejmujących szybkie układy, wiele urządzeń, gęsto obsadzone płytki i wiele szyn zasilania, wymagania stawiane sieci dystrybucji zasilania DC uzasadniają bardziej analityczne podejście do jej projektowania. Analiza DC sieci dystrybucji zasilania (PDN), czyli analiza integralności zasilania DC (PI-DC), ma przede wszystkim zapewnić odpowiednią ilość miedzi na drodze od źródeł napięcia do obciążeń. Innymi słowy, płaszczyzny, ścieżki i przelotki na płytce muszą mieć wystarczające wymiary i odpowiednie właściwości, aby sprostać zapotrzebowaniu zamontowanych na niej urządzeń na energię.

Na szczęście ocenę sieci dystrybucji zasilania na płytce PCB można uwolnić od zgadywania dzięki narzędziu do symulacji integralności zasilania DC (PI-DC). Analizuje ono działanie układu zasilania DC na podstawie właściwości elektrycznych i fizycznych projektu płytki oraz pomaga inżynierowi rozwiązywać kluczowe problemy projektowe, umożliwiając:

• Identyfikowanie i rozwiązywanie problemów z napięciem DC i gęstością prądu.

• Obliczanie wzajemnych oddziaływań wielu sieci i ścieżek powrotnych.

• Wizualizację rozkładu napięcia i gęstości prądu oraz identyfikowanie miejsc lokalnego przegrzewania w edytorze PCB.

• Sprawdzanie napięcia, gęstości prądu i prądu płynącego przez przelotki w dowolnym miejscu płytki.

• Generowanie raportu z wynikami analizy symulacyjnej.

Aby przeprowadzić analizę integralności zasilania DC bezpośrednio w środowisku projektowania PCB Altium Designer, warto skorzystać z Power Analyzer by Keysight.

Narzędzie Power Analyzer by Keysight, wykorzystujące technologię Keysight Technologies, integruje się bezpośrednio z Altium Designer, umożliwiając symulację i analizę PI-DC bieżącego projektu PCB. Zamiast opierać się na prostych obliczeniach pola przekroju poprzecznego w celu określenia obciążalności prądowej sieci zasilania, Power Analyzer najpierw dokładnie modeluje struktury miedziane, a następnie oblicza napięcia i prądy w układzie dystrybucji zasilania na całej płytce PCB. Wyniki są prezentowane zarówno graficznie, jak i w formie tabel, dzięki czemu inżynier może szybko dostosować szerokości ścieżek, grubości miedzi i właściwości przelotek, aby zapewnić integralność zasilania DC wymaganą w danym projekcie.

Aby przeprowadzić analizę integralności zasilania w Altium, inżynier najpierw tworzy hierarchiczną sieć całego układu dystrybucji zasilania, określając każdą sieć zasilającą i powrotną, źródła i obciążenia, a także wszelkie elementy szeregowe występujące w poszczególnych sekcjach sieci zasilania. Po zdefiniowaniu sieci i ustawień konfiguracji Power Analyzer może przeanalizować całą sieć.

Konfigurowanie sieci zasilania

Power Analyzer analizuje przepływ energii przez miedziane ścieżki przewodzące w sieci zasilania. Sieć zasilania definiuje się przez identyfikację i konfigurację jej poszczególnych elementów, w tym sieci połączeń, źródła, ewentualnych elementów szeregowych i obciążeń. Aby skonfigurować sieć zasilania:

❯ ❮ Javascript

Dodaj dokument analizy do projektu Analizę konfiguruje się i uruchamia z poziomu dokumentu Power Analyzer by Keysight (<ProjectName>.pdnaK). Skonfiguruj właściwości płytki Power Analyzer wymaga informacji o fizycznych właściwościach płytki, takich jak dopuszczalna gęstość prądu, rodzaj miedzi, temperatura pracy itp. Sprawdź, czy wartości domyślne zdefiniowane w sekcji Configuration dokumentu analizatora są odpowiednie dla Twojego projektu. Automatyczna identyfikacja sieci zasilających Power Analyzer może podjąć próbę automatycznego zidentyfikowania sieci zasilających. W tym celu musi wiedzieć, jak identyfikować elementy obwodu, takie jak stabilizatory napięcia, złącza i elementy szeregowe. Oprócz wykorzystania wskazówek, takich jak prefiksy oznaczeń elementów, możesz również dodać parametry do wybranych elementów, aby usprawnić proces automatycznego wykrywania. Dowiedz się więcej o konfigurowaniu ustawień automatycznego definiowania. Wybierz sieci zasilające Kliknij , aby automatycznie zidentyfikować sieci zasilające, lub kliknij , aby wybrać je ręcznie. Dowiedz się więcej o definiowaniu sieci zasilających. Rozszerz sieci Jeśli sieć zasilająca przechodzi przez element szeregowy, taki jak bezpiecznik, rozszerz ją i zidentyfikuj elementy szeregowe oraz połączone za nimi sieci. Dowiedz się więcej o rozszerzaniu sieci. Zidentyfikuj i skonfiguruj źródło Każda sieć zasilająca zaczyna się od źródła, na przykład złącza. Włącz źródło w oknie dialogowym Add Source, a następnie kliknij ikonę koła zębatego, aby je skonfigurować. Dowiedz się więcej o identyfikowaniu i konfigurowaniu źródła. Zidentyfikuj obciążenia Zacznij od elementów pobierających najwięcej prądu, w tym modułów regulacji napięcia (VRM). Dowiedz się więcej o identyfikowaniu obciążeń. Skonfiguruj obciążenia i moduły VRM Kliknij ikonę koła zębatego, aby otworzyć okno dialogowe Load Properties, i skonfiguruj każde obciążenie. Gdy urządzenie zostanie skonfigurowane jako moduł regulacji napięcia (VRM), w hierarchii automatycznie tworzona jest podrzędna sieć zasilania, w której ten moduł VRM pełni funkcję źródła. Zidentyfikuj obciążenia w podrzędnych sieciach zasilających Upewnij się, że w każdej sieci zasilającej uwzględniono elementy stanowiące główne obciążenia. Potwierdź sieć zasilania Kliknij przycisk , aby potwierdzić, że sieć zasilania jest gotowa do testowania. Gotowość do analizy Sprawdź widok drzewa, aby wizualnie potwierdzić, że każda sieć zasilania jest kompletna. Aby przejść z jednej sieci zasilającej do innej, kliknij łącze Power Analyzer by Keysight, aby wrócić do dokumentu sieci zasilającej, i wybierz widok drzewa dla każdej z nich. Po wykonaniu tych czynności możesz rozpocząć analizę sieci zasilania.

Analizowanie sieci zasilania

Po zdefiniowaniu sieci zasilania można przystąpić do analizy rozprowadzania zasilania prądem stałym na płytce i przez jej warstwy.

❯ ❮ Javascript

Analiza struktur miedzianych Po kliknięciu przycisku  struktury miedziane na płytce są analizowane i symulowane zgodnie z ustawieniami konfiguracji w celu określenia przepływów prądu i spadków napięcia. Pokaż na PCB Podsumowanie wyników analiz Voltage Drop, Current Density i Max Via Current jest wyświetlane w sekcji Definicja sieci zasilania w dokumencie *.pdnaK (wyróżnionej powyżej kolorem jasnoniebieskim). Kliknij , aby przejrzeć mapy cieplne gęstości prądu i spadków napięcia. Kolorowa mapa cieplna otworzy się w edytorze PCB. Otworzy się również panel Power Analyzer by Keysight, w którym można skonfigurować Heatmap, przejrzeć wszelkie Violations i umieścić Probes pomiarowe. Dowiedz się więcej o uruchamianiu analizy. Przeglądanie map cieplnych Obliczone przepływy prądu i spadki napięcia są wyświetlane jako mapy cieplne bezpośrednio w edytorze PCB. Korzystaj z kart warstw w edytorze PCB, aby przeglądać mapę cieplną na każdej warstwie, przełączaj się między widokami PCB 2D i 3D za pomocą standardowych skrótów 2 i 3 oraz kliknij przycisk Show Heatmap w panelu Power Analyzer by Keysight, aby przełączać się między mapami cieplnymi analizy zasilania a standardowymi trybami wyświetlania PCB. Przeglądanie wyników analizy W edytorze PCB wybór przeglądanego wyniku analizy sieci zasilania odbywa się za pomocą panelu Power Analyzer by Keysight. W górnej części panelu wybierz sieć lub połączenie zasilania, którego mapę cieplną chcesz wyświetlić. Pamiętaj, że jeśli w projekcie występują naruszenia, domyślnie na liście rozwijanej uwzględniana jest opcja Only nets with violations. Wyłącz tę opcję, aby uwzględnić na liście wszystkie połączenia zasilania. Dowiedz się więcej o panelu Power Analyzer by Keysight. Przełączanie między gęstością prądu a spadkiem napięcia Mapa cieplna przedstawia Current Density przepływającego przez miedź lub Voltage Drop na miedzi. Aby wybrać wymagany tryb, użyj przycisków w górnej części karty Heatmap panelu. Pod płytką wyświetlana jest skala mapy cieplnej, automatycznie dopasowana dla prądu od Zero do Max Current Density lub dla spadku napięcia od (Voltage - VDrop) do Voltage. Na mapie cieplnej można wyświetlić strzałki wskazujące kierunek przepływu prądu, a także dostosować skalę gęstości prądu lub spadku napięcia. Dowiedz się więcej o konfigurowaniu wyświetlania mapy cieplnej i sterowaniu nim. Analiza spadku napięcia Miejsca o dużej gęstości prądu można rozpoznać bezpośrednio po ich kolorze na mapie cieplnej. Ponieważ spadek napięcia jest obliczany jako różnica między punktami, jego zrozumienie wymaga dokładniejszej interpretacji. Aby ułatwić identyfikację miejsc krytycznych, użyj opcji Enable Visual Slider for Voltage Contour do wyświetlenia wstępnie zdefiniowanych izolinii, wyrażonych jako napięcie lub wartość procentowa. Dowiedz się więcej o mapie cieplnej spadku napięcia. Pomiary wyników za pomocą sond Aby wykonać pomiar bezpośrednio na mapie cieplnej, umieść sondę. Umieść pojedynczą sondę, aby wyświetlić bezwzględną wartość prądu lub napięcia w danym miejscu, albo kliknij drugi punkt, aby zmierzyć różnicę między dwoma punktami sondowania. Typ pomiaru (V lub I) zależy od bieżącego trybu mapy cieplnej (gęstość prądu lub spadek napięcia). Pamiętaj, że pomiar w środku otworu przelotowego zawsze pokazuje gęstość prądu. Dowiedz się więcej o sondach. Przeglądanie wyników dla połączenia masy Domyślnie połączenie masy jest wykluczone z wyników mapy cieplnej. Aby je uwzględnić, usuń zaznaczenie pola Skip Ground w sekcji Configuration dokumentu *.pdnaK, a następnie wybierz połączenie GND z listy rozwijanej Network / Net w górnej części panelu Power Analysis by Keysight. Pamiętaj, że mapa cieplna obsługuje struktury wielokątne na warstwach sygnałowych, ale nie umożliwia symulowania zachowania warstwy płaszczyzny zasilania. Dowiedz się więcej o opcjach konfiguracji.

Interpretowanie wyników i tworzenie raportów

Power Analyzer dostarcza szczegółowych informacji bezpośrednio w edytorze PCB. Z poziomu panelu Power Analyzer by Keysight można szybko analizować naruszenia, umieszczać sondy pomiarowe i zapisywać mapy cieplne jako obrazy. Aby uzyskać dostęp do szczegółowych informacji o analizie zasilania prądem stałym na płytce, można wygenerować raport. Szczegółowy raport otwiera się w dokumencie pdnaK, skąd można zapisać wybrane sekcje w pliku raportu HTML. Raport może dotyczyć pojedynczego połączenia zasilania lub całej sieci zasilania.

❯ ❮ Javascript

Praca z interaktywnymi wynikami graficznymi Korzystając z interaktywnego panelu Power Analyzer by Keysight, można szybko identyfikować i analizować naruszenia. Generowanie raportu Aby wygenerować szczegółowy raport, kliknij przycisk w dokumencie Power Analyzer by Keysight (<ProjectName>.pdnaK). Raport dla dowolnego pojedynczego połączenia można również wygenerować, klikając odpowiedni przycisk . Szczegółowy raport połączenia — parametry Pełny raport zawiera listę wszystkich przeanalizowanych połączeń zasilania. Kliknij nazwę połączenia, aby otworzyć jego szczegółowy raport. Po lewej stronie raportu połączenia znajdują się: Nazwa połączenia zasilania (oraz wszystkich połączeń podrzędnych, jeśli zostało ono rozszerzone) wraz z ogólnym stanem Pass / Fail.  Obliczone parametry: Vdrop, Idensity i Ivia_max. Jeśli którykolwiek z obliczonych parametrów wskazuje ostrzeżenie (pomarańczowa linia) lub błąd (czerwona linia), pod parametrami wyświetlane są sugestie dotyczące usunięcia tych ostrzeżeń lub błędów. Szczegółowy raport połączenia — wyniki Prawa strona raportu zawiera rozwijane sekcje: Global Settings — właściwości fizyczne płytki, takie jak dopuszczalna gęstość prądu, rodzaj miedzi, temperatura pracy itd. Konfiguruje się je w dokumencie pdnaK. Design Stackup — układ warstw fizycznych tworzących płytkę, zdefiniowany w narzędziu PCB Layer Stack Manager. Heatmap for Current Density — przedstawia rozkład prądu w danym połączeniu w obrębie miedzi na każdej warstwie płytki. Gęstość prądu jest przedstawiana za pomocą koloru: im większa gęstość prądu, tym cieplejszy kolor.  Heatmap for Voltage Drop — przedstawia zakres napięć występujących w danym połączeniu na każdej warstwie miedzi płytki. Im wyższe napięcie, tym cieplejszy kolor (lub im większy spadek napięcia, tym chłodniejszy kolor). System-Level Power Network Results — drzewo wszystkich urządzeń skonfigurowanych we wszystkich połączeniach zasilania, z wyróżnieniem urządzeń w wybranym połączeniu zasilania. Network Details — szczegółowy raport wyników analizy danego połączenia; więcej informacji na ten temat znajduje się na następnym slajdzie. Szczegółowy raport połączenia — szczegóły sieci Skorzystaj z sekcji Network Details, aby szybko zidentyfikować potencjalne problemy w projekcie. Sekcja ta zawiera: Power Net Members — graficzną reprezentację Sources i Loads w wybranej sieci zasilania, zgodnie z definicją w dokumencie pdnaK.  Power Consumption — moc pobieraną przez wybraną sieć zasilania. Least Margins — margines, czyli różnicę między dopuszczalnym a obliczonym natężeniem prądu, wskazującą pozostały zapas obciążalności prądowej. Najmniejszy margines wskazuje miejsce o najmniejszym zapasie (lub największym przekroczeniu w przypadku wyniku ujemnego). Użyj wyniku najmniejszego marginesu, aby szybko zidentyfikować najgorsze wyniki dla Non-Via Current Density i Via Current, wyrażone jako Absolute value (Allowed Current - Calculated Current), a także jako Percentage ((Allowed - Calculated) / Allowed * 100).  Wartość zerowa lub ujemna oznacza Fail. List of Violations — liczbę naruszeń każdego typu występujących na płytce. Failed Via Summary — listę przelotek i pól lutowniczych elementów przewlekanych, dla których wyniki natężenia prądu lub gęstości prądu wskazują margines równy zero lub mniejszy. Wyniki można sortować, klikając nagłówek kolumny; kliknij ponownie, aby odwrócić kolejność sortowania, lub przytrzymaj Shift podczas klikania, aby dodatkowo posortować wyniki według kolejnych kolumn. Zapisz raport Aby utworzyć raport HTML z analiz, kliknij przycisk . W oknie dialogowym Save Report Settings skonfiguruj wymagane Networks i Data dotyczące zasilania, które chcesz uwzględnić, a następnie kliknij przycisk , aby zapisać raport jako zestaw plików HTML. Raport jest tworzony w folderze oznaczonym datą i godziną, znajdującym się w folderze projektu, \PowerAnalyzerByKeysight_Output\HTMLReport\<ProjectName> [PDNA]_<Date>_<Time>. Znajdź i otwórz plik Report.html, aby przejrzeć raport w domyślnej przeglądarce.   Uwzględnij wyniki sondowania i zrzuty obrazów Obrazy przechwycone za pomocą przycisku w panelu Power Analyzer by Keysight są automatycznie dołączane na końcu sekcji Network Details raportu HTML wraz ze wszystkimi obrazami wyników Probe zapisanymi za pomocą przycisku .

Playlista — jak pracować z Power Analyzer by Keysight

Nauka obsługi nowego oprogramowania projektowego wymaga czasu. Jeśli najlepiej uczysz się przez oglądanie, zapoznaj się z tą playlistą filmów prezentujących niektóre z kluczowych funkcji:  Jak pracować z Power Analyzer by Keysight.