Power Analyzer by Keysight

Praktyczna wydajność układu PCB zależy od wielu czynników, z których wiele można z dość dużą dokładnością przewidzieć za pomocą różnych narzędzi do analizy projektu PCB, takich jak analiza Signal Integrity analysis po wykonaniu layoutu. Często jednak pomija się — albo sprowadza do metody „na wyczucie” — opracowanie możliwie najskuteczniejszego projektu layoutu dla systemów dostarczania zasilania DC na płytce. Chodzi tu o decyzje projektowe dotyczące obszarów miedzi na płytce, które zapewniają zarówno szyny zasilania DC dla układów, jak i ich masę lub wspólną ścieżkę powrotną do źródła zasilania DC. Pożądanym rezultatem jest efektywny projekt, który zachowuje integralność układu zasilania DC w projekcie.

W nowoczesnych projektach cyfrowych, obejmujących układy o wysokich prędkościach, wiele urządzeń, gęsto upakowane płytki oraz liczne szyny zasilania, wymagania stawiane sieci dystrybucji zasilania DC uzasadniają bardziej analityczne podejście do jej projektowania. Analiza DC sieci Power Delivery Network (PDN), czyli wyniki DC Power Integrity (PI-DC), zasadniczo ma na celu upewnienie się, że na ścieżce od źródeł napięcia do obciążeń zapewniono wystarczającą ilość miedzi — innymi słowy, że pola, ścieżki i przelotki na płytce mają odpowiedni rozmiar (i właściwości), aby spełnić wymagania poboru mocy przez urządzenia na płytce.

Na szczęście można wyeliminować zgadywanie przy ocenie sieci zasilania PCB dzięki użyciu narzędzia symulacyjnego DC Power Integrity (PI-DC), które analizuje parametry DC projektu płytki na podstawie jej właściwości elektrycznych i fizycznych oraz pomaga inżynierowi odpowiedzieć na kluczowe pytania projektowe, w tym:

• Zidentyfikować i rozwiązać problemy z napięciem DC oraz gęstością prądu.

• Obliczyć interakcje między wieloma sieciami oraz ścieżkami powrotnymi.

• Zwizualizować rozkład napięcia i gęstości prądu oraz zidentyfikować hotspoty w edytorze PCB.

• Sprawdzić napięcie, gęstość prądu oraz prąd w przelotkach w dowolnym miejscu na płytce.

• Wygenerować raport z wynikami symulacji analizy.

Aby wykonać analizę DC Power Integrity bezpośrednio w środowisku projektowania PCB Altium Designer, rozwiązaniem pierwszego wyboru jest Power Analyzer by Keysight.

Power Analyzer by Keysight, udostępniany przez Keysight Technologies, integruje się bezpośrednio z Altium Designer, umożliwiając symulację i analizę PI-DC dla bieżącego projektu PCB. Zamiast polegać na prostych obliczeniach pola przekroju w celu określenia obciążalności prądowej sieci zasilania, Power Analyzer najpierw dokładnie modeluje struktury miedzi, a następnie oblicza napięcia i prądy zasilania na całej płytce PCB. Ponieważ wyniki są prezentowane zarówno w formie wizualnej, jak i tabelarycznej, inżynier może wykorzystać te informacje zwrotne i szybko skorygować szerokości ścieżek, grubości miedzi oraz właściwości przelotek, aby zapewnić wymaganą dla projektu integralność dostarczania zasilania DC.

Aby wykonać analizę Power Integrity w Altium, inżynier najpierw tworzy hierarchiczną sieć całego systemu dostarczania zasilania, identyfikując każdą sieć zasilania i powrotu, źródła i obciążenia, a także wszelkie elementy szeregowe obecne w każdej sekcji sieci zasilania. Po zdefiniowaniu sieci i ustawień konfiguracji Power Analyzer może zbadać całą sieć.

Konfigurowanie sieci zasilania

Power Analyzer bada przepływ energii przez miedziane ścieżki w sieci zasilania. Sieć zasilania definiuje się poprzez identyfikację i konfigurację różnych elementów sieci, w tym: netu, źródła, wszelkich elementów szeregowych oraz obciążeń. Aby skonfigurować sieć zasilania:

❯ ❮ Javascript

Dodaj dokument analizy do projektu Analiza jest konfigurowana i uruchamiana z dokumentu Power Analyzer by Keysight (<ProjectName>.pdnaK). Skonfiguruj właściwości płytki Power Analyzer musi znać fizyczne właściwości płytki, takie jak dopuszczalna gęstość prądu, rodzaj miedzi, temperatura pracy itd. Upewnij się, że wartości domyślne zdefiniowane w sekcji Configuration dokumentu analyzer są odpowiednie dla Twojego projektu. Automatyczna identyfikacja sieci zasilania Power Analyzer może spróbować automatycznie zidentyfikować sieci zasilania. Aby to zrobić, musi wiedzieć, jak rozpoznawać elementy obwodu, takie jak stabilizatory napięcia, złącza oraz elementy szeregowe. Oprócz korzystania z podpowiedzi, takich jak prefiksy oznaczeń elementów (designatorów), możesz także dodać parametry do wybranych komponentów, aby usprawnić proces automatycznego wykrywania. Dowiedz się więcej o Configuring the Auto-Define Settings. Wybierz sieć(i) zasilania Kliknij  aby automatycznie zidentyfikować sieci zasilania, albo kliknij  aby ręcznie wybrać sieć(i) zasilania. Dowiedz się więcej o defining the Power Nets. Rozszerz sieć(i) Jeśli sieć zasilania przechodzi przez element szeregowy, taki jak bezpiecznik, rozszerz sieć i zidentyfikuj elementy szeregowe oraz połączone (łańcuchowo) sieci. Dowiedz się więcej o extending a net. Zidentyfikuj i skonfiguruj źródło Każda sieć zasilania zaczyna się od źródła (Source), np. złącza. Włącz źródło w oknie dialogowym Add Source, a następnie kliknij ikonę koła zębatego, aby skonfigurować to źródło. Dowiedz się więcej o identifying and configuring the Source. Zidentyfikuj obciążenia Zacznij od głównych odbiorników prądu, w tym modułów Voltage Regulator Modules (VRMs). Dowiedz się więcej o identifying the Loads. Skonfiguruj obciążenia i VRM-y Kliknij ikonę koła zębatego, aby otworzyć okno dialogowe Load Properties, i skonfiguruj każde obciążenie. Gdy urządzenie zostanie skonfigurowane jako Voltage Regulator Module (VRM), w hierarchii automatycznie tworzona jest podrzędna sieć zasilania, w której ten VRM jest źródłem. Zidentyfikuj obciążenia w podrzędnych sieciach zasilania Upewnij się, że główne komponenty obciążenia są uwzględnione w każdej sieci zasilania. Potwierdź sieć zasilania Kliknij przycisk , aby potwierdzić, że sieć zasilania jest gotowa do testów. Gotowe do analizy Sprawdź drzewo (Tree), aby wizualnie potwierdzić kompletność każdej sieci zasilania. Aby przejść z jednej sieci zasilania do innej, kliknij odnośnik Power Analyzer by Keysight, aby wrócić do dokumentu sieci zasilania, i wybierz Tree dla każdej sieci zasilania. Gdy to zostanie zakończone, możesz analizować sieć zasilania.

Analiza sieci zasilania

Po zdefiniowaniu sieci zasilania (Power Networks) możesz przeanalizować dystrybucję zasilania DC na płytce i przez jej warstwy.

❯ ❮ Javascript

Analizuj struktury miedzi Na podstawie ustawień konfiguracji, po kliknięciu przycisku  analizowane i symulowane są struktury miedzi obecne na płytce, aby określić przepływy prądu i spadki napięcia. Pokaż na PCB Podsumowanie wyników analiz Voltage Drop, Current Density i Max Via Current jest wyświetlane jako część Power Net Definition w dokumencie *.pdnaK (zaznaczone powyżej na jasnoniebiesko). Kliknij , aby przejrzeć mapy cieplne gęstości prądu i spadku napięcia. Kolorowy widok mapy cieplnej otworzy się w edytorze PCB, a także zostanie otwarty panel Power Analyzer by Keysight, w którym możesz skonfigurować Heatmap, przeglądać dowolne Violations oraz umieszczać Probes pomiarowe. Dowiedz się więcej o Running an Analysis. Sprawdź mapy cieplne Obliczony przepływ prądu i spadki napięcia są wyświetlane jako mapy cieplne (Heatmaps) bezpośrednio w edytorze PCB. Użyj zakładek warstw w edytorze PCB, aby obejrzeć mapę cieplną na każdej warstwie, przełączaj się między trybami widoku PCB 2D i 3D standardowymi skrótami 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. Przeglądaj wyniki analizy W edytorze PCB wynik analizy sieci zasilania, który aktualnie przeglądasz, jest kontrolowany przez panel Power Analyzer by Keysight. Na górze panelu wybierz sieć zasilania/net, którego mapę cieplną chcesz wyświetlić. Zwróć uwagę, że jeśli w projekcie występują naruszenia, domyślnie w rozwijanej liście uwzględniana jest opcja Only nets with violations — odznacz ją, aby uwzględnić na liście wszystkie sieci zasilania. Dowiedz się więcej o Power Analyzer by Keysight Panel. Przełączanie między gęstością prądu a spadkiem napięcia Heatmapa wyświetla albo Current Density przez miedź, albo Voltage Drop wzdłuż miedzi — użyj przycisków u góry karty Heatmap panelu, aby wybrać wymagany tryb. Skala dla heatmapy jest wyświetlana poniżej płytki i jest automatycznie skalowana dla prądu od Zero do Max Current Density lub dla spadku napięcia od (Voltage - VDrop) do Voltage. Na heatmapie można wyświetlić strzałki kierunkowe wskazujące przepływ prądu, a także dostosować skalę Gęstości prądu lub Spadku napięcia. Dowiedz się więcej o konfigurowaniu i sterowaniu wyświetlaniem heatmapy. Analiza spadku napięcia Lokalizacje hotspotów gęstości prądu można bezpośrednio zidentyfikować po ich kolorze na heatmapie. Ponieważ spadek napięcia jest obliczany jako różnica pomiędzy lokalizacjami, jego zrozumienie wymaga głębszej interpretacji. Aby ułatwić identyfikację krytycznych miejsc, użyj opcji Enable Visual Slider for Voltage Contour, aby wyświetlić predefiniowane linie konturowe — jako wartości napięcia lub jako procent. Dowiedz się więcej o heatmapie dla spadku napięcia. Sondowanie wyników Aby wykonać pomiar bezpośrednio z heatmapy, umieść sondę (Probe). Umieść pojedynczą sondę, aby wyświetlić bezwzględną wartość prądu lub napięcia w danym miejscu, albo kliknij w drugiej lokalizacji, aby zmierzyć różnicę pomiędzy dwoma punktami sondy. Typ pomiaru (V lub I) jest określany przez bieżący tryb heatmapy (Gęstość prądu lub Spadek napięcia). Zwróć uwagę, że sondowanie punktu centralnego otworu przelotowego (thru-hole) zawsze wyświetli gęstość prądu. Dowiedz się więcej o sondach (Probes). Sprawdź wyniki dla sieci masy (Ground) Domyślnie sieć masy (Ground) jest wykluczona z wyników heatmapy. Aby ją uwzględnić, wyłącz pole wyboru Skip Ground w sekcji Configuration dokumentu *.pdnaK, a następnie wybierz sieć GND z listy rozwijanej Network / Net u góry panelu Power Analysis by Keysight. Zwróć uwagę, że heatmapa obsługuje struktury poligonów na warstwach sygnałowych, ale nie można zasymulować zachowania warstwy płaszczyzny zasilania (power plane). Dowiedz się więcej o opcjach konfiguracji.

Interpretacja i raportowanie wyników

Power Analyzer zapewnia szczegółowe informacje zwrotne bezpośrednio w edytorze PCB. Z panelu Power Analyzer by Keysight można szybko analizować naruszenia, umieszczać sondy pomiarowe oraz zapisywać heatmapy jako obrazy. Aby uzyskać szczegółowe informacje o analizie zasilania DC Twojej płytki, można wygenerować raport. Szczegółowy raport otwiera się w dokumencie pdnaK i stamtąd możesz zapisać wybrane sekcje do pliku raportu HTML. Raport może dotyczyć pojedynczej sieci zasilania lub całej sieci zasilania.

❯ ❮ Javascript

Praca z interaktywnymi wynikami graficznymi Pracując w interaktywnym panelu Power Analyzer by Keysight, możesz szybko identyfikować i analizować naruszenia. Generowanie raportu Aby wygenerować szczegółowy raport, kliknij przycisk w dokumencie Power Analyzer by Keysight (<ProjectName>.pdnaK). Alternatywnie raport dla dowolnej pojedynczej sieci można wygenerować, klikając odpowiedni przycisk  . Szczegółowy raport sieci (Net) — parametry Pełny raport (Full Report) zawiera listę wszystkich przeanalizowanych sieci zasilania; kliknij nazwę sieci (Net Name), aby otworzyć szczegółowy raport dla tej sieci. Po lewej stronie raportu sieci znajduje się lista: Nazwa sieci zasilania (oraz wszystkich podsieci, jeśli została rozszerzona — Extended), wraz z ogólnym statusem Pass / Fail .  Parametry obliczone: Vdrop, Idensity i Ivia_max. Jeśli którykolwiek z obliczonych parametrów pokazuje ostrzeżenie (pomarańczowa linia) lub błąd (czerwona linia), poniżej parametrów zostaną wyświetlone sugestie dotyczące rozwiązania tych ostrzeżeń/błędów. Szczegółowy raport sieci (Net) — wyniki Prawa strona raportu zawiera zwijane sekcje dla: Global Settings - właściwości fizycznych płytki, takich jak dopuszczalna gęstość prądu, typ miedzi, temperatura pracy itd. Są one konfigurowane w dokumencie pdnaK. Design Stackup - układu warstw fizycznych tworzących płytkę, zdefiniowanego w PCB Layer Stack Manager. Heatmap for Current Density - wyświetla rozkład prądu w tej sieci w całej miedzi dla każdej warstwy płytki. Gęstość prądu jest reprezentowana kolorem; im większa gęstość prądu, tym „cieplejszy” kolor.  Heatmap for Voltage Drop - wyświetla zakres napięć występujących w tej sieci dla każdej warstwy miedzi w płytce. 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 sieciach zasilania, z wyróżnieniem urządzeń w wybranej sieci zasilania. Network Details - Szczegółowy raport wyników analizy tej sieci — więcej o tym na następnym slajdzie. Szczegółowy raport sieci (Net) — szczegóły sieci (Network Details) Użyj sekcji Network Details , aby szybko zidentyfikować potencjalne problemy w projekcie. Ta sekcja 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 to różnica pomiędzy dopuszczalnym prądem a prądem obliczonym, wskazująca, jak duża dodatkowa zdolność przenoszenia prądu jest dostępna (margines). Least Margin identyfikuje lokalizację najmniejszego marginesu (lub największej porażki w przypadku wyniku ujemnego). Użyj wyniku Least Margin, aby szybko zidentyfikować wyniki najgorszego przypadku 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 zero lub ujemna wskazuje na Fail. List of Violations - liczbę naruszeń każdego typu obecnych na płytce. Failed Via Summary - listę przelotek (via) i padów elementów przewlekanych (thru-hole), dla których wyniki prądu lub gęstości prądu zwracają margines równy zero lub mniejszy. Wyniki można sortować, klikając nagłówek kolumny; kliknij drugi raz, aby sortować w przeciwnym kierunku, a podczas klikania przytrzymaj Shift, aby sortować podrzędnie dodatkowe kolumny. Zapisz raport Aby utworzyć raport HTML z analiz, kliknij przycisk . W oknie dialogowym Save Report Settings skonfiguruj wymagane Networks i Data zasilania, które chcesz uwzględnić, a następnie kliknij przycisk , aby zapisać raport jako zestaw plików HTML. Raport jest tworzony w folderze z datą i godziną w folderze projektu, \PowerAnalyzerByKeysight_Output\HTMLReport\<ProjectName> [PDNA]_<Date>_<Time>. Znajdź i otwórz plik Report.html, aby obejrzeć raport w domyślnej przeglądarce.   Uwzględnij wyniki sond i przechwycone obrazy Obrazy przechwycone za pomocą przycisku w panelu Power Analyzer by Keysight są automatycznie dołączane na końcu sekcji Network Details raportu HTML, wraz z wszelkimi obrazami wyników Probe zapisanymi przy użyciu przycisku .

Playlista — jak pracować z Power Analyzer by Keysight

Nauka pracy z nowym oprogramowaniem projektowym wymaga czasu. Jeśli najlepiej uczysz się przez oglądanie, sprawdź tę playlistę wideo, która demonstruje niektóre kluczowe funkcje: How to Work with Power Analyzer by Keysight.