PDN Analyzer (by CST)

O PDN Analyzer powered by CST^® (Computer Simulation Technology) integra-se diretamente ao Altium Designer para permitir a simulação e a análise PI-DC do projeto de PCB atual. Como o PDN Analyzer funciona dentro do Altium Designer, não é necessário importar/exportar dados manualmente, converter dados ou executar aplicativos separados — basta iniciar o PDN Analyzer no editor de esquemáticos ou de PCB, definir os parâmetros de teste desejados e executar a simulação. Os resultados são apresentados principalmente por meio da modelagem 2D/3D da distribuição de cobre da placa de circuito, permitindo uma avaliação rápida dos resultados e a realização de testes exploratórios do tipo “e se” no layout da PCB.

A interface do PDN Analyzer exibida com a PCB de exemplo Spirit Level do Altium Designer e os resultados de uma simulação PI-DC de queda de tensão no retorno da rede GND da camada superior para a alimentação VCCINT.

Acesso aos recursos do PDN Analyzer

Para acessar os recursos do PDN Analyzer no Altium Designer, a extensão de software PDN Analyzer  deve estar instalada. Essa extensão pode ser instalada ou removida manualmente.

Para obter mais informações sobre o gerenciamento de extensões, consulte a página Extending Your Installation (Altium Designer Develop, Altium Designer Agile, Altium Designer).

Para acessar os recursos, você também precisa ter uma assinatura válida do PDN Analyzer.

Fundamentos da integridade de energia

Em essência, o problema de PI-DC (ou “queda IR”) é bastante simples: a resistência presente nas geometrias de cobre da alimentação da placa (trilhas, polígonos, planos etc.) consome potência e provoca quedas de tensão, reduzindo a potência e a tensão disponíveis para as diversas cargas. Como seria de esperar, os problemas de queda IR tornam-se mais complexos à medida que aumenta o número de cargas na alimentação, devido à interação entre os caminhos de cobre de alimentação e terra.

Figura 1: Um diagrama de blocos básico das geometrias de alimentação e terra e das cargas aplicadas.

A Figura 1 (acima) mostra um diagrama de blocos simples da fonte de alimentação de um circuito e de suas geometrias de alimentação e terra (trilhas e planos), que fornecem energia às diversas cargas (memórias, microcontroladores etc.).  Observe que todas as cargas estão conectadas às mesmas geometrias de alimentação e terra e dependem delas para receber suas tensões de operação.  Em geral, tendemos a supor que essas geometrias de alimentação e terra têm resistência de 0Ω, o que não é necessariamente verdade, e essa suposição pode causar problemas.  Como frequentemente há correntes relativamente altas envolvidas, mesmo pequenas resistências nas geometrias de alimentação e terra podem causar um consumo significativo de potência (perdas) e quedas de tensão.

Figura 2: Efeitos da “queda IR”

A Figura 2 apresenta um exemplo dos problemas que podem surgir se a resistência das geometrias de alimentação e terra não for devidamente considerada.  Embora cada geometria tenha uma resistência relativamente pequena, de apenas 0,25Ω, elas fizeram com que a tensão na carga caísse de 5V para 4,5V.  O projetista precisa estar ciente dessa queda e garantir que ela seja tolerável, ou alterar o projeto para reduzi-la, assegurando que o projeto final não apresente falhas em campo.

O problema, no entanto, parece fácil de resolver — basta tornar as geometrias de alimentação e terra curtas ou grandes o suficiente para que sua resistência seja insignificante, usando a seguinte relação: R = ρ * L/A, em que:

• R é a resistência total de uma geometria (trilha ou plano)
• ρ é a resistividade do material usado na geometria (normalmente cobre, ρ ≈ 1.7µΩ-cm)
• L é o comprimento da geometria
• A é a área da seção transversal da geometria (largura x espessura)

Em termos simples, se você tornar as geometrias de alimentação e terra curtas, espessas e largas, minimizará sua resistência.

A dificuldade, porém, é que geometrias excessivamente grandes consomem um espaço valioso para o roteamento e podem limitar o espaço disponível para as geometrias de outras tensões.  Um projeto com geometrias de alimentação e terra corretamente dimensionadas será mais compacto e usará menos camadas do que um projeto que utilize arbitrariamente planos ou trilhas excessivamente grandes.  O objetivo da análise PI-DC é indicar ao projetista se as geometrias de alimentação e terra da placa são adequadas, sem serem excessivamente grandes.

Outro aspecto a considerar em relação à queda IR é o fato de que a potência consumida é I2R — portanto, um pequeno aumento na corrente que passa por uma resistência causa um grande aumento no consumo de potência.  Isso pode se manifestar como problemas térmicos, nos quais o circuito aquece significativamente porque as geometrias de alimentação e/ou terra não são grandes o suficiente para suportar a corrente que passa por elas.  Ao garantir uma queda IR muito pequena nas geometrias de alimentação e terra, o consumo de potência nessas geometrias é minimizado.

Em um caso extremo, se uma geometria for suficientemente resistiva (muito estreita e longa) e houver corrente suficiente passando por ela, essa geometria se tornará, essencialmente, um “fusível”, fazendo com que o cobre derreta e o circuito falhe — e possivelmente criando uma situação perigosa.  A norma IPC-2152, referente à capacidade de condução de corrente de PCBs, aborda essa questão, mas com premissas pessimistas (por exemplo, sem cobre termicamente condutor nas proximidades para ajudar a dissipar o calor), e os projetistas frequentemente aplicam essa especificação usando as premissas mais conservadoras, como permitir apenas um aumento mínimo de temperatura.  Embora a análise PI-DC não possa substituir a norma IPC-2152 como diretriz para considerações térmicas, ela pode fornecer informações valiosas sobre como otimizar um projeto com segurança, por meio do estudo das quedas de tensão e das densidades de corrente do sistema de distribuição de energia.  Um projeto otimizado para obter a menor densidade de corrente e a menor queda de tensão entre as fontes e todas as cargas também gerará menos calor e terá menor probabilidade de apresentar problemas térmicos.

Outro aspecto abordado pela análise PI-DC é o número de vias usadas para fornecer energia.  O problema é bastante semelhante ao do dimensionamento correto das geometrias de cobre: se não houver vias suficientes, haverá perda de tensão e desperdício de potência devido à queda IR; por outro lado, se forem usadas vias demais, um espaço valioso para o roteamento será desperdiçado.  Em particular, se forem usadas vias demais para um determinado caminho de tensão, essas vias atravessarão geometrias em outras camadas e reduzirão sua seção transversal de cobre, causando problemas para essas outras tensões.  Assim como ocorre com o dimensionamento correto das geometrias, analisar a tensão nos pontos de carga permite definir adequadamente o tamanho e/ou a quantidade de vias.

Por fim, há uma vantagem significativa em simular o projeto final exatamente como ele se apresenta fisicamente, para garantir que esteja otimizado.  A simulação PI-DC fornece uma verificação final de que os conectores e reguladores estão dimensionados adequadamente, caso cargas tenham sido removidas ou adicionadas durante o processo de projeto, por exemplo.

Na ausência de dados confiáveis sobre a queda de tensão nas diversas regiões de alimentação, regiões de terra e vias de uma PCB, o projetista é obrigado a adotar uma abordagem conservadora, utilizando regiões de planos, larguras de trilhas e vias em excesso, o que consome espaço valioso na placa e aumenta o número de camadas e as dimensões do projeto.  O Altium PDN Analyzer fornece informações precisas sobre a adequação da distribuição de energia CC de um projeto, de maneira simples e fácil de usar, permitindo que os projetistas criem projetos de distribuição de energia com a maior eficiência possível.

Os resultados não apenas são adequados para a verificação final do projeto, como também podem ser usados nas etapas de planejamento para estruturar antecipadamente o fornecimento de energia da forma mais eficiente possível.  A análise PI-DC é uma ferramenta inestimável para obter uma rede de fornecimento de energia com a maior eficiência e robustez possíveis, e o PDN Analyzer torna a execução desse processo de simulação e análise simples, intuitiva e eficiente.

Além dessas e de outras vantagens que o PDN Analyzer traz aos seus projetos de PCB, ele também oferece os seguintes benefícios:

• Confiabilidade do produto: ajuda a garantir o desempenho correto de cada fonte de alimentação do projeto, em termos de níveis de tensão em regime permanente, estabilidade da tensão e aquecimento ou danos nas trilhas.
• Layout de PCB aprimorado: fornece informações que podem ser aplicadas para aproveitar o espaço da placa da maneira mais eficaz e permite identificar e corrigir facilmente áreas problemáticas com alta densidade de corrente.
• Conhecimento: elimina a necessidade de recorrer a regras práticas ou cálculos aproximados ao definir o layout dos caminhos de corrente CC.

Simulação com o PDN Analyzer

Em sua forma mais básica, o layout de uma placa a ser submetida à análise PI-DC pode ser composto por uma fonte reguladora de tensão e sua carga, interligadas por áreas de cobre de diversos formatos e trilhas de diferentes larguras.

Exemplo de circuito básico com uma fonte de alimentação e uma carga.

O layout de PCB do circuito básico, com diversas regiões de cobre e trilhas interconectadas por camadas e vias.

A interface do painel PDN Analyzer (Tools » PDN Analyzer) representa visualmente uma rede de circuito entre uma fonte de alimentação e uma carga, incorporando caminhos físicos de alimentação e terra, de forma semelhante ao circuito acima e também ao diagrama de blocos conceitual (Fig. 1). O aplicativo extrai automaticamente todas as informações físicas e elétricas (netlist, dispositivos, geometrias das camadas etc.) do projeto de PCB ativo, fornecendo os dados para o mecanismo de simulação PI-DC.

A interface do painel PDN Analyzer  mostrando uma configuração de simulação de PI para o circuito e o layout de placa básicos.

Aqui, a fonte de tensão é a saída de U1 (5 V entre os pinos 3 e 2), e a carga é uma corrente especificada através de RL (0,1 A). Após a inserção dos parâmetros iniciais pela interface (tensões e correntes da fonte e da carga etc.) e a execução da simulação, os dados de análise resultantes são representados graficamente no editor de PCB como uma imagem renderizada em 2D ou 3D.

Os resultados da simulação de queda de tensão para o cobre das redes PWR e GND da placa (de U1 a RL e de RL a U1).

A simulação de PI do PDN Analyzer pode ser configurada para mostrar os resultados de tensão (queda IR, imagem acima) ou densidade de corrente (imagem abaixo) para todas as camadas aplicáveis da placa.

O mapa de densidade de corrente para as redes PWR e GND (de U1 a RL).

► Consulte o guia de exemplo do PDN Analyzer para obter uma descrição completa de como usar o PDN Analyzer e interpretar seus resultados.