PDN Analyzer (by CST)

O PDN Analyzer powered by CST^® (Computer Simulation Technology) integra-se diretamente com o Altium Designer para permitir a simulação e análise PI-DC do projeto PCB atual. Como o PDN Analyzer funciona dentro do Altium Designer, não existem requisitos de importação/exportação manual de dados, conversões de dados ou aplicações separadas para executar – basta iniciar o PDN Analyzer a partir do editor de esquemáticos ou de PCB, definir os parâmetros de teste pretendidos e executar a simulação. Os resultados são apresentados principalmente através de modelação 2D/3D do layout em cobre da placa de circuito, permitindo uma avaliação rápida dos resultados e a oportunidade de realizar testes exploratórios do tipo «e se» ao desenho do layout da PCB.

A interface do PDN Analyzer mostrada com o exemplo de PCB Spirit Level do Altium Designer, e os resultados de uma simulação PI-DC de Queda de Tensão no retorno da net GND da sua camada Top para a alimentação VCCINT.

Aceder à funcionalidade do PDN Analyzer

Para aceder à funcionalidade do PDN Analyzer no Altium Designer, a PDN Analyzer extensão de software tem de estar instalada. Esta extensão pode ser instalada ou removida manualmente.

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

Para aceder à funcionalidade, também tem de ter uma subscrição válida do PDN Analyzer.

Fundamentos de Power Integrity

Em essência, o problema PI-DC (ou «IR drop») é bastante simples: a resistência presente nas formas da alimentação da placa (trilhas, polígonos, planos, etc.) consome potência e tensão, retirando-as às várias cargas. Como seria de esperar, os problemas de IR aumentam em complexidade com o número de cargas na alimentação, devido à interação nos caminhos de cobre de alimentação e massa.

Figura 1: Um diagrama de blocos básico das formas de alimentação e massa, e das cargas aplicadas.

A Figura 1 (acima) mostra um diagrama de blocos simples da fonte de alimentação de um circuito e das suas formas de alimentação e massa (trilhas e planos) que fornecem energia às várias cargas (memória, microcontroladores, etc.).  Note que todas as cargas estão ligadas às mesmas formas de alimentação e massa, e dependem dessas formas para fornecer a(s) sua(s) tensão(ões) de funcionamento.  Em geral, tendemos a assumir que essas formas de alimentação e massa têm resistência de 0Ω, o que não é necessariamente verdade, e essa suposição pode causar problemas.  Como estão frequentemente envolvidas correntes relativamente elevadas, mesmo pequenas resistências nas formas de alimentação e massa podem causar consumo significativo de potência (perdas) e quedas de tensão.

Figura 2: Efeitos de «IR Drop»

A Figura 2 demonstra um exemplo dos problemas que podem surgir se a resistência das formas de alimentação e massa não for devidamente considerada.  Embora cada forma tenha uma resistência relativamente pequena de apenas 0,25Ω, estas provocaram a descida da tensão na carga de 5V para 4,5V.  O projetista tem de estar consciente desta queda e garantir que a mesma pode ser acomodada, ou alterar o desenho para a reduzir, de modo a assegurar que o desenho final não falhará no terreno.

O problema, no entanto, parece fácil de resolver – basta tornar as formas de alimentação e massa curtas ou suficientemente grandes para representarem uma resistência insignificante, usando a seguinte relação: R = ρ * L/A, onde:

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

Simplificando, se tornar as suas formas de alimentação e massa curtas, espessas e largas, minimizará a sua resistência.

A dificuldade, contudo, é que formas excessivamente grandes consomem espaço valioso de encaminhamento e podem limitar a quantidade de espaço para outras formas de tensão.  Um desenho com formas de alimentação e massa corretamente dimensionadas será mais compacto e usará menos camadas do que um que utilize arbitrariamente planos ou trilhas excessivamente grandes.  O objetivo da análise PI-DC é informar o projetista de que as formas de alimentação e massa do desenho da placa são adequadas, mas não excessivamente grandes.

Outra consideração relativa ao IR drop é o facto de a quantidade de potência consumida ser I2R – assim, um pequeno aumento de corrente através de uma resistência provoca um grande aumento no consumo de potência.  Isto pode manifestar-se sob a forma de problemas térmicos, em que o desenho aquece significativamente porque as formas de alimentação e/ou massa não são suficientemente grandes para acomodar a corrente que passa por elas.  Ao garantir um IR drop muito reduzido nas formas de alimentação e massa, o consumo de potência nessas formas é minimizado.

No extremo, se uma forma for suficientemente resistiva (muito estreita e longa) e tiver corrente suficiente a atravessá-la, essa forma torna-se essencialmente um «fusível», derretendo assim a forma de cobre e provocando a falha do desenho – e possivelmente apresentando uma situação perigosa.  A norma IPC-2152 para capacidade de condução de corrente em PCB aborda esta questão, mas com pressupostos pessimistas (por exemplo, sem cobre termicamente condutor nas proximidades para ajudar a dissipar o calor) e os projetistas aplicam frequentemente essa especificação usando os pressupostos mais conservadores, como permitir apenas um aumento mínimo de temperatura.  Embora a PI-DC não possa substituir a norma IPC-2152 como orientação para considerações térmicas, pode fornecer informações valiosas sobre como um desenho pode ser otimizado com segurança através do estudo das quedas de tensão e das densidades de corrente do sistema de distribuição de energia.  Um desenho otimizado para a menor densidade de corrente e queda de tensão entre as fontes e todas as cargas também gerará menos calor e terá menor probabilidade de problemas térmicos.

Outro aspeto abordado pela análise PI-DC é o número de vias utilizadas para distribuição de energia.  O problema é bastante semelhante ao do correto dimensionamento das formas de cobre: se não existirem vias suficientes, perde-se tensão e desperdiça-se potência devido ao IR drop, mas se forem usadas vias em excesso, desperdiça-se área valiosa de encaminhamento.  Em particular, se forem usadas demasiadas vias para um determinado caminho de tensão, essas vias atravessam formas noutras camadas e reduzem a respetiva secção transversal de cobre, causando assim problemas para essas outras tensões.  Da mesma forma que no dimensionamento correto das formas, a análise da tensão nos pontos de carga permite dimensionar e/ou quantificar adequadamente as vias.

Por fim, existe uma vantagem significativa em simular exatamente o desenho final tal como aparece fisicamente, para garantir que está otimizado.  A simulação PI-DC fornece uma verificação final de que conectores e reguladores estão devidamente dimensionados, caso tenham sido removidas ou adicionadas cargas durante o processo de desenho, por exemplo.

Na ausência de dados fiáveis sobre a queda de tensão através das várias formas de alimentação, formas de massa e vias de uma PCB, o projetista é forçado a ser conservador, usando planos excessivos, dimensões de trilhas maiores e mais vias, o que consome área valiosa de desenho e aumenta o número de camadas e o formato do desenho.  O Altium PDN Analyzer fornece informação precisa sobre a adequação da distribuição de potência DC de um desenho de forma simples e direta, permitindo aos projetistas criar os desenhos de distribuição de potência mais eficientes possíveis.

Os resultados não só são adequados para a verificação final do desenho, como também podem ser usados nas fases de planeamento de um desenho para arquitetar antecipadamente a distribuição de potência da forma mais eficiente possível.  A PI-DC é uma ferramenta inestimável para alcançar a rede de distribuição de potência mais eficiente e robusta possível; o PDN Analyzer torna o processo de execução dessa simulação e análise simples, intuitivo e eficiente.

Entre estas e outras vantagens que o PDN Analyzer traz aos seus desenhos de PCB, também oferece os seguintes benefícios:

• Fiabilidade do produto: Ajuda a garantir o desempenho correto das alimentações individuais no desenho, em termos de níveis de tensão em regime permanente, estabilidade da tensão e aquecimento/danos nas trilhas.
• Melhoria do layout da PCB: Fornece informação que pode ser aplicada na criação do uso mais eficaz do espaço da placa, e permite a identificação e correção fáceis de áreas problemáticas com elevada densidade de corrente.
• Conhecimento: Deixe de depender de regras práticas ou cálculos aproximados ao considerar o layout de caminhos de corrente DC.

Simulação do PDN Analyzer

Na sua forma mais básica, um layout de placa sujeito a análise PI-DC pode ser composto por uma fonte Regulador de Tensão e a respetiva carga, com áreas de cobre interligadas de várias formas e larguras de trilha.

Um exemplo de circuito base de uma fonte de alimentação e carga.

O layout PCB do circuito base, com um conjunto de formas de cobre e trilhas ligadas por camadas e vias.

A interface do painel PDN Analyzer (Tools » PDN Analyzer) emula visualmente uma net de circuito de Fonte de Alimentação para Carga que incorpora caminhos reais de Alimentação e Massa – muito semelhante ao mostrado no circuito acima e também no diagrama de blocos conceptual (Fig. 1). A aplicação extrai automaticamente toda a informação física e elétrica (netlist, dispositivos e formas de camada, etc.) do desenho PCB atualmente ativo, fornecendo assim os dados para o motor de simulação PI-DC.

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

Aqui, a fonte de tensão é a saída de U1 (5V entre os pinos 3 e 2), e a carga é uma corrente especificada através de RL (0,1A). Depois de os parâmetros iniciais terem sido introduzidos através da interface (tensões/correntes de fonte/carga, etc.) e de a simulação ter sido executada, os dados de análise resultantes são modelados 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 nets PWR e GND da placa (U1 para RL, e RL para U1).

A simulação PI do PDN Analyzer pode ser configurada para apresentar os resultados de Tensão (queda de IR, imagem acima) ou de Densidade de Corrente (imagem abaixo) para todas as camadas aplicáveis da placa.

O mapa de Densidade de Corrente para ambas as nets PWR e GND (de U1 a RL).

► Consulte o guia de exemplo do PDN Analyzer para uma descrição completa da utilização do PDN Analyzer e da interpretação dos seus resultados.