Power Analyzer by Keysight

Практическая эффективность топологии (layout) печатной платы зависит от множества факторов, многие из которых можно с достаточной точностью предсказать с помощью различных инструментов анализа PCB, например посттопологического анализа целостности сигнала. Однако часто упускают из виду — или просто сводят к подходу «по эмпирическому правилу» — разработку наиболее эффективной топологии для систем распределения питания постоянного тока на плате. Речь о том, как проектируются медные области платы, которые обеспечивают как шины питания DC для схемы, так и их «землю»/общий обратный путь к источнику питания. Желаемый результат — эффективная конструкция, сохраняющая целостность DC-разводки питания в проекте.

В современных цифровых устройствах с высокоскоростными цепями, множеством микросхем, высокой плотностью монтажа и несколькими шинами питания требования к сети распределения питания постоянного тока (DC power distribution network) требуют более аналитического подхода. DC-анализ сети питания Power Delivery Network (PDN), или результаты анализа DC Power Integrity (PI-DC), по сути направлены на то, чтобы убедиться: на пути от источников напряжения к нагрузкам предусмотрено достаточное количество меди — другими словами, что полигоны/плоскости, дорожки и переходные отверстия на плате имеют достаточные размеры (и характеристики), чтобы удовлетворить требованиям по потреблению мощности устройств на плате.

К счастью, от «угадывания» при оценке сети питания PCB можно уйти, используя инструмент моделирования DC Power Integrity (PI-DC), который анализирует DC-поведение платы на основе её электрических и физических свойств и помогает инженеру ответить на ключевые вопросы проектирования, включая:

• Выявить и устранить проблемы с DC-напряжением и плотностью тока.

• Рассчитать взаимодействия между несколькими сетями и обратными путями.

• Визуализировать распределение напряжения и плотности тока и выявить «горячие точки» в редакторе PCB.

• Проверить напряжение, плотность тока и ток через переходные отверстия в любой точке платы.

• Сформировать отчёт по результатам моделирования анализа.

Чтобы выполнять анализ DC Power Integrity прямо в среде проектирования PCB Altium Designer, основным решением является Power Analyzer by Keysight.

Power Analyzer by Keysight, работающий на базе Keysight Technologies, интегрируется напрямую с Altium Designer и позволяет выполнять PI-DC моделирование и анализ текущего PCB-проекта. Вместо того чтобы полагаться на простые расчёты по площади поперечного сечения для определения токонесущей способности сети питания, Power Analyzer сначала точно моделирует медные структуры, а затем рассчитывает напряжения и токи распределения питания по всей PCB. Представляя результаты в визуальном и табличном виде, инструмент даёт инженеру обратную связь, позволяя быстро скорректировать ширины дорожек, толщины меди и параметры переходных отверстий так, чтобы обеспечить требуемую для проекта целостность DC-питания.

Чтобы выполнить анализ Power Integrity в Altium, инженер сначала создаёт иерархическую сеть всей системы распределения питания, определяя каждую сеть питания и возврата, источники и нагрузки, а также любые последовательные элементы, присутствующие в каждом участке сети питания. После определения сети и настроек конфигурации Power Analyzer может проанализировать всю сеть целиком.

Настройка сети питания

Power Analyzer исследует поток энергии по медным проводящим путям в сети питания. Сеть питания определяется путём идентификации и настройки различных элементов сети, включая сеть (net), источник (source), любые последовательные компоненты и нагрузки (loads). Чтобы настроить сеть питания:

❯ ❮ Javascript

Добавьте документ Analysis в проект Анализ настраивается и запускается из документа Power Analyzer by Keysight (<ProjectName>.pdnaK). Настройте свойства платы Power Analyzer необходимо знать физические свойства платы, такие как допустимая плотность тока, тип меди, рабочая температура и т. п. Убедитесь, что значения по умолчанию, заданные в разделе Configuration документа analyzer , подходят для вашего проекта. Автоматическая идентификация сетей питания Power Analyzer может попытаться определить сети питания автоматически. Для этого ему нужно знать, как распознавать элементы схемы, такие как стабилизаторы напряжения, разъёмы и последовательные компоненты. Помимо использования подсказок вроде префиксов обозначений компонентов, вы также можете добавлять параметры к некоторым компонентам, чтобы улучшить процесс автоматического обнаружения. Подробнее: Configuring the Auto-Define Settings. Выберите сеть(и) питания Нажмите  для автоматического определения сетей питания или нажмите  для ручного выбора сети(ей) питания. Подробнее: defining the Power Nets. Расширьте сеть(и) Если сеть питания проходит через последовательный компонент, например предохранитель, расширьте сеть и укажите последовательные компоненты и связанные (chained) сети. Подробнее: extending a net. Определите и настройте источник Каждая сеть питания начинается от источника (Source), например разъёма. Включите источник в диалоге Add Source, затем нажмите значок шестерёнки, чтобы настроить этот источник. Подробнее: identifying and configuring the Source. Определите нагрузки Начните с основных потребителей тока, включая модули стабилизаторов напряжения Voltage Regulator Modules (VRMs). Подробнее: identifying the Loads. Настройте нагрузки и VRM Нажмите значок шестерёнки, чтобы открыть диалог Load Properties, и настройте каждую нагрузку. Когда устройство настроено как Voltage Regulator Module (VRM), в иерархии автоматически создаётся дочерняя сеть питания, где этот VRM выступает источником. Определите нагрузки в дочерних сетях питания Убедитесь, что основные компоненты-нагрузки включены в каждую сеть питания. Подтвердите сеть питания Нажмите кнопку , чтобы подтвердить, что сеть питания готова к тестированию. Готово к анализу Проверьте дерево (Tree), чтобы визуально убедиться, что каждая сеть питания завершена. Чтобы перейти от одной сети питания к другой, нажмите ссылку Power Analyzer by Keysight, чтобы вернуться к документу сети питания, и выберите Tree для каждой сети питания. Когда это сделано, можно анализировать сеть питания.

Анализ сети питания

После определения Power Networks вы готовы анализировать распределение DC-питания по плате и через её слои.

❯ ❮ Javascript

Проанализируйте медные структуры На основе настроек Configuration, когда вы нажимаете кнопку  , выполняется анализ и моделирование медных структур, присутствующих на плате, чтобы определить токи и падения напряжения. Показать на PCB Сводка результатов анализа Voltage Drop, Current Density и Max Via Current отображается как часть Power Net Definition в документе *.pdnaK (выделено выше светло-голубым). Нажмите , чтобы изучить тепловые карты (heatmaps) плотности тока и падения напряжения. Цветной вид heatmap откроется в редакторе PCB, а также откроется панель Power Analyzer by Keysight, где можно настроить Heatmap, изучить любые Violations и разместить измерительные Probes. Подробнее: Running an Analysis. Изучите тепловые карты Рассчитанные токи и падения напряжения отображаются в виде тепловых карт (Heatmaps) прямо в редакторе PCB. Используйте вкладки слоёв редактора PCB, чтобы просмотреть heatmap на каждом слое, переключайтесь между режимами 2D и 3D стандартными сочетаниями 2 и 3 и нажмите кнопку Show Heatmap на панели Power Analyzer by Keysight, чтобы переключаться между тепловыми картами анализа питания и стандартными режимами отображения PCB. Изучите результаты анализа В редакторе PCB результат анализа сети питания, который вы просматриваете, управляется через панель Power Analyzer by Keysight. В верхней части панели выберите сеть питания/нет, heatmap которого нужно отобразить. Обратите внимание: если в проекте есть нарушения (violations), по умолчанию в выпадающем списке включён пункт Only nets with violations; снимите этот флажок, чтобы включить в список все сети питания. Подробнее о панели Power Analyzer by Keysight Panel. Переключение между плотностью тока и падением напряжения Тепловая карта (Heatmap) отображает либо Current Density через медь, либо Voltage Drop по меди; используйте кнопки в верхней части вкладки Heatmap панели, чтобы выбрать нужный режим. Шкала для Heatmap отображается под платой и автоматически масштабируется: для тока — от Zero до Max Current Density, либо для падения напряжения — от (Voltage - VDrop) до Voltage. На Heatmap можно отображать направленные стрелки, показывающие направление протекания тока, а также настраивать шкалу плотности тока или падения напряжения. Подробнее см. настройка и управление отображением Heatmap. Исследование падения напряжения Расположение «горячих точек» плотности тока можно напрямую определить по их цвету на тепловой карте. Поскольку падение напряжения вычисляется как разность между точками, его интерпретация требует более глубокого анализа. Чтобы упростить поиск критических мест, используйте параметр Enable Visual Slider for Voltage Contour для отображения предопределённых контурных линий — либо в вольтах, либо в процентах. Подробнее см. Heatmap для падения напряжения. Зондирование результатов Чтобы снять измерение непосредственно с Heatmap, установите Probe (зонд). Установите один Probe, чтобы отобразить абсолютное значение тока или напряжения в этой точке, либо щёлкните во второй точке, чтобы измерить разницу между двумя точками Probe. Тип измерения (V или I) определяется текущим режимом Heatmap (плотность тока или падение напряжения). Обратите внимание: зондирование центральной точки металлизированного отверстия (thru-hole) всегда будет отображать плотность тока. Подробнее см. Probes. Просмотр результатов для цепи земли (Ground Net) По умолчанию цепь земли (Ground) исключена из результатов Heatmap. Снимите флажок Skip Ground в разделе Configuration документа *.pdnaK, чтобы включить её, затем выберите сеть GND в выпадающем списке Network / Net в верхней части панели Power Analysis by Keysight. Обратите внимание: Heatmap поддерживает полигональные структуры на сигнальных слоях, но поведение слоя сплошной силовой плоскости (power plane) смоделировать нельзя. Подробнее см. параметры конфигурации.

Интерпретация результатов и формирование отчёта

Power Analyzer предоставляет подробную обратную связь прямо в редакторе PCB. На панели Power Analyzer by Keysight можно быстро исследовать нарушения, расставлять измерительные зонды и сохранять тепловые карты в виде изображений. Чтобы получить подробную информацию о DC-анализе питания вашей платы, можно сформировать отчёт. Подробный отчёт открывается внутри документа pdnaK, и оттуда можно сохранить выбранные разделы в HTML-файл отчёта. Отчёт может быть сформирован как для отдельной силовой сети, так и для всей сети питания.

❯ ❮ Javascript

Работа с интерактивными графическими результатами Работая с интерактивной панелью Power Analyzer by Keysight, вы можете быстро находить и анализировать нарушения. Формирование отчёта Чтобы сформировать подробный отчёт, нажмите кнопку в документе Power Analyzer by Keysight (<ProjectName>.pdnaK). Либо отчёт по любой отдельной сети можно сформировать, нажав соответствующую кнопку  . Подробный отчёт по сети — параметры Полный отчёт (Full Report) перечисляет все силовые сети, которые были проанализированы; щёлкните по имени сети (Net Name), чтобы открыть подробный отчёт по этой сети. В левой части отчёта по сети перечислено: Имя силовой сети (и всех подсетей, если она была расширена — Extended), а также общий статус Pass / Fail .  Вычисленные параметры: Vdrop, Idensity и Ivia_max. Если какой-либо из вычисленных параметров показывает предупреждение (оранжевая линия) или ошибку (красная линия), ниже параметров будут отображены рекомендации по устранению этих предупреждений/ошибок. Подробный отчёт по сети — результаты В правой части отчёта есть сворачиваемые разделы для: Global Settings - физических свойств платы, таких как допустимая плотность тока, тип меди, рабочая температура и т. п. Они настраиваются в документе pdnaK. Design Stackup - структуры физических слоёв, из которых состоит плата, заданной в PCB Layer Stack Manager. Heatmap for Current Density - отображает распределение тока в этой сети по меди для каждого слоя платы. Плотность тока представлена цветом: чем выше плотность тока, тем «горячее» цвет.  Heatmap for Voltage Drop - отображает диапазон напряжений, присутствующих в этой сети, для каждого медного слоя платы. Чем выше напряжение, тем «горячее» цвет (или, чем больше падение напряжения, тем «холоднее» цвет). System-Level Power Network Results - дерево всех устройств, настроенных во всех силовых сетях, с подсветкой устройств в выбранной силовой сети. Network Details - подробный отчёт о результатах анализа этой сети; подробнее об этом — на следующем слайде. Подробный отчёт по сети — детали сети Используйте раздел Network Details , чтобы быстро выявлять потенциальные проблемы в проекте. В этом разделе перечислено: Power Net Members - графическое представление Sources и Loads в выбранной силовой сети, как задано в документе pdnaK.  Power Consumption - мощность, потребляемая выбранной сетью питания. Least Margins - запас (margin) — это разница между допустимым током и вычисленным током, показывающая, какой дополнительный запас по токонесущей способности ещё доступен. Параметр Least Margin указывает место с наименьшим запасом (или наибольшим «провалом» при отрицательном результате). Используйте результат Least Margin, чтобы быстро определить наихудшие результаты для Non-Via Current Density и Via Current, выраженные как Absolute value (Allowed Current - Calculated Current), а также как Percentage ((Allowed - Calculated) / Allowed * 100).  Нулевое или отрицательное значение указывает на Fail. List of Violations - количество нарушений каждого типа, присутствующих на плате. Failed Via Summary - список переходных отверстий (via) и контактных площадок выводных компонентов (thru-hole), для которых результаты по току или плотности тока дают запас (Margin) равный нулю или меньше. Результаты можно сортировать, щёлкая по заголовку столбца; щёлкните второй раз, чтобы отсортировать в обратном направлении; удерживайте Shift при щелчке, чтобы выполнять дополнительную сортировку по другим столбцам. Сохранение отчёта Чтобы создать HTML-отчёт по анализам, нажмите кнопку . В диалоговом окне Save Report Settings настройте нужные Networks и Data , которые вы хотите включить, затем нажмите кнопку , чтобы сохранить отчёт как набор HTML-файлов. Отчёт создаётся в папке с отметкой даты и времени внутри папки проекта, \PowerAnalyzerByKeysight_Output\HTMLReport\<ProjectName> [PDNA]_<Date>_<Time>. Найдите и откройте файл Report.html, чтобы просмотреть отчёт в браузере по умолчанию.   Включение результатов Probe и сохранённых изображений Изображения, сохранённые с помощью кнопки на панели Power Analyzer by Keysight, автоматически добавляются в конец раздела Network Details HTML-отчёта, вместе с любыми изображениями результатов Probe, сохранёнными с помощью кнопки .

Плейлист — как работать с Power Analyzer by Keysight

Чтобы научиться работать с новым ПО для проектирования, требуется время. Если вам удобнее учиться по видео, посмотрите этот плейлист, в котором демонстрируются некоторые ключевые возможности: How to Work with Power Analyzer by Keysight.