Power Analyzer от Keysight

Практические характеристики топологии печатной платы зависят от множества факторов, многие из которых можно с достаточной точностью прогнозировать с помощью различных средств анализа печатных плат, например анализа целостности сигналов после трассировки. Однако разработке наиболее эффективной топологии системы питания постоянного тока часто не уделяют должного внимания или просто полагаются на эмпирические правила. Речь идет о выборе конфигурации медных областей платы, которые образуют как шины питания схемы постоянным током, так и цепи земли или общего возврата к источнику питания. Цель — получить эффективную топологию, обеспечивающую целостность питания постоянного тока.

Современные цифровые устройства содержат высокоскоростные схемы, множество компонентов, плотно расположенных на плате, и несколько шин питания. Требования к сети распределения питания постоянного тока в таких устройствах предполагают более аналитический подход к ее проектированию. Анализ сети распределения питания (PDN) по постоянному току, или анализ целостности питания по постоянному току (PI-DC), в первую очередь направлен на проверку того, достаточно ли меди предусмотрено на пути от источников напряжения к нагрузкам. Иными словами, размеры и характеристики полигонов, дорожек и переходных отверстий на плате должны соответствовать требованиям компонентов к потребляемой мощности.

К счастью, при оценке сети распределения питания печатной платы можно обойтись без догадок, используя средство моделирования целостности питания по постоянному току (PI-DC). Оно анализирует характеристики питания платы на основе ее электрических и физических свойств и помогает инженеру решать важнейшие задачи проектирования, в том числе:

• Выявлять и устранять проблемы с напряжением постоянного тока и плотностью тока.

• Рассчитывать взаимодействие нескольких сетей питания и путей возвратного тока.

• Визуализировать распределение напряжения и плотности тока и выявлять проблемные участки в редакторе печатных плат.

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

• Формировать отчет о результатах моделирования и анализа.

Для выполнения анализа целостности питания по постоянному току непосредственно в среде проектирования печатных плат Altium Designer используйте Power Analyzer by Keysight.

Power Analyzer by Keysight, работающий на базе технологий Keysight Technologies, напрямую интегрируется с Altium Designer и позволяет выполнять моделирование и анализ PI-DC для текущего проекта печатной платы. Вместо простых расчетов площади поперечного сечения для определения допустимого тока сети питания Power Analyzer сначала точно моделирует медные структуры, а затем рассчитывает напряжения и токи системы питания по всей плате. Результаты представляются как в графическом, так и в табличном виде. На их основе инженер может быстро скорректировать ширину дорожек, толщину меди и параметры переходных отверстий, чтобы обеспечить требуемую для проекта целостность питания постоянного тока.

Для выполнения анализа целостности питания в Altium инженер сначала создает иерархическую сеть всей системы питания, определяя каждую цепь питания и возвратного тока, источники и нагрузки, а также все последовательные элементы в каждом участке сети питания. После определения сети и параметров конфигурации Power Analyzer может проанализировать всю сеть.

Настройка сети питания

Power Analyzer исследует поток энергии по медным проводящим путям сети питания. Сеть питания задается путем определения и настройки ее элементов, включая цепь, источник, последовательные компоненты и нагрузки. Чтобы настроить сеть питания:

❯ ❮ Javascript

Добавьте документ анализа в проект Настройка и запуск анализа выполняются из документа Power Analyzer by Keysight (<ProjectName>.pdnaK). Настройте свойства платы Для работы Power Analyzer необходимы физические параметры платы, такие как допустимая плотность тока, тип меди, рабочая температура и т. д. Убедитесь, что значения по умолчанию, заданные в разделе Configuration документа анализатора, подходят для вашего проекта. Автоматическое определение цепей питания Power Analyzer может попытаться автоматически определить цепи питания. Для этого ему необходимы правила распознавания таких элементов схемы, как стабилизаторы напряжения, разъемы и последовательные компоненты. Помимо использования таких признаков, как префиксы позиционных обозначений компонентов, можно добавлять параметры к определенным компонентам, чтобы улучшить автоматическое обнаружение. Подробнее см. в разделе Настройка параметров автоматического определения. Выберите цепи питания Нажмите  для автоматического определения цепей питания или  для выбора цепей питания вручную. Подробнее см. в разделе Определение цепей питания. Расширьте цепи Если цепь питания проходит через последовательный компонент, например предохранитель, расширьте цепь и укажите последовательные компоненты и соединенные через них цепи. Подробнее см. в разделе Расширение цепи. Определите и настройте источник Каждая цепь питания начинается с источника, например разъема. Активируйте источник в диалоговом окне Add Source, затем нажмите значок шестеренки, чтобы настроить этот источник. Подробнее см. в разделе Определение и настройка источника. Определите нагрузки Начните с основных потребителей тока, включая модули стабилизаторов напряжения (VRM). Подробнее см. в разделе Определение нагрузок. Настройте нагрузки и модули VRM Нажмите значок шестеренки, чтобы открыть диалоговое окно Load Properties, и настройте каждую нагрузку. Если устройство настроено как модуль стабилизатора напряжения (VRM), в иерархии автоматически создается дочерняя сеть питания, в которой этот VRM выступает источником. Определите нагрузки в дочерних цепях питания Убедитесь, что в каждую цепь питания включены основные компоненты нагрузки. Подтвердите сеть питания Нажмите кнопку , чтобы подтвердить готовность сети питания к проверке. Все готово к анализу Проверьте дерево, чтобы визуально убедиться в полноте каждой сети питания. Чтобы перейти от одной цепи питания к другой, нажмите ссылку Power Analyzer by Keysight для возврата к документу цепи питания и выберите дерево для каждой цепи питания. После этого можно приступать к анализу сети питания.

Анализ сети питания

После определения сетей питания можно приступать к анализу распределения питания постоянного тока по плате и между ее слоями.

❯ ❮ Javascript

Анализ медных структур При нажатии кнопки  выполняются анализ и моделирование медных структур платы с учетом заданных настроек конфигурации для определения распределения токов и падений напряжения. Отображение на плате Сводные результаты анализа Voltage Drop, Current Density и Max Via Current отображаются в разделе Определение цепей питания документа *.pdnaK (выделен выше голубым цветом). Нажмите , чтобы просмотреть тепловые карты плотности тока и падения напряжения. Цветная тепловая карта откроется в редакторе печатных плат вместе с панелью Power Analyzer by Keysight, где можно настроить Heatmap, изучить Violations и разместить измерительные Probes. Подробнее см. в разделе Выполнение анализа. Изучение тепловых карт Рассчитанное распределение токов и падений напряжения отображается в виде тепловых карт непосредственно в редакторе печатных плат. Используйте вкладки слоев редактора для просмотра тепловой карты каждого слоя, переключайтесь между режимами 2D и 3D стандартными клавишами 2 и 3, а для переключения между тепловыми картами анализа питания и стандартными режимами отображения платы нажимайте кнопку Show Heatmap на панели Power Analyzer by Keysight. Изучение результатов анализа Выбор результатов анализа сети питания для просмотра в редакторе печатных плат осуществляется на панели Power Analyzer by Keysight. В верхней части панели выберите сеть или цепь питания, тепловую карту которой нужно отобразить. Обратите внимание: если в проекте есть нарушения, по умолчанию в раскрывающемся списке включен параметр Only nets with violations. Отключите его, чтобы в списке отображались все цепи питания. Подробнее см. в разделе Панель Power Analyzer by Keysight. Переключение между плотностью тока и падением напряжения Тепловая карта отображает либо Current Density в меди, либо Voltage Drop на ней. Для выбора нужного режима используйте кнопки в верхней части вкладки Heatmap панели. Под платой отображается шкала тепловой карты, диапазон которой автоматически устанавливается для тока от Zero до Max Current Density, а для падения напряжения — от (Voltage - VDrop) до Voltage. На тепловой карте можно отобразить стрелки направления тока, а также настроить шкалу плотности тока или падения напряжения. Подробнее см. в разделе Настройка и управление отображением тепловой карты. Изучение падения напряжения Участки с высокой плотностью тока легко определить по цвету на тепловой карте. Поскольку падение напряжения рассчитывается как разность значений в разных точках, его интерпретация требует более глубокого анализа. Чтобы упростить поиск критических участков, используйте параметр Enable Visual Slider for Voltage Contour для отображения заданных изолиний со значениями напряжения или процентов. Подробнее см. в разделе Тепловая карта падения напряжения. Измерение результатов с помощью пробников Чтобы выполнить измерение непосредственно на тепловой карте, разместите пробник. Один пробник показывает абсолютное значение тока или напряжения в выбранной точке; щелкните во второй точке, чтобы измерить разность значений между двумя точками установки пробников. Тип измерения (V или I) определяется текущим режимом тепловой карты — плотность тока или падение напряжения. Обратите внимание: при установке пробника в центре сквозного отверстия всегда отображается плотность тока. Подробнее см. в разделе Пробники. Просмотр результатов для цепи земли По умолчанию цепь земли исключена из результатов, отображаемых на тепловой карте. Чтобы включить ее, снимите флажок Skip Ground в разделе Configuration документа *.pdnaK, затем выберите цепь GND в раскрывающемся списке Network / Net в верхней части панели Power Analysis by Keysight. Обратите внимание: тепловая карта поддерживает полигональные структуры на сигнальных слоях, но моделирование поведения слоя плоскости питания не поддерживается. Подробнее см. в разделе Параметры конфигурации.

Интерпретация результатов и формирование отчетов

Power Analyzer предоставляет подробные результаты непосредственно в редакторе печатных плат. Панель Power Analyzer by Keysight позволяет быстро исследовать нарушения, размещать измерительные пробники и сохранять тепловые карты в виде изображений. Для получения подробной информации об анализе питания постоянного тока на плате можно сформировать отчет. Подробный отчет открывается в документе pdnaK, откуда выбранные разделы можно сохранить в файл отчета HTML. Отчет можно сформировать как для отдельной цепи питания, так и для всей сети питания.

❯ ❮ Javascript

Работа с интерактивными графическими результатами Интерактивная панель Power Analyzer by Keysight позволяет быстро выявлять и исследовать нарушения. Формирование отчета Чтобы сформировать подробный отчет, нажмите кнопку в документе Power Analyzer by Keysight (<ProjectName>.pdnaK). Также можно сформировать отчет для отдельной цепи, нажав соответствующую кнопку . Подробный отчет по цепи — параметры Полный отчет содержит список всех проанализированных цепей питания. Щелкните имя цепи, чтобы открыть подробный отчет по ней. В левой части отчета по цепи приводятся: Имя цепи питания (и всех подцепей, если она была расширена), а также общий статус Pass / Fail.  Рассчитанные параметры: Vdrop, Idensity и Ivia_max. Если для какого-либо из рассчитанных параметров отображается предупреждение (оранжевая линия) или ошибка (красная линия), под параметрами выводятся рекомендации по их устранению. Подробный отчет по цепи — результаты В правой части отчета находятся сворачиваемые разделы: Global Settings — физические характеристики платы, такие как допустимая плотность тока, тип меди, рабочая температура и т. д. Они задаются в документе pdnaK. Design Stackup — структура физических слоев платы, заданная в Диспетчере стека слоев редактора печатных плат. Heatmap for Current Density — отображает распределение тока этой цепи в меди каждого слоя платы. Плотность тока представлена цветом: чем выше плотность тока, тем теплее цвет.  Heatmap for Voltage Drop — отображает диапазон напряжений в этой цепи для каждого медного слоя платы. Чем выше напряжение, тем теплее цвет (или, соответственно, чем больше падение напряжения, тем холоднее цвет). System-Level Power Network Results — дерево всех устройств, настроенных во всех цепях питания, с выделением устройств выбранной цепи питания. Network Details — подробный отчет о результатах анализа этой цепи; подробнее об этом — на следующем слайде. Подробный отчет по цепи — сведения о сети Используйте раздел Network Details, чтобы быстро выявить потенциальные проблемы в проекте. В этом разделе представлены: Power Net Members — графическое представление Sources и Loads в выбранной цепи питания согласно документу pdnaK.  Power Consumption — мощность, потребляемая выбранной сетью питания. Least Margins — запас, то есть разница между допустимым и рассчитанным током, которая показывает, насколько еще можно увеличить токовую нагрузку. Показатель наименьшего запаса указывает место с минимальным запасом (или с наибольшим превышением допустимого значения при отрицательном результате). Используйте этот показатель, 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 на плате. Failed Via Summary — список контактных площадок переходных отверстий и выводных компонентов, для которых запас по току или плотности тока равен нулю или имеет отрицательное значение. Результаты можно сортировать, щелкнув заголовок столбца; повторный щелчок меняет порядок сортировки на обратный. Удерживайте Shift при щелчке, чтобы добавить сортировку по дополнительным столбцам. Сохранение отчета Чтобы создать HTML-отчет по результатам анализа, нажмите кнопку . В диалоговом окне Save Report Settings настройте необходимые Networks и Data питания, которые следует включить в отчет, затем нажмите кнопку , чтобы сохранить отчет в виде набора HTML-файлов. Отчет создается в папке, имя которой содержит дату и время, внутри папки проекта: \PowerAnalyzerByKeysight_Output\HTMLReport\<ProjectName> [PDNA]_<Date>_<Time>. Найдите и откройте файл Report.html, чтобы просмотреть отчет в браузере по умолчанию.   Включение результатов измерений пробниками и снимков экрана Снимки, созданные с помощью кнопки на панели Power Analyzer by Keysight, автоматически добавляются в конец раздела Network Details HTML-отчета вместе со всеми изображениями результатов Probe, сохраненными с помощью кнопки .

Плейлист — работа с Power Analyzer by Keysight

Освоение нового программного обеспечения для проектирования требует времени. Если вам проще учиться по видео, посмотрите этот плейлист, демонстрирующий некоторые ключевые возможности.  Работа с Power Analyzer by Keysight.