PDN Analyzer (by CST)

PDN Analyzer powered by CST^® (Computer Simulation Technology) tích hợp trực tiếp với Altium Designer để cho phép mô phỏng và phân tích PI-DC cho dự án PCB hiện tại. Vì PDN Analyzer hoạt động ngay trong Altium Designer nên không cần nhập/xuất dữ liệu thủ công, chuyển đổi dữ liệu hay chạy các ứng dụng riêng biệt – chỉ cần khởi động PDN Analyzer từ trình biên tập sơ đồ nguyên lý hoặc PCB, thiết lập các thông số kiểm tra mong muốn và chạy mô phỏng. Kết quả chủ yếu được thể hiện qua mô hình 2D/3D của bố trí đồng trên bo mạch, cho phép đánh giá nhanh kết quả và thực hiện các phép thử thăm dò theo tình huống giả định trên thiết kế bố trí PCB.

Giao diện PDN Analyzer hiển thị với PCB ví dụ Spirit Level của Altium Designer và kết quả mô phỏng sụt áp PI-DC trên đường hồi dòng thuộc net GND ở lớp trên cùng cho nguồn VCCINT.

Truy cập chức năng PDN Analyzer

Để truy cập chức năng PDN Analyzer trong Altium Designer, bạn phải cài đặt PDN Analyzer tiện ích mở rộng phần mềm. Bạn có thể cài đặt hoặc gỡ bỏ tiện ích mở rộng này theo cách thủ công.

Để biết thêm thông tin về cách quản lý các tiện ích mở rộng, hãy tham khảo trang Extending Your Installation (Altium Designer Develop, Altium Designer Agile, Altium Designer).

Để truy cập chức năng này, bạn cũng cần có gói đăng ký PDN Analyzer còn hiệu lực.

Kiến thức cơ bản về tính toàn vẹn nguồn

Về bản chất, bài toán PI-DC (hay “sụt áp IR”) khá đơn giản: điện trở của các vùng dẫn cấp nguồn trên bo mạch (đường mạch, vùng đa giác, mặt phẳng đồng, v.v.) gây tiêu hao công suất và sụt áp, làm giảm công suất và điện áp cung cấp cho các tải. Như bạn có thể dự đoán, các vấn đề IR sẽ trở nên phức tạp hơn khi số lượng tải trên nguồn tăng lên, do sự tương tác trong các đường dẫn đồng nguồn và đất.

Hình 1: Sơ đồ khối cơ bản của các vùng dẫn nguồn và đất cùng các tải được kết nối.

Hình 1 (ở trên) minh họa sơ đồ khối đơn giản của nguồn điện trong mạch và các vùng dẫn nguồn, đất (đường mạch và mặt phẳng đồng) cấp điện cho các tải khác nhau (bộ nhớ, vi điều khiển, v.v.).  Lưu ý rằng tất cả các tải đều kết nối với cùng các vùng dẫn nguồn và đất, đồng thời phụ thuộc vào các vùng dẫn này để có được điện áp hoạt động.  Nhìn chung, chúng ta thường giả định rằng các vùng dẫn nguồn và đất này có điện trở 0Ω, nhưng điều đó không hẳn đúng và giả định này có thể gây ra vấn đề.  Vì dòng điện thường tương đối lớn, ngay cả điện trở nhỏ trong các vùng dẫn nguồn và đất cũng có thể gây tiêu hao (tổn thất) công suất và sụt áp đáng kể.

Hình 2: Tác động của hiện tượng “sụt áp IR”

Hình 2 minh họa một ví dụ về các vấn đề có thể phát sinh nếu điện trở của các vùng dẫn nguồn và đất không được xem xét đúng mức.  Mặc dù mỗi vùng dẫn chỉ có điện trở tương đối nhỏ là 0,25Ω, chúng đã khiến điện áp tại tải giảm từ 5V xuống 4,5V.  Người thiết kế phải nhận biết mức sụt áp này và bảo đảm mạch có thể chấp nhận được, hoặc thay đổi thiết kế để giảm sụt áp, nhằm bảo đảm thiết kế cuối cùng không bị lỗi khi vận hành thực tế.

Tuy nhiên, vấn đề này có vẻ dễ giải quyết – chỉ cần làm cho các vùng dẫn nguồn và đất đủ ngắn hoặc đủ lớn để điện trở của chúng không đáng kể, theo mối quan hệ sau: R = ρ * L/A, trong đó:

• R là tổng điện trở của một vùng dẫn (đường mạch hoặc mặt phẳng đồng)
• ρ là điện trở suất của vật liệu dùng cho vùng dẫn (thường là đồng, ρ ≈ 1.7µΩ-cm)
• L là chiều dài của vùng dẫn
• A là diện tích tiết diện của vùng dẫn (chiều rộng x độ dày)

Nói đơn giản, nếu bạn làm cho các vùng dẫn nguồn và đất ngắn, dày và rộng, bạn sẽ giảm thiểu điện trở của chúng.

Tuy nhiên, khó khăn ở đây là các vùng dẫn quá lớn sẽ chiếm không gian đi dây quý giá và có thể hạn chế không gian dành cho các vùng dẫn điện áp khác.  Một thiết kế có các vùng dẫn nguồn và đất được định kích thước phù hợp sẽ nhỏ gọn hơn và sử dụng ít lớp hơn so với thiết kế tùy ý sử dụng các mặt phẳng đồng hoặc đường mạch quá lớn.  Mục đích của phân tích PI-DC là giúp người thiết kế xác định rằng các vùng dẫn nguồn và đất trên bo mạch có kích thước đủ dùng nhưng không quá lớn.

Một yếu tố khác cần cân nhắc đối với sụt áp IR là công suất tiêu hao bằng I2R – vì vậy, khi dòng điện qua một điện trở tăng nhẹ, công suất tiêu hao sẽ tăng đáng kể.  Điều này có thể biểu hiện thành các vấn đề về nhiệt, khiến mạch nóng lên đáng kể do các vùng dẫn nguồn và/hoặc đất không đủ lớn để chịu được dòng điện đi qua.  Bằng cách bảo đảm sụt áp IR qua các vùng dẫn nguồn và đất ở mức rất nhỏ, công suất tiêu hao trong các vùng dẫn đó sẽ được giảm thiểu.

Trong trường hợp cực đoan, nếu một vùng dẫn có điện trở đủ lớn (rất hẹp và dài) và có dòng điện đủ lớn chạy qua, vùng dẫn đó về cơ bản sẽ trở thành một “cầu chì”, khiến đồng bị nóng chảy và thiết kế ngừng hoạt động – đồng thời có thể gây nguy hiểm.  Tiêu chuẩn IPC-2152 về khả năng mang dòng của PCB đề cập đến vấn đề này, nhưng dựa trên các giả định bất lợi (chẳng hạn như không có đồng dẫn nhiệt ở gần để hỗ trợ tản nhiệt), và người thiết kế thường áp dụng tiêu chuẩn đó với những giả định thận trọng nhất, chẳng hạn như chỉ cho phép mức tăng nhiệt độ tối thiểu.  Mặc dù PI-DC không thể thay thế tiêu chuẩn IPC-2152 làm hướng dẫn cho các cân nhắc về nhiệt, công cụ này có thể cung cấp thông tin chuyên sâu có giá trị về cách tối ưu hóa thiết kế một cách an toàn thông qua việc nghiên cứu sụt áp và mật độ dòng điện của hệ thống cấp nguồn.  Một thiết kế được tối ưu hóa để có mật độ dòng điện và sụt áp thấp nhất giữa các nguồn và tất cả các tải cũng sẽ sinh ít nhiệt hơn và ít có nguy cơ gặp vấn đề về nhiệt hơn.

Một khía cạnh khác mà phân tích PI-DC giải quyết là số lượng via dùng để cấp nguồn.  Vấn đề này khá giống với việc định kích thước các vùng đồng cho phù hợp: nếu không có đủ via, điện áp sẽ bị sụt và công suất bị lãng phí do sụt áp IR; nhưng nếu sử dụng quá nhiều via, không gian đi dây quý giá sẽ bị lãng phí.  Đặc biệt, nếu sử dụng quá nhiều via cho một đường dẫn điện áp cụ thể, các via đó sẽ đi xuyên qua các vùng dẫn trên những lớp khác và làm giảm tiết diện đồng của chúng, từ đó gây ra vấn đề cho các đường điện áp khác.  Tương tự như việc xác định đúng kích thước các vùng dẫn, phân tích điện áp tại các điểm tải cho phép xác định kích thước và/hoặc số lượng via phù hợp.

Cuối cùng, việc mô phỏng thiết kế cuối cùng đúng theo cấu trúc vật lý thực tế mang lại lợi ích đáng kể trong việc bảo đảm thiết kế được tối ưu hóa.  Mô phỏng PI-DC cung cấp bước kiểm tra cuối cùng để bảo đảm các đầu nối và bộ ổn áp được lựa chọn với thông số phù hợp, chẳng hạn trong trường hợp một số tải đã được loại bỏ hoặc bổ sung trong quá trình thiết kế.

Khi không có dữ liệu đáng tin cậy về độ sụt áp qua các vùng đồng nguồn, vùng đồng nối đất và via khác nhau trên PCB, nhà thiết kế buộc phải chọn phương án thận trọng bằng cách sử dụng các vùng mặt phẳng đồng và đường mạch quá lớn, cùng quá nhiều via. Điều này chiếm dụng diện tích thiết kế quý giá, đồng thời làm tăng số lớp và kích thước tổng thể của thiết kế.  Altium PDN Analyzer cung cấp thông tin chính xác về mức độ đáp ứng yêu cầu phân phối nguồn DC của thiết kế theo cách đơn giản, dễ sử dụng, giúp nhà thiết kế tạo ra các thiết kế phân phối nguồn hiệu quả nhất có thể.

Kết quả không chỉ phù hợp để kiểm chứng thiết kế cuối cùng mà còn có thể được sử dụng trong giai đoạn lập kế hoạch thiết kế nhằm xây dựng trước kiến trúc cấp nguồn hiệu quả nhất có thể.  PI-DC là công cụ vô cùng hữu ích để xây dựng mạng phân phối nguồn hiệu quả và vững chắc nhất có thể; PDN Analyzer giúp quá trình mô phỏng và phân tích đó trở nên đơn giản, trực quan và hiệu quả.

Bên cạnh những ưu điểm này và các ưu điểm khác mà PDN Analyzer mang lại cho thiết kế PCB, công cụ này còn đem lại những lợi ích sau:

• Độ tin cậy của sản phẩm: Giúp đảm bảo từng nguồn cấp trong thiết kế hoạt động chính xác về mức điện áp tĩnh, độ ổn định điện áp và tình trạng phát nhiệt/hư hỏng của đường mạch.
• Cải thiện bố trí PCB: Cung cấp thông tin có thể áp dụng để tận dụng không gian bo mạch hiệu quả nhất, đồng thời cho phép dễ dàng xác định và khắc phục các vùng có mật độ dòng điện cao gây vấn đề.
• Hiểu biết: Không còn phải dựa vào quy tắc kinh nghiệm hay tính toán gần đúng khi xem xét bố trí các đường dẫn dòng điện DC.

Mô phỏng PDN Analyzer

Ở dạng cơ bản nhất, bố trí bo mạch được phân tích PI-DC có thể bao gồm một nguồn ổn áp và tải của nó, được kết nối bằng các vùng đồng có hình dạng và độ rộng đường mạch khác nhau.

Ví dụ mạch cơ bản gồm nguồn cấp và tải.

Bố trí PCB của mạch cơ bản, với nhiều vùng đồng và đường mạch được kết nối qua các lớp và via.

Giao diện bảng PDN Analyzer (Tools » PDN Analyzer) mô phỏng trực quan mạng mạch từ nguồn cấp đến tải, bao gồm các đường nguồn và đường nối đất thực tế — tương tự như trong mạch ở trên và sơ đồ khối khái niệm (Hình 1). Ứng dụng tự động trích xuất toàn bộ thông tin vật lý và điện (danh sách kết nối, linh kiện, hình dạng đồng trên các lớp, v.v.) từ thiết kế PCB hiện đang hoạt động để cung cấp dữ liệu cho bộ máy mô phỏng PI-DC.

Giao diện bảng PDN Analyzer  hiển thị thiết lập mô phỏng PI cho mạch và bố trí bo mạch cơ bản.

Ở đây, nguồn điện áp là đầu ra của U1 (5V giữa chân 3 và chân 2), còn tải được xác định bằng dòng điện qua RL (0,1A). Sau khi nhập các thông số ban đầu qua giao diện (điện áp và dòng điện của nguồn/tải, v.v.) và chạy mô phỏng, dữ liệu phân tích thu được sẽ được biểu diễn trực quan trong trình chỉnh sửa PCB dưới dạng hình ảnh kết xuất 2D hoặc 3D.

Kết quả mô phỏng sụt áp cho phần đồng thuộc các mạng PWR và GND của bo mạch (từ U1 đến RL và từ RL đến U1).

Mô phỏng PI của PDN Analyzer có thể được thiết lập để hiển thị kết quả điện áp (sụt áp IR, hình trên) hoặc mật độ dòng điện (hình dưới) cho tất cả các lớp bo mạch có liên quan.

Bản đồ mật độ dòng điện cho cả mạng PWR và GND (từ U1 đến RL).

► Xem hướng dẫn ví dụ về PDN Analyzer để biết mô tả đầy đủ về cách sử dụng PDN Analyzer và diễn giải kết quả.