Power Analyzer của Keysight

Hiệu năng thực tế của bố cục thiết kế PCB phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố, trong đó nhiều yếu tố có thể được dự đoán với mức độ hợp lý thông qua nhiều công cụ phân tích thiết kế PCB như phân tích Signal Integrity sau layout. Tuy nhiên, điều thường bị bỏ qua, hoặc chỉ đơn giản bị đẩy về cách làm kiểu “quy tắc kinh nghiệm”, là việc phát triển thiết kế layout hiệu quả nhất cho các hệ thống phân phối nguồn DC của bo mạch. Đây là sự cân nhắc được áp dụng cho thiết kế các vùng đồng trên bo, nơi cung cấp cả các đường nguồn DC cho mạch và đường mass hoặc đường hồi chung trở về nguồn cấp DC. Kết quả mong muốn là một thiết kế hiệu quả, duy trì được tính toàn vẹn của bố cục nguồn DC trong thiết kế.

Với các thiết kế số hiện đại có mạch tốc độ cao, nhiều thiết bị, bo mạch mật độ linh kiện dày đặc và nhiều đường nguồn, các yêu cầu đặt lên mạng phân phối nguồn DC của thiết kế đòi hỏi một cách tiếp cận mang tính phân tích hơn. Phân tích DC của Mạng Phân phối Nguồn (PDN), hay kết quả của tính toàn vẹn nguồn DC (PI-DC), về cơ bản nhằm bảo đảm rằng đã có đủ đồng trên đường dẫn từ các nguồn điện áp đến tải – nói cách khác, các plane, trace và via trên bo mạch có kích thước (và đặc tính) đủ để đáp ứng nhu cầu tiêu thụ điện năng của các thiết bị trên bo.

May mắn là có thể loại bỏ việc phỏng đoán trong quá trình đánh giá mạng phân phối nguồn của PCB thông qua việc sử dụng công cụ mô phỏng DC Power Integrity (PI-DC), công cụ này phân tích hiệu năng DC của thiết kế bo mạch dựa trên các đặc tính điện và vật lý của nó, đồng thời giúp kỹ sư trả lời các câu hỏi thiết kế quan trọng, bao gồm:

• Xác định và xử lý các vấn đề về điện áp DC và mật độ dòng điện.

• Tính toán tương tác giữa nhiều mạng và các đường hồi dòng.

• Trực quan hóa phân bố điện áp và mật độ dòng điện, đồng thời xác định các điểm nóng trong trình biên tập PCB.

• Kiểm tra điện áp, mật độ dòng điện và dòng qua via tại bất kỳ vị trí nào trên bo mạch.

• Tạo báo cáo kết quả mô phỏng phân tích.

Để thực hiện phân tích DC Power Integrity ngay trong môi trường thiết kế PCB của Altium Designer, giải pháp được ưu tiên là Power Analyzer by Keysight.

Power Analyzer by Keysight, được hỗ trợ bởi Keysight Technologies, tích hợp trực tiếp với Altium Designer để cho phép mô phỏng và phân tích PI-DC cho dự án PCB hiện tại. Thay vì dựa vào các phép tính diện tích mặt cắt đơn giản để xác định khả năng tải dòng của mạng nguồn, Power Analyzer trước tiên mô hình hóa chính xác các cấu trúc đồng, sau đó tính toán điện áp và dòng điện phân phối nguồn trên toàn PCB. Với kết quả được trình bày dưới cả dạng trực quan lẫn bảng biểu, kỹ sư có thể sử dụng phản hồi này để nhanh chóng điều chỉnh bề rộng đường mạch, độ dày đồng và các thuộc tính via nhằm bảo đảm đạt được tính toàn vẹn phân phối nguồn DC cần thiết cho thiết kế của mình.

Để thực hiện phân tích Power Integrity trong Altium, trước tiên kỹ sư tạo một mạng phân cấp cho toàn bộ hệ thống phân phối nguồn, xác định từng net nguồn và net hồi, các nguồn và tải, cũng như mọi phần tử nối tiếp có trong từng phần của mạng nguồn. Khi mạng và các thiết lập cấu hình đã được xác định, Power Analyzer có thể kiểm tra toàn bộ mạng.

Cấu hình Mạng Nguồn

Power Analyzer kiểm tra dòng năng lượng đi qua các đường dẫn đồng trong mạng nguồn. Mạng nguồn được xác định bằng cách nhận diện và cấu hình các phần tử mạng khác nhau, bao gồm net, nguồn, mọi linh kiện nối tiếp và các tải. Để cấu hình mạng nguồn:

❯ ❮ Javascript

Thêm tài liệu Analysis vào Project Việc cấu hình và chạy phân tích được thực hiện từ tài liệu Power Analyzer by Keysight (<ProjectName>.pdnaK). Cấu hình Thuộc tính Bo mạch Power Analyzer cần biết các đặc tính vật lý của bo mạch, chẳng hạn như mật độ dòng điện cho phép, loại đồng, nhiệt độ làm việc, v.v. Hãy xác nhận rằng các giá trị mặc định được định nghĩa trong phần Configuration của tài liệu analyzer phù hợp với thiết kế của bạn. Nhận diện tự động Net Nguồn Power Analyzer có thể tự động nhận diện các net nguồn. Để làm điều này, nó cần biết cách nhận diện các phần tử mạch như bộ ổn áp, đầu nối và các linh kiện nối tiếp. Bên cạnh việc sử dụng các dấu hiệu như tiền tố ký hiệu linh kiện, bạn cũng có thể thêm tham số cho một số linh kiện nhất định để cải thiện quá trình phát hiện tự động. Tìm hiểu thêm về Configuring the Auto-Define Settings. Chọn Net Nguồn Nhấp  để nhận diện net nguồn tự động, hoặc nhấp  để chọn net nguồn thủ công. Tìm hiểu thêm về defining the Power Nets. Mở rộng Net Nếu net nguồn đi qua một linh kiện nối tiếp như cầu chì, hãy mở rộng net và xác định các linh kiện nối tiếp cũng như các net được mắc chuỗi. Tìm hiểu thêm về extending a net. Nhận diện và Cấu hình Nguồn Mỗi net nguồn bắt đầu từ một Nguồn, chẳng hạn như đầu nối. Bật nguồn trong hộp thoại Add Source, sau đó nhấp biểu tượng bánh răng để cấu hình nguồn đó. Tìm hiểu thêm về identifying and configuring the Source. Nhận diện Tải Bắt đầu với các phần tử tiêu thụ dòng lớn, bao gồm các Voltage Regulator Module (VRM). Tìm hiểu thêm về identifying the Loads. Cấu hình Tải và VRM Nhấp biểu tượng bánh răng để mở hộp thoại Load Properties, và cấu hình từng tải. Khi một thiết bị được cấu hình là Voltage Regulator Module (VRM), một mạng nguồn con sẽ tự động được tạo trong cây phân cấp với VRM đó làm nguồn. Nhận diện Tải trong các Net Nguồn Con Đảm bảo rằng các linh kiện tải chính được bao gồm trong từng net nguồn. Xác nhận Mạng Nguồn Nhấp nút để xác nhận rằng mạng nguồn đã sẵn sàng để kiểm tra. Sẵn sàng để Phân tích Kiểm tra Tree để xác nhận bằng trực quan rằng mỗi mạng nguồn đều hoàn chỉnh. Để chuyển từ net nguồn này sang net nguồn khác, nhấp vào liên kết Power Analyzer by Keysight để quay lại tài liệu net nguồn, và chọn Tree cho từng net nguồn. Khi hoàn tất, bạn đã sẵn sàng phân tích mạng nguồn.

Phân tích Mạng Nguồn

Sau khi các Power Network đã được xác định, bạn đã sẵn sàng phân tích phân phối nguồn DC trên khắp và xuyên qua bo mạch.

❯ ❮ Javascript

Phân tích các Cấu trúc Đồng Dựa trên các thiết lập Configuration, khi bạn nhấp nút  , các cấu trúc đồng có trên bo mạch sẽ được phân tích và mô phỏng để xác định dòng điện và sụt áp. Hiển thị trên PCB Tóm tắt kết quả phân tích Voltage Drop, Current Density và Max Via Current được hiển thị như một phần của Power Net Definition trong tài liệu *.pdnaK (được tô sáng màu xanh nhạt ở trên). Nhấp  để khám phá bản đồ nhiệt mật độ dòng điện và sụt áp. Chế độ xem bản đồ nhiệt có màu sẽ mở trong trình biên tập PCB và panel Power Analyzer by Keysight cũng sẽ mở, nơi bạn có thể cấu hình Heatmap, khám phá mọi Violations, và đặt các Probes đo lường. Tìm hiểu thêm về Running an Analysis. Kiểm tra các Bản đồ nhiệt Dòng điện tính toán và sụt áp được hiển thị dưới dạng Heatmap, trực tiếp trong trình biên tập PCB. Sử dụng các tab Layer của trình biên tập PCB để kiểm tra heatmap trên từng lớp, chuyển đổi giữa chế độ xem PCB 2D và 3D bằng các phím tắt chuẩn 2 và 3, và nhấp nút Show Heatmap trong panel Power Analyzer by Keysight để chuyển đổi giữa Heatmap phân tích nguồn và các chế độ hiển thị PCB tiêu chuẩn. Khám phá Kết quả Phân tích Trong trình biên tập PCB, kết quả phân tích mạng nguồn mà bạn đang xem được điều khiển qua panel Power Analyzer by Keysight. Ở đầu panel, chọn mạng nguồn/net có Heatmap mà bạn muốn hiển thị. Lưu ý rằng nếu có vi phạm trong thiết kế, mặc định danh sách thả xuống sẽ bao gồm Only nets with violations; hãy bỏ chọn tùy chọn đó để đưa tất cả net nguồn vào danh sách. Tìm hiểu thêm về Power Analyzer by Keysight Panel. Chuyển đổi giữa Mật độ Dòng điện và Sụt áp Heatmap hiển thị либо Current Density qua lớp đồng hoặc Voltage Drop trên lớp đồng; hãy dùng các nút ở đầu tab Heatmap của panel để chọn chế độ cần thiết. Một thang đo cho Heatmap được hiển thị bên dưới bo mạch, tự động co giãn cho dòng điện từ Zero đến Max Current Density, hoặc cho sụt áp từ (Voltage - VDrop) đến Voltage. Có thể hiển thị các mũi tên chỉ hướng dòng điện trên Heatmap, và cũng có thể điều chỉnh thang đo Mật độ Dòng điện hoặc Sụt áp. Tìm hiểu thêm về configuring and controlling the display of the Heatmap. Khám phá Sụt áp Vị trí các điểm nóng về mật độ dòng điện có thể được nhận diện trực tiếp qua màu sắc của chúng trên heatmap. Vì sụt áp được tính như một sai khác giữa các vị trí, nên việc hiểu các sụt áp đòi hỏi diễn giải sâu hơn. Để hỗ trợ xác định các vị trí quan trọng, hãy sử dụng tùy chọn Enable Visual Slider for Voltage Contour để hiển thị các đường đồng mức được định nghĩa sẵn, theo điện áp hoặc theo phần trăm. Tìm hiểu thêm về Heatmap for Voltage Drop. Thăm dò Kết quả Để lấy phép đo trực tiếp từ Heatmap, hãy đặt một Probe. Đặt một Probe đơn để hiển thị giá trị Dòng điện hoặc Điện áp tuyệt đối tại vị trí đó, hoặc nhấp vào vị trí thứ hai để đo sai khác giữa hai điểm Probe. Loại phép đo (V hoặc I) được xác định bởi chế độ Heatmap hiện tại (Current Density hoặc Voltage Drop). Lưu ý rằng việc thăm dò tại điểm trung tâm của lỗ xuyên sẽ luôn hiển thị Mật độ Dòng điện. Tìm hiểu thêm về Probes. Kiểm tra Kết quả của Net Ground Theo mặc định, net Ground bị loại khỏi kết quả Heatmap. Tắt checkbox Skip Ground trong phần Configuration của tài liệu *.pdnaK để bao gồm net này, sau đó chọn net GND trong danh sách thả xuống Network / Net ở đầu panel Power Analysis by Keysight. Lưu ý rằng Heatmap hỗ trợ các cấu trúc polygon trên các lớp tín hiệu, nhưng không thể mô phỏng hành vi của lớp power plane. Tìm hiểu thêm về các Configuration options.

Diễn giải và Báo cáo Kết quả

Power Analyzer cung cấp phản hồi chi tiết ngay trong trình biên tập PCB. Từ panel Power Analyzer by Keysight , có thể nhanh chóng điều tra các vi phạm, đặt probe đo lường và chụp heatmap thành hình ảnh. Để truy cập thông tin chi tiết về phân tích nguồn DC của bo mạch, có thể tạo báo cáo. Báo cáo chi tiết mở bên trong tài liệu pdnaK, và từ đó, bạn có thể lưu các phần mong muốn thành tệp báo cáo HTML. Báo cáo có thể dành cho một net nguồn riêng lẻ hoặc toàn bộ mạng nguồn.

❯ ❮ Javascript

Làm việc với Kết quả Đồ họa Tương tác Làm việc từ panel tương tác Power Analyzer by Keysight, bạn có thể nhanh chóng xác định và kiểm tra các vi phạm. Tạo Báo cáo Để tạo báo cáo chi tiết, nhấp nút trong tài liệu Power Analyzer by Keysight (<ProjectName>.pdnaK). Ngoài ra, cũng có thể tạo báo cáo cho bất kỳ net riêng lẻ nào bằng cách nhấp nút  phù hợp. Báo cáo Chi tiết Net - Tham số Báo cáo Đầy đủ liệt kê tất cả các net nguồn đã được phân tích; nhấp vào Tên Net để mở báo cáo chi tiết cho net đó. Phía bên trái của báo cáo Net liệt kê: Tên của net nguồn (và tất cả các sub-net nếu nó đã được Extended), cùng với trạng thái tổng thể Pass / Fail.  Các Tham số được Tính toán: Vdrop, Idensity và Ivia_max. Nếu bất kỳ Tham số được tính toán nào hiển thị Cảnh báo (đường màu cam) hoặc Lỗi (đường màu đỏ), các gợi ý xử lý những cảnh báo/lỗi này sẽ được hiển thị bên dưới các Tham số. Báo cáo Chi tiết Net - Kết quả Phía bên phải của báo cáo bao gồm các phần có thể thu gọn cho: Global Settings - các đặc tính vật lý của bo mạch, chẳng hạn như mật độ dòng điện cho phép, loại đồng, nhiệt độ làm việc, v.v. Những mục này được cấu hình trong tài liệu pdnaK. Design Stackup - cách sắp xếp các lớp vật lý tạo nên bo mạch, được định nghĩa trong PCB Layer Stack Manager. Heatmap for Current Density - hiển thị phân bố dòng điện trong net đó trên toàn bộ lớp đồng của từng lớp trong bo mạch. Mật độ dòng điện được biểu diễn bằng màu; mật độ dòng càng lớn thì màu càng nóng.  Heatmap for Voltage Drop - hiển thị dải điện áp hiện diện trên net đó cho từng lớp đồng trong bo mạch. Điện áp càng cao thì màu càng nóng (hoặc sụt áp càng lớn thì màu càng lạnh). System-Level Power Network Results - Cây của tất cả các thiết bị được cấu hình trong tất cả các net nguồn, làm nổi bật các thiết bị trong net nguồn đã chọn. Network Details - Báo cáo chi tiết về kết quả phân tích của net đó, nội dung này sẽ được nói thêm ở slide tiếp theo. Báo cáo Chi tiết Net - Chi tiết Mạng Sử dụng phần Network Details để nhanh chóng xác định các vấn đề tiềm ẩn trong thiết kế. Phần này liệt kê: Power Net Members - biểu diễn đồ họa của Sources và Loads trong net nguồn đã chọn, như được định nghĩa trong tài liệu pdnaK.  Power Consumption - công suất tiêu thụ bởi mạng nguồn đã chọn. Least Margins - margin là chênh lệch giữa dòng điện cho phép và dòng điện tính toán, cho biết còn bao nhiêu khả năng tải dòng nữa vẫn khả dụng (margin). Least Margin xác định vị trí có margin nhỏ nhất (hoặc mức lỗi lớn nhất nếu kết quả âm). Hãy dùng kết quả Least Margin để nhanh chóng xác định các trường hợp xấu nhất cho Non-Via Current Density và Via Current, được biểu diễn dưới dạng Absolute value (Allowed Current - Calculated Current), và cả dưới dạng Percentage ((Allowed - Calculated) / Allowed * 100).  Giá trị bằng 0 hoặc âm cho biết một Fail. List of Violations - số lượng vi phạm của từng loại hiện có trên bo mạch. Failed Via Summary - danh sách các pad via và pad linh kiện lỗ xuyên có kết quả Dòng điện hoặc Mật độ Dòng điện cho ra Margin bằng 0 hoặc nhỏ hơn. Có thể sắp xếp kết quả bằng cách nhấp tiêu đề cột; nhấp lần thứ hai để sắp xếp theo chiều ngược lại, giữ Shift trong khi nhấp để sắp xếp phụ theo các cột bổ sung. Lưu Báo cáo Để tạo báo cáo HTML của các phân tích, nhấp nút . Trong hộp thoại Save Report Settings, cấu hình các Networks nguồn và Data cần thiết mà bạn muốn đưa vào, sau đó nhấp nút để lưu báo cáo thành một tập hợp tệp HTML. Báo cáo được tạo trong một thư mục có đóng dấu ngày & giờ bên trong thư mục dự án, \PowerAnalyzerByKeysight_Output\HTMLReport\<ProjectName> [PDNA]_<Date>_<Time>. Hãy tìm và mở tệp Report.html để xem báo cáo trong trình duyệt mặc định của bạn.   Bao gồm Kết quả Probe và Ảnh Chụp Các hình ảnh được chụp qua nút trong panel Power Analyzer by Keysight sẽ tự động được đưa vào cuối phần Network Details của báo cáo HTML, cùng với mọi hình ảnh của kết quả Probe được lưu bằng nút .

Playlist - How to Work with Power Analyzer by Keysight

Cần có thời gian để học cách làm việc với phần mềm thiết kế mới. Nếu bạn học tốt hơn qua việc xem, vậy tại sao không xem thử danh sách phát video này trình bày một số tính năng chính của  How to Work with Power Analyzer by Keysight.