Power Analyzer của Keysight

Hiệu năng thực tế của bố trí thiết kế PCB phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố, trong đó nhiều yếu tố có thể được dự đoán với độ chính xác hợp lý thông qua các công cụ phân tích thiết kế PCB, chẳng hạn như phân tích tính toàn vẹn tín hiệu sau bố trí. Tuy nhiên, việc xây dựng bố trí hiệu quả nhất cho hệ thống cấp nguồn DC của bo mạch thường bị bỏ qua hoặc chỉ được thực hiện theo phương pháp dựa trên kinh nghiệm. Công việc này đòi hỏi phải cân nhắc cách thiết kế các vùng đồng trên bo mạch để vừa cung cấp các đường nguồn DC cho mạch điện, vừa tạo đường hồi tiếp nối đất hoặc đường hồi tiếp chung về nguồn cấp DC. Mục tiêu là tạo ra một thiết kế hiệu quả, bảo đảm tính toàn vẹn của bố trí cấp nguồn DC.

Với các thiết kế số hiện đại có mạch tốc độ cao, nhiều linh kiện, mật độ bố trí linh kiện dày đặc và nhiều đường nguồn, những yêu cầu đặt ra cho mạng phân phối nguồn DC đòi hỏi cách tiếp cận mang tính phân tích hơn trong quá trình thiết kế. Phân tích DC của mạng cấp nguồn (PDN), hay kết quả phân tích tính toàn vẹn nguồn DC (PI-DC), về cơ bản nhằm bảo đảm có đủ lượng đồng trên đường dẫn từ nguồn điện áp đến tải — nói cách khác, các mặt phẳng đồng, đường mạch và via trên bo mạch phải có kích thước (và đặc tính) phù hợp để đáp ứng yêu cầu tiêu thụ điện của các linh kiện trên bo mạch.

May mắn là có thể loại bỏ việc phỏng đoán khi đánh giá mạng cấp nguồn của PCB bằng cách sử dụng công cụ mô phỏng tính toàn vẹn nguồn DC (PI-DC). Công cụ này phân tích hiệu năng DC của thiết kế bo mạch dựa trên các đặc tính điện và vật lý, đồng thời giúp kỹ sư giải quyết các vấn đề thiết kế quan trọng, bao gồm:

• Xác định và khắc phục các vấn đề về điện áp DC và mật độ dòng điện.

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

• 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 điện 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 tính toàn vẹn nguồn DC ngay trong môi trường thiết kế PCB của Altium Designer, giải pháp nên dùng 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 tiết diện 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 cấp nguồn trên toàn bộ PCB. Với kết quả được trình bày cả dưới dạng trực quan lẫn bảng biểu, kỹ sư có thể sử dụng thông tin phản hồi này để nhanh chóng điều chỉnh độ rộng đường mạch, độ dày đồng và các thuộc tính via nhằm bảo đảm tính toàn vẹn cấp nguồn DC theo yêu cầu của thiết kế.

Để thực hiện phân tích tính toàn vẹn nguồn trong Altium, trước tiên kỹ sư tạo một mạng phân cấp cho toàn bộ hệ thống cấp nguồn, xác định từng net nguồn và net hồi tiếp, các nguồn và tải, cũng như mọi phần tử nối tiếp có trong từng phần của mạng nguồn. Sau khi mạng và các thiết lập cấu hình 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 bằng đồng trong mạng nguồn. Mạng nguồn được xác định bằng cách nhận diện và cấu hình các phần tử khác nhau trong mạng, bao gồm net, nguồn, các linh kiện nối tiếp và tải. Để cấu hình mạng nguồn:

❯ ❮ Javascript

Thêm tài liệu phân tích vào dự án Việc phân tích được cấu hình và chạy từ tài liệu Power Analyzer by Keysight (<ProjectName>.pdnaK). Cấu hình các thuộc tính bo mạch Power Analyzer cần biết các thuộc 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 xác định trong phần Configuration của tài liệu phân tích phù hợp với thiết kế của bạn. Tự động nhận diện net nguồn Power Analyzer có thể thử tự động nhận diện các net nguồn. Để thực hiện việc này, công cụ cần biết cách nhận diện các phần tử mạch như bộ ổn áp, đầu nối và linh kiện nối tiếp. Ngoài 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 để cải thiện quá trình tự động phát hiện. Tìm hiểu thêm về Cấu hình thiết lập tự động xác định. Chọn các net nguồn Nhấp vào  để tự động nhận diện net nguồn hoặc nhấp vào  để chọn thủ công các net nguồn. Tìm hiểu thêm về xác định các net nguồn. Mở rộng các 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 cùng các net nối tiếp nhau. Tìm hiểu thêm về mở rộng net. Xác định 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 vào biểu tượng bánh răng để cấu hình nguồn đó. Tìm hiểu thêm về xác định và cấu hình nguồn. Xác định các tải Bắt đầu với các phần tử tiêu thụ dòng điện chính, bao gồm các mô-đun ổn áp (VRM). Tìm hiểu thêm về xác định các tải. Cấu hình các tải và VRM Nhấp vào biểu tượng bánh răng để mở hộp thoại Load Properties và cấu hình từng tải. Khi một thiết bị được cấu hình là mô-đun ổn áp (VRM), một mạng nguồn con sẽ tự động được tạo trong cấu trúc phân cấp với VRM đó làm nguồn. Xác định các tải trong các net nguồn con Bảo đảm các linh kiện tải chính đều được đưa vào từng net nguồn. Xác nhận mạng nguồn Nhấp vào nút để xác nhận rằng mạng nguồn đã sẵn sàng để kiểm tra. Sẵn sàng phân tích Kiểm tra cây phân cấp để xác nhận trực quan rằng từng mạng nguồn đã hoàn chỉnh. Để chuyển từ net nguồn này sang net nguồn khác, hãy nhấp vào liên kết Power Analyzer by Keysight để quay lại tài liệu net nguồn và chọn cây phân cấp cho từng net nguồn. Sau khi hoàn tất, bạn đã sẵn sàng phân tích mạng nguồn.

Phân tích mạng nguồn

Sau khi xác định các mạng nguồn, bạn đã sẵn sàng phân tích sự phân phối nguồn DC trên bề mặt và xuyên qua bo mạch.

❯ ❮ Javascript

Phân tích các cấu trúc đồng Dựa trên các thiết lập cấu hình, khi bạn nhấp vào nút  , các cấu trúc đồng trên bo mạch sẽ được phân tích và mô phỏng để xác định dòng điện và độ sụt áp. Hiển thị trên PCB Bản tóm tắt kết quả phân tích Voltage Drop, Current Density và Max Via Current được hiển thị trong phần Định nghĩa mạng nguồn của tài liệu *.pdnaK (được tô màu xanh lam nhạt ở trên). Nhấp vào  để khám phá bản đồ nhiệt mật độ dòng điện và độ sụt áp. Chế độ xem bản đồ nhiệt có màu sẽ mở trong trình biên tập PCB, đồng thời bảng Power Analyzer by Keysight cũng sẽ mở. Tại đây, bạn có thể cấu hình Heatmap, xem xét các Violations và đặt các Probes đo lường. Tìm hiểu thêm về Chạy phân tích. Xem xét bản đồ nhiệt Dòng điện và độ sụt áp tính toán được hiển thị dưới dạng bản đồ nhiệt ngay trong trình biên tập PCB. Sử dụng các tab lớp của trình biên tập PCB để xem bản đồ nhiệt trên từng lớp, chuyển đổi giữa chế độ xem PCB 2D và 3D bằng các phím tắt tiêu chuẩn 2 và 3, rồi nhấp vào nút Show Heatmap trong bảng Power Analyzer by Keysight để chuyển đổi giữa bản đồ nhiệt 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 thông qua bảng Power Analyzer by Keysight. Ở đầu bảng, hãy chọn mạng nguồn/net mà bạn muốn hiển thị bản đồ nhiệt. Lưu ý rằng nếu thiết kế có vi phạm, tùy chọn Only nets with violations trong danh sách thả xuống sẽ được bật theo mặc định; hãy bỏ chọn tùy chọn đó để đưa tất cả các net nguồn vào danh sách. Tìm hiểu thêm về Bảng Power Analyzer by Keysight. Chuyển đổi giữa mật độ dòng điện và độ sụt áp Bản đồ nhiệt hiển thị Current Density đi qua phần đồng hoặc Voltage Drop trên phần đồng; sử dụng các nút ở đầu tab Heatmap của bảng để chọn chế độ mong muốn. Thang giá trị cho bản đồ nhiệt được hiển thị bên dưới bo mạch, tự động điều chỉnh cho dòng điện từ Zero đến Max Current Density, hoặc cho độ sụt áp từ (Voltage - VDrop) đến Voltage. Bạn có thể hiển thị các mũi tên chỉ hướng dòng điện trên bản đồ nhiệt và điều chỉnh thang mật độ dòng điện hoặc độ sụt áp. Tìm hiểu thêm về cấu hình và điều khiển cách hiển thị bản đồ nhiệt. Khám phá độ sụt áp Có thể nhận biết trực tiếp vị trí các điểm có mật độ dòng điện cao qua màu sắc trên bản đồ nhiệt. Vì độ sụt áp được tính bằng chênh lệch giữa các vị trí, việc hiểu kết quả này đòi hỏi phân tích kỹ 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 giá trị điện áp hoặc tỷ lệ phần trăm. Tìm hiểu thêm về Bản đồ nhiệt độ sụt áp. Đo kiểm kết quả Để thực hiện phép đo trực tiếp trên bản đồ nhiệt, hãy đặt một đầu dò. Đặt một đầu dò 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 chênh lệch giữa hai điểm đặt đầu dò. Loại phép đo (V hoặc I) được xác định bởi chế độ bản đồ nhiệt hiện tại (Mật độ dòng điện hoặc Độ sụt áp). Lưu ý rằng khi dò tại tâm của lỗ xuyên, kết quả luôn hiển thị mật độ dòng điện. Tìm hiểu thêm về Đầu dò. Xem xét kết quả của net nối đất Theo mặc định, net nối đất không được đưa vào kết quả bản đồ nhiệt. Bỏ chọn hộp kiểm Skip Ground trong phần Configuration của tài liệu *.pdnaK để đưa net này vào, sau đó chọn net GND trong danh sách thả xuống Network / Net ở đầu bảng Power Analysis by Keysight. Lưu ý rằng bản đồ nhiệt hỗ trợ các cấu trúc polygon trên lớp tín hiệu, nhưng không thể mô phỏng hoạt động của lớp mặt phẳng nguồn. Tìm hiểu thêm về Các tùy chọn cấu hình.

Diễn giải và báo cáo kết quả

Power Analyzer cung cấp phản hồi chi tiết ngay trong trình biên tập PCB. Từ bảng Power Analyzer by Keysight , bạn có thể nhanh chóng kiểm tra các vi phạm, đặt đầu dò đo lường và chụp bản đồ nhiệt thành hình ảnh. Để truy cập thông tin chi tiết về phân tích nguồn DC của bo mạch, bạn có thể tạo báo cáo. Báo cáo chi tiết sẽ mở trong tài liệu pdnaK, từ đó bạn có thể lưu các phần mong muốn vào một 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 Sử dụng bảng 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, hãy nhấp vào nút trong tài liệu Power Analyzer by Keysight (<ProjectName>.pdnaK). Ngoài ra, bạn có thể tạo báo cáo cho từng net riêng lẻ bằng cách nhấp vào nút  tương ứng. Báo cáo net chi tiết - Thông 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 net con nếu net đã được mở rộng), cùng với trạng thái tổng thể Pass / Fail.  Các thông số tính toán: Vdrop, Idensity và Ivia_max. Nếu bất kỳ thông số tính toán nào hiển thị cảnh báo (đường màu cam) hoặc lỗi (đường màu đỏ), các đề xuất khắc phục những cảnh báo/lỗi này sẽ được hiển thị bên dưới các thông số. Báo cáo net chi tiết - Kết quả Phía bên phải của báo cáo bao gồm các phần có thể thu gọn cho: Global Settings - các thuộc tính vật lý của bo mạch, chẳng hạn như mật độ dòng điện cho phép, loại đồng, nhiệt độ làm việc, v.v. Các thuộc tính này được cấu hình trong tài liệu pdnaK. Design Stackup - cách bố trí các lớp vật lý cấu thành bo mạch, được xác định trong Trình quản lý cấu trúc lớp của PCB. Heatmap for Current Density - hiển thị sự phân bố dòng điện của net đó trong toàn bộ phần đồng trên từng lớp của bo mạch. Mật độ dòng điện được biểu thị bằng màu sắc; mật độ dòng điện càng lớn thì màu càng nóng.  Heatmap for Voltage Drop - hiển thị dải điện áp trên net đó đối với từng lớp đồng của bo mạch. Điện áp càng cao thì màu càng nóng (hay độ sụt áp càng lớn thì màu càng lạnh). System-Level Power Network Results - Cây liệt kê tất cả các thiết bị được cấu hình trong mọi net nguồn, đồng thời làm nổi bật các thiết bị thuộc net nguồn đã chọn. Network Details - Báo cáo chi tiết về kết quả phân tích net đó; nội dung này sẽ được trình bày kỹ hơn ở trang chiếu tiếp theo. Báo cáo net chi tiết - 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 xác định trong tài liệu pdnaK.  Power Consumption - công suất tiêu thụ của mạng nguồn đã chọn. Least Margins - biên dự phòng là hiệu số giữa dòng điện cho phép và dòng điện tính toán, cho biết khả năng tải dòng còn lại là bao nhiêu (biên dự phòng). Biên dự phòng nhỏ nhất xác định vị trí có biên dự phòng thấp nhất (hoặc mức vi phạm lớn nhất nếu kết quả âm). Sử dụng kết quả Biên dự phòng nhỏ nhất để nhanh chóng xác định các kết quả trong trường hợp xấu nhất cho Non-Via Current Density và Via Current, được biểu thị dưới dạng Absolute value (Allowed Current - Calculated Current), cũng như dưới dạng Percentage ((Allowed - Calculated) / Allowed * 100).  Giá trị bằng không hoặc âm cho biết có Fail. List of Violations - số lượng vi phạm thuộc từng loại có trên bo mạch. Failed Via Summary - danh sách các via và pad của linh kiện xuyên lỗ có kết quả Dòng điện hoặc Mật độ dòng điện trả về Biên dự phòng bằng không hoặc nhỏ hơn. Có thể sắp xếp kết quả bằng cách nhấp vào tiêu đề cột; nhấp lần thứ hai để đảo chiều sắp xếp, giữ Shift khi nhấp để sắp xếp thêm theo các cột khác. Lưu báo cáo Để tạo báo cáo HTML về các kết quả phân tích, nhấp vào nút . Trong hộp thoại Save Report Settings, cấu hình Networks và Data nguồn cần đưa vào, sau đó nhấp vào nút để lưu báo cáo dưới dạng một bộ tệp HTML. Báo cáo được tạo trong một thư mục có dấu thời gian ngày & giờ bên trong thư mục dự án, \PowerAnalyzerByKeysight_Output\HTMLReport\<ProjectName> [PDNA]_<Date>_<Time>. Tìm và mở tệp Report.html để xem báo cáo trong trình duyệt mặc định của bạn.   Đưa kết quả thăm dò và ảnh chụp vào báo cáo Các hình ảnh được chụp bằng nút trong bảng Power Analyzer by Keysight sẽ tự động được đưa vào cuối phần Network Details của báo cáo HTML, cùng với mọi hình ảnh kết quả Probe được lưu bằng nút .

Danh sách phát - Cách làm việc với Power Analyzer by Keysight

Việc học cách sử dụng phần mềm thiết kế mới cần có thời gian. Nếu bạn học hiệu quả nhất qua việc xem hướng dẫn, hãy tham khảo danh sách video này để khám phá một số tính năng chính của  Cách làm việc với Power Analyzer by Keysight.