PDN Analyzer のサンプルガイド

PDN Analyzer で操作するためのこのガイドでは、Altium Designer のサンプルプロジェクト Spirit Level を使用します。このサンプルは、C:\Users\Public\Documents\Altium\ADxx\Examples\SpiritLevel-SL1 フォルダに保存されています（ADxx は、インストールした Altium Designer のバージョンを表します）。このガイドでは、PDN Analyzer が Altium Designer にインストールされていてライセンス認証済みであり、PI-DC (DC Power Integrity) の基本的な原理を理解していると仮定して説明します。

PDN Analyzer 拡張機能のインターフェースは、Altium Designer のパネルとして表示されます（Altium Designer に結合したり、ワークスペース上に表示できます）。PDN Analyzer パネルを表示するには、回路図、または PCB ドキュメントを開き（この例では、Spirit Level プロジェクトから）、Tools メニューからアプリケーション (Tools » PDN Analyzer) を選択します。

パネル内では、source/load のオブジェクトと供給/リターンパスが、解析回路と同じように表示されます（オブジェクトのブロックにその情報が表示され、データを入力できます）。上図のように全てのオブジェクトが表示されない場合、パネルのサイズを調整する必要があるかもしれません。

パネルの注意点:

• 背景がダークグレーの電源、GND ネットオブジェクトは、編集できます。
• 背景が白の電源、GND ネットオブジェクトは、編集できません（編集できるようにするには、他のオブジェクトブロックを編集/供給する必要があります）。
• 背景がライトブルーの Source、または Load オブジェクトブロックは、編集できます、または編集しました。
• 背景がライトグレーの Source、または Load オブジェクトブロックは、編集できません（編集できるようにするには、他のオブジェクトブロックを編集/供給する必要があります）。
• Source、または Load オブジェクトにある ボタンは、そのオブジェクトのパラメータをクリアします。
• ボタンは、現在の PI-DC 設定を *.pidc_config ファイルとしてプロジェクトディレクトリに保存（または、再保存）できます。
• ボタンは、以前に保存したPI-DC 設定をシミュレーション設定として読み込みできます。
• ボタンは、現在アクティブな PI-DC 設定を *.pidc_config ファイルとしてプロジェクトディレクトリに保存できます。
• ボタンは、パネルの現在の設定をクリアします。
• ボタンは、電源と GND ネット間に Load オブジェクトを追加します。
• Metal Conductivity リンクは、Metal Conductivity dialog が表示されます（現在のネットの伝導率が表示され、基準となる金属の導電率や温度補償値を変更できます）。
• ボタン（パネルの左下）は、PI-DC シミュレーションプロセスを開始します（必要なパラメータを設定したら有効となります）。
• パネルには、Results モードもあります（PI-DC シミュレーションが成功した時、有効になります）。これは、パネルの下部にある PDN Analyzer Result タブから開きます。

以降（3 つの例）で、PDN Analyzer を使用する方法や、複数の負荷や電源ネットワークを対応する方法を説明します。これらの例を実行して、Altium Designer 内で PI-DC シミュレーションを設定、保存、実行、解析する方法を把握できます。

例 1

この例では、VCCINT (1.8V) と負荷である U1 のデバイス間の電源経路に関して、PI シミュレーションの設定を行います。そこで、VCCINT と GND ネットの銅箔に関する電圧降下、電流密度を表示、評価できます。

例 1 電源回路 – Spririt Level プロジェクトの SL_Power.SchDoc をご覧ください。

ステップ 1: Spirit Level プロジェクトの回路図、または PCB ドキュメントを開き、Tools メニューからPDN Analyzer の拡張機能を起動します。PDN Analyzer パネルが開きます。必要な場合、現在の設定を Reset し ( )、以前に使用した設定をクリアします。

ステップ 2: パネルの <Source Power Net> オブジェクトボックスをクリックし、ポップアップダイアログから電源伝送ネットを選択します。ここでは、VCCINT を選択します。

デフォルトで、ダイアログのフィルタオプション（上部）は、電源ネットのみ表示するよう設定されています。これらは、以下のように設定されています:

• 全ての銅箔 (プレーンやポリゴンに接続された銅箔だけでなく)。
• 3 つ、またはそれ以上、接続されているネットのみ。
• ネット名に V のプリフィックスがあるネットのみ。

全てのフィルタオプションをクリアにすると、PCB デザインの全てのネットがダイアログにリスト表示されます。

Source Power Net で VCCINT を選択して OK をクリックした後、以下のようになります:

• <Source Power Net> オブジェクトには、選択したネットが表示されます。
• <Loads Power Net> は、白からグレーに変わります。これは、編集できることを示します。
• 電源オブジェクトは、ライトブルーに変わります。これは、編集できることを示します。
• シミュレーションボタン ( ) のメッセージが変わります。

ステップ 3: <Ground Net> (パネル下部のオブジェクトボックス) で GND が選択されていることを確認します。このように設定されていない場合、上記の Source Power Net と同様の方法で選択できます。このダイアログのフィルタは、3 つ、またはそれ以上の接続があり、プレーンやポリゴンに接続されているネットのみ表示されるよう、設定されています。

ステップ 4: Source オブジェクト（<RefDes.Pin> として表示されています）を選択し、電源、パラメータを指定します（ここでは、U4 の1.8V の電圧レギュレータ）。電源デバイスとピン（任意）は、Source ダイアログで入力します。

ダイアログの PWR Component Pins ドロップダウンメニューを使用して、電源を選択します（ここでは、U4）。このデザインで、U4 は、直接、GND に接続されているピンがありません。そのため、GND Component ドロップダウンメニューから GND コンポーネントとして J1 を選択します（電源入力ソケット J1 の 2 番ピンと 3 番ピンは、GND ネットに接続されています）。

電源デバイスの適切な電圧レベルと電流特性を指定します。1.8V の電源供給性能を低下させるために 5%（または、0.1V）下げた1.7V の電圧と、その部品の最大電流として 5A を選択します。

ステップ 5: <Loads Power Net> オブジェクトボックスを選択します。Source Power Net（上記）と同様のダイアログが表示されます。デフォルトで、source power net (VCCINT) と同じネットが指定されます。そのため、すぐ OK ボタンで完了できます。

今、Load と Source power nets は同じです。そのため、パネルの Power Net ボックスは、VCCINT としてつながった状態になります。 ボタンのメッセージも変わります。

ステップ 6: 最後に、Load オブジェクトボックス（<RefDes.Pin> として表示されています）をクリックし、Load Component、GND Component として U1 を指定します。そして、その load パラメータ（負荷電流と最小供給電圧）を入力します。この例では、U1 の全てのピンが同じパラメータであると仮定します。いくつかのピンが異なるパラメータの場合、同じパラメータのピンのみ選択され、パラメータが割り当てられます。それから、他のピンに別の U1 の負荷が追加され、適切なパラメータが割り当てられます。

最小供給電圧 1.6V （10%の電圧降下を想定; 1.8V – 10% = 1.6V）と負荷電流 0.5A を指定します。

ステップ 7: シミュレーションの設定が完了しました。パネルの全てのボックスに有効なパラメータデータが含まれています（入力したパラメータが正しいか、各オブジェクトボックスで確認できます）。 ボタン（今、青色になっています）のメッセージは、シミュレーションを実行できる表示になります。

ステップ 8: ボタンをクリックし、PI-DC シミュレーションを開始します。

シミュレーションの進捗状況が、Messages パネルに表示されます（プロセスを完了できない場合、失敗した原因も表示されます）。シミュレーションが完了したら、 ボタンの右に　'Simulation run successfully' と表示されます。

パネルの Source/Load オブジェクトには、source と load に関する電流と電圧結果が表示されることに注意してください。

source/load オブジェクトに、緑色 '成功' のチェックマークが表示されます。入力した（シミュレーションを設定する時）制限を超えていないため、違反はありません（最大Source 電流は、5A を超えていません (0.5A) 。そして、Load 電圧は、最小 1.6V 以上 (1.69V) となっています）。制限を超えた場合、失敗したことを表す赤色のアイコン: で表示されます。

ステップ 9: シミュレーションの結果は、Altium Designer の PCB エディタでグラフィカルに表示されます。電圧（降下）の結果を見るには、パネルの PDN Analyzer Result タブを選択します。そして、Display Filter の項目内の Voltage オプションを有効にします。Net 欄で VCCINT を、Layer 欄で Top と Bottom Layer を指定して、電源ネットの経路を表示します。

analyzer 結果は、Altium Designer の PCB エディタに表示されます。表示は、PDN Analyzer Result パネルの と ボタンで 2D、または 3D フォーマットに切り換えできます。これらのボタンは、PCB エディタの Altium 2D PDN Analyzer や Altium 3D PDN Analyzer からの表示（下図のように）と同じです。一般的に、3D では、レイヤやビアが表示されますが、2D では、より簡易的（そのため、より見やすい）に表示されます。

3D 表示オプションを選択すると、シミュレーション結果は、以下のように表示されます。

選択したネットの経路に関する電圧降下は（この例では、VCCINT）、カラーグラデーションで表示されます（画面下部に、電圧の段階が表示されます）。その段階は、デフォルトで、シミュレーションで実行された電圧レベルの範囲に自動で設定されます（パネルの Results ウィンドウの Scale Option をご覧ください）。

この例では、以下のように表示されることに注意してください:

• 段階に表示された最大電圧は、1.7V (1.6995) です（source (U4) で表示されます）。
• U4 とデカップリングコンデンサ C3 間の重要な DC 電圧降下はありません（理想的なコンデンサを介した電流の流れではありません）。
• 最小電圧は、1.69V (1.6871) です（load (U1) で表示されます）。
• 0.5A の負荷と仮定した時、VCCINT の電源の銅箔には、非常に小さい電圧降下（約12 mV）があります。

3D モードで表示します。U4 と U1 間の配線上の 3 つのビア（ビアのトップとボトム間で色が異なる）で、電圧降下があるのを確認できます。

ステップ 10: 電圧ネット (VCCINT) の電流密度の結果を表示します。パネルのResults ウィンドウで、Current Density オプションを選択します。そして、VCCINT ネット、Top と Bottom layer を指定します。

U4 と U1 間のトラックには、最も高い電流密度があることに注意してください。そして、デザインを改善する必要があるか確認できます。電流密度の段階の範囲は、シミュレーション結果（デフォルトのAuto Scale オプション）から自動で決定され、デフォルトで A/m2 (amps per square meter) で表示されます。

ステップ 11: GND ネットの電圧結果を表示します。パネルの Results ウィンドウで、Voltage オプションを選択します。そして、GND ネット、Top Layer を指定します。GND の大きい銅箔では、ほとんど電圧降下はありません（最大電圧は、わずか 1.37mV です）。

しかし、results モードを Current Density、GND ネット (Top layer) に切り換えた場合、問題を確認できます。GND の銅箔で、青色で示された島（電流が流れていません）があります。もちろん、これは、VCCINT の DC 電流の流れを示すだけですが、これらの GND の銅箔が使用されていないことを判断する前に、他の DC 電圧をチェックする必要があります。

削除する前に、GND の銅箔が、AC 電流を戻すために使用されていないことを（例えば、リターンパスに対する影響を見るために、コンデンサを 1K オーム抵抗に交換して）確認することも重要です。重要な場所の小さな接続（U1 の左下）でも、大きな GND の島に関する問題を減らすことができます。

実際に、これらの島は、AC、過渡電圧特性に関する問題を起こす場合があり、これを回避する必要があります。電源伝送の銅箔の接続点は、主要な部分で理想的である必要があります。

この画面でその他に気づく点は、左から右への電流の流れが（GND のリターンパスとして）、U1 の上下で細長く狭い領域に制限されていることです。このレイヤの全体の電流の流れが、重要である場合、狭い銅箔によって、GND の電圧降下が 1.37mV 以上になる可能性があります。

PDN Analyzer の電流密度を表示する機能を使用して、デザインのレイアウトを明確に解析できます。

例 2

この例では、VCCO (3.3V) と複数の負荷デバイス（抵抗負荷や U1 の別のピンの負荷を含む）間の電源経路に関する PI シミュレーションを設定します。Altium Designer をインストールした時に保存されている Spirit Level のサンプルファイルを使用します（例 1 で使用しました）。

  例 2 power source 回路 – Spirit Level プロジェクト内の SL_Power.SchDoc をご覧ください。

PDN Analyzer パネルで、 (または、 ) ボタンを使用して、現在の設定を保存します。それから、 ボタンで設定をクリアします。

以下のように設定します。必要に応じて、パネルの ボタンを使用して、Load を追加します:

• Power Net (Source と Loads): VCCO
• Ground Net: GND
• Source: U3.2 (Power Component), J1.2,3(GND Component)
  
  • 3.15V (3.3V – 5%) Source 電圧、5% の負荷軽減を仮定
  • source と全ての source ピンで最大 5A
• Loads:
  
  • R20.2 (power), U6.3 (ground): LED
    
    • 270Ω 負荷抵抗
    • 3V 最小電圧 (3.3V – 10%)
  • U5.18 (power), U5.11(ground): JTAG VCCINT
    
    • 0.01A
    • 3V 最小電圧 (3.3V – 10%)
  • U5.19 (power), U5.11(ground): JTAG VCCO
    
    • 0.04A
    • 3V 最小電圧 (3.3V – 10%)
  • U5.20 (power), U5.11(ground): JTAG VCC
    
    • 0.05A
    • 3V 最小電圧 (3.3V – 10%)
  • U1.* (power, 全てのピンを使用), U1.*(ground, 全てのピンを使用): FPGA 3.3V
    
    • 1.875A
    • 3V 最小電圧 (3.3V – 10%)
  • R11.1 (power), U2.3(ground): U2 電流
    
    • 0.005A
    • 3V 最小電圧 (3.3V – 10%)
  • R16.1 (power), S3.3,4(ground): Y1 電流
    
    • 0.012A
    • 3V 最小電圧 (3.3V – 10%)

この例では、以下の内容を説明します:

• 複数の負荷を容易に追加してシミュレーションを行えます。
• シミュレーショントポロジーやデータをグラフィカルにパネルに表示します（パラメータを正確に入力できます）。
• 異なる電流値を、負荷デバイス（この例では、U5）の特定のピンへ割り当てる機能。

例 3

この例では、5V の電源 (PWR_IN) が、入力から介在するデバイス（や、U3 や U4 を含む複数の負荷デバイス）へ流れるまでの電源経路に関する PI シミュレーションを行います。この例でも、Altium Designer をインストールした時に保存されている Spirit Level のサンプルファイルを使用します。そして、例 1 と同様の方法で実行します。

  例 3 電源回路 – Spririt Level プロジェクトの SL_Power.SchDoc をご覧ください。

ここでは、5V の電源（J1 のコネクタの PWR_IN のネットから供給された）について、source power net として PWR_IN を、load power net として 5V を選択して、解析できます（ダイアログのリストで PWR_IN ネットを表示するには、ネットフィルタを解除する必要があります）。PDN Analyzer は、中間ネット NetD1_2 (ツェナーダイオードD1 の上のピン) を含む、2 つのネット間の DC 経路を自動で構築します。

5V の電源経路は、J1 の入力 (PWR_IN) と 5V の電源間で正しく構築されています（Polyswitch (F1; 1 番ピンと 2 番ピン) と Power Switch (S1: 3 番ピンと 2 番ピン/1番ピン) の接続を含む）。

しかし、スイッチは、NetD1_2 と 5V 間で、Multi Passives (S1.3-S1.2, S1.3-S1.1) として表示されています。現在の経路に合わせるには、S1.3 と S1.2 間のみにします。オブジェクトボックス（'Multi Passives' と表示されている）をクリックして、S1 のピン設定を変更します（S1 の 3 番ピンから 1 番ピン間のチェックを外します）。

変更を完了したら、S1 のオブジェクトは、'Multi Passives' ではなく、1 つのピン間設定 (S1.3 から S1.2 間) として表示されます。passive コンポーネント（ここでは、F1 と S1）で表現された抵抗は、デフォルトで 0.001Ω ですが、パラメータダイアログで変更できます。

PWR_IN から 5V までのサンプルシミュレーションでは、source と loads で別のネットを使用する方法を説明します（この経路では、passive コンポーネントを介します）。これらのコンポーネントは、抵抗のみで形成できます。しかし、アクティブコンポーネントを介す経路では、個々に形成した入出力経路が必要です。source と load net の経路が自動で反映された場合、その経路は、必要に応じて、変更する必要があります（以下をご覧ください）。

指定した Source と Load ネット間に多くの DC 経路が存在する状況で、PDN Analyzer は、望ましくない Source から Load までの経路（主要でない、想定していた大電流が流れる経路）を選択する場合があります。

Analyzer が自動で選択する経路は、回路のネットトポロジー（分類されたネットやその他の要素）に依存します。そのプロセスでは、例えば、アクティブデバイスのピンは識別されません。または、最も大きい電流経路は予測されません。

source から load までの経路を正しいネットに設定するために、PDN Analyzerのインターフェースでは、個々のネットをその経路から削除できます。そのため、強制的に別のネット経路を選択できます。望ましくないネットは、インターフェースのグラフィカル表示画面から削除されます。

例えば、Source net (VCC) と Load net (VSS) 間で、3 つ、または 4 つの DC 経路がある簡単な電源回路で考えてみます。

PDN Analyzer で、Source Power Net を VCC、Load net を VSS として指定してシミュレーションを設定した時、それらのネット間の 3 つの経路のいずれかが選択されます。1 つは、直接、U1 のレギュレータを経由する望ましい経路です（以下の経路 C として指定）。

しかし、この例では、自動で経路 A が選択されました（D2 と Q1 を経由する経路）。PDN analyzer のユーザインターフェースでは、source から load までの経路がグラフィカルに表示されます。

PDN Anayzer は、source から load までの経路として、自動で経路 A を選択しました（Analyzer の GUI で表示）。

この場合のネットは以下です:

• NetD2_1 – R6 と D2 の接合点
• NetD2_2 – D2 と Q1 の接合点
• NetQ1_2 – Q1 と R7の接合点

現在の経路を目的の経路 (C) へ変更するため、望ましくないネットを削除します（たまたま、目的の経路のネットは含まれていません）。

これにより、その経路は除外され、他の経路を選択できます。この例では、経路 By（上図をご覧ください）を選択しました（目的のネット経路でない）。

source から load までの経路で、あるネットを削除すると、別の経路を選択できます。この例では、経路 By（望まれていないネット; NetC3_1 を含む）に変更しました。

この経路では、以下のネットが含まれています:

• NetC2_1 – R1 と C2 の接合点 (これは、経路 C にも含まれ、望ましいネットです)
• NetC3_1 – C3 と U1 の GND ピンの接合点

この時点で、経路 C にするために NetC3_1 のネットを除外する必要があるのは明確です。これを削除すると、source から load までの経路が、目的の経路になるよう望ましいネット; NetC2_1 のみ含めることができます。

そのため、その経路は、経路 C のように表示されます（R1、NetC2_1、U1 のみが含まれます）。

間違ったネットを削除して、目的のシミュレーション経路 C に定義。

金属の導電率

PDN Analyzer パネルの Metal Conductivity リンクをクリックすると、Metal Conductivity ダイアログが表示されます。そこに、デザインで使用した金属の導電率の値（抵抗の逆数; ¹/_R）に関する詳細や設定が表示されます。

シミュレーションで使用するデフォルトの金属は、純銅 です（一般的に、25°C で 5.88e7S/m の導電率、0.4%/°C の導電率温度係数であると仮定されています）。この正温度係数は、ダイアログの Temp. Compensation 設定で、例えば、25°C から 125°C (100°C delta) まで上げることで、シミュレーションでの導電率が 3.53e7S/m まで（40%）下がることを意味します。

PCB Copper 設定では、PCB electro-deposited (ED) 銅の一般的なものとして、産業文献でレポートされた導電率が反映されます（25°C で 4.7e7S/m の導電率、0.4%/°C の温度係数）。PI シミュレーション用に特定の導電率、または抵抗率を入力するには、Custom オプションを選択します。

基本の伝導率（または、抵抗率）、温度係数、温度は、ダイアログで変更して、デザインの金属属性として反映できます。Sim Conductivity は、全てのパラメータを考慮した、最終的な導電率の値を示します。

ビア内側の厚さ

シミュレーション解析で、ビア内側の銅箔厚を指定するには、PDN Analyzer パネルの Via Wall Thickness リンクを選択します。

ビア内側の材料の厚さは、デフォルトで　18µm (0.7mm) で、シミュレーションを行うための最小の厚さは 1µm です（Wall Thickness で、それ以下の値を設定した場合、1µm の設定が使用されます）。その設定は、ビア内側の銅箔が薄い（スルーホール）場合、抵抗になるため、電源ネットワーク DC の損失に影響を及ぼします。しかし、十分なサイズ/厚さであれば、ビアは、デザインの DC 性能に影響を与えず、電源配線と同じ電流密度になります。そして、その接続点間で重要な電圧損失はありません。ビアを介した DC 解析の例は、上図で説明しています。

ビアサイズと、内側の銅箔厚によって、シミュレーションでどれぐらいの導電性か（抵抗/導電率）を効果的に定義できます。シミュレーションでは、ビアの直径は、finished hole size と、内側の銅箔厚を足した部分と仮定します。そのため、: Finished Hole Diameter + (2 x Wall_Thickness)  = Drill Diameter です。

Result panel の機能

PDN Analyzer Result パネルには、Altium Designer の PCB エディタで、シミュレーション結果をどのように表現するか（電圧/電流、ネットやレイヤ）など、シミュレーション結果を管理するための設定があります。

パネルの Display filter 欄では、シミュレーション結果を表示する領域を手動で定義できます。

• 特定の電圧、または電流密度の範囲を設定するには、Scale option の項目で Manual モードを選択します。最小、最大値を入力して ボタンをクリックすると、PCB エディタの段階表示（カラーグラデーション）が変わります。
• 電流密度の結果は、デフォルトで A/m2 (amps per square meter) の単位で表示されます。Current density ドロップダウンメニューから別の単位を選択できます。

パネルの Results 欄には、シミュレーションデータで作業するためのボタンがあります。これらは以下です:

電流制限

PDN Analyzer の拡張機能に関して、できるだけ効率的にツールを使用できるように機能やインターフェースを追加していく予定です。現在、実行できる解析に制限がありますが、改善していく予定です。

現在の機能制限は、以下です:

• 統合された回路図/PCB 編集。 ネット名とコンポーネントは、直接、回路図、または PCB 画面から入力できません。
• 複数の source。 現在、1 つの正電圧 source のみ、対応しています。複数の source や/または負電圧 source（または、負電流負荷）は対応していません。
• Source から load までの GND 経路。 1 つの GND ネット経路のみ、source と load 間で利用できます（電源ネットの複数のネット経路を定義する機能と異なります）。
• コンポーネント名のスペース。 現在、デジグネータにスペースがあるコンポーネントが PCB デザインに含まれている場合、シミュレーションは失敗します。これは、次のバージョンで修正する予定です。

このような問題を解決するには、\PDNAnalyzer_Output\Results\tmp ディレクトリにあるdesign.dar.log ファイルを確認します。これには、シミュレーションエンジンが生成した components ファイルの行数を示す構文の警告、またはエラーメッセージが表示されます。

components ファイルの reference を確認するには、\PDNAnalyzer_Output ディレクトリにある tar アーカイブファイル [project_name].tgz を開く/抽出する必要があります。これは、互換性のあるアーカイブ管理ツール（例えば、7-Zip、または 類似のツール）で実行できます。