PDN Analyzer

Altium Extensionアプリケーションとしてダウンロード可能なPDN Analyzer powered by CST^®（Computer Simulation Technology）は、Altium Designerと直接統合して、現在のPCBプロジェクトのPI-DCシミュレーションと分析を可能にします。PDN AnalyzerはAltium Designer内で機能するため、手動でのデータのインポート/エクスポート、データ変換、または別のアプリケーションを実行する必要はありません。単にスキーマティックまたはPCBエディタからPDN Analyzerを起動し、希望するテストパラメータを設定してシミュレーションを実行します。結果は主に、回路基板の銅レイアウトの2D/3Dモデリングを通じて提供され、結果の迅速な評価とPCBレイアウトデザインの探索的な「もしも」テストを行う機会を提供します。

Altium Designer Spirit Levelの例示PCBと、そのトップレイヤーGNDネットのVCCINT供給に対するPI-DC電圧降下シミュレーションの結果を示したPDNAnalyzerインターフェース。

► PDNAnalyzer拡張機能のインストールとライセンス認証に関する情報を見る。

PDN Analyzer バージョン 2.0

PDN Analyzer version 1.xとして最初にリリースされた後、大幅に見直されたPDN Analyzer version 2.0は、再設計されたインターフェース、新機能、より包括的な結果報告を提供します。

PDN Analyzer 2.0の拡張機能は、Altium Designer 17.1以降で利用可能です。

► PDN Analyzer v2.0での電力整合性シミュレーションの実行方法については、PDN Analyzer v2 サンプルガイドをご覧ください。

► 以前のバージョンのPDN Analyzer（バージョン1.x）に関する情報をご覧ください。

このページに記載されている情報は、基本的な電気的および実践的原則に関する概要を提供し、パワーインテグリティ分析に適用されるものであり、さらにPDN Analyzer v2.0のインストールとライセンス情報も含まれています。

パワーインテグリティの基本

本質的に、PI-DC（または「IRドロップ」）問題はかなり単純です：ボードの電源形状（トレース、ポリゴン、プレーンなど）に体現された抵抗が電力と電圧を消費し、それらを様々な負荷から奪います。予想通り、電源とグラウンドの銅経路の相互作用により、供給する負荷の数が増えるとIR問題の複雑さは増します。

図1: 電源およびグラウンド形状と、適用される負荷の基本的なブロック図。

図1（上）は、回路の電源と、様々な負荷（メモリ、マイクロコントローラーなど）に電力を供給する電源とグラウンドの形状（トレースとプレーン）を示したシンプルなブロック図です。全ての負荷が同じ電源とグラウンドの形状に接続されており、それらの形状によって動作電圧が供給されることに依存しています。一般的に、これらの電源とグラウンドの形状は0Ωの抵抗を持つと仮定しがちですが、それは必ずしも真実ではなく、その仮定は問題を引き起こすことがあります。比較的大きな電流が関与することが多いため、電源とグラウンドの形状の小さな抵抗でも、大きな電力消費（損失）と電圧降下を引き起こすことがあります。

図2: 「IRドロップ」の影響

図2は、電源およびグラウンドの形状の抵抗が適切に考慮されていない場合に生じる問題の例を示しています。各形状の抵抗がわずか0.25Ωであるにもかかわらず、負荷での電圧が5Vから4.5Vに低下してしまいました。設計者はこの低下を認識し、それを受け入れることができるか、またはそれを減少させるために設計を変更することで、最終設計が現場で失敗しないことを確認する必要があります。

しかし、問題は簡単に解決できるように思えます - 単に電源およびグラウンドの形状を短くするか、または十分に大きくして、無視できる抵抗を表すようにします。次の関係を使用します：R = ρ * L/A、ここで：

• Rは形状（トレースまたは平面）の全抵抗です
• ρは形状に使用される材料の抵抗率です（通常は銅、ρ ≈ 1.7µΩ-cm）
• Lは形状の長さです
• Aは形状の断面積です（幅 x 厚さ）

簡単に言うと、電源とグラウンドの形状を短く、厚く、広くすることで、それらの抵抗を最小限に抑えることができます。

しかし、その難しさは、過度に大きな形状が貴重なルーティングスペースを消費し、他の電圧形状のスペースを制限する可能性があることです。適切なサイズの電源およびグラウンド形状を持つ設計は、無差別に過大なプレーンやトレースを使用する設計よりもコンパクトで、層の数が少なくなります。PI-DC分析の目的は、ボード設計の電源およびグラウンド形状が適切であるが過度に大きくないことを設計者に知らせることです。

IRドロップに関するもう一つの考慮事項は、消費される電力量がI2Rであるという事実です。つまり、抵抗を通る電流のわずかな増加が、電力消費の大幅な増加を引き起こします。これは、電源および/またはグラウンド形状がそれらを通過する電流を収容するのに十分に大きくないため、設計が大幅に加熱されるという形で熱問題として現れることがあります。電源およびグラウンド形状を通る非常に小さなIRドロップを確保することにより、それらの形状の電力消費が最小限に抑えられます。

極端な場合、形状が十分に抵抗性を持つ（非常に狭く長い）かつ十分な電流が流れる場合、その形状は基本的に「ヒューズ」となり、銅の形状が溶けて設計が失敗し、危険な状況を引き起こす可能性があります。プリント基板の電流容量を決定するためのIPC-2152標準はこの問題に対処していますが、悲観的な仮定（例えば、熱を逃がすのに役立つ近くの熱伝導性の銅がないなど）を使用し、設計者は最も保守的な仮定を適用することがよくあります。例えば、最小限の温度上昇のみを許可するなどです。PI-DCはIPC-2152標準を熱に関するガイドラインとして置き換えることはできませんが、電源供給システムの電圧降下と電流密度を研究することによって、設計が安全に最適化される方法について貴重な洞察を提供することができます。電源とすべての負荷の間で最低の電流密度と電圧降下に最適化された設計は、発熱も少なく、熱問題の可能性も低くなります。 PI-DC解析が対処する別の側面は、電力供給のために使用されるビアの数です。この問題は、銅の形状を適切にサイズ設定することと非常に似ています：十分なビアがない場合、電圧が失われ、IRドロップを通じて電力が無駄になりますが、ビアを多用しすぎると、貴重なルーティングスペースが無駄になります。特に、特定の電圧パスにビアを多用しすぎると、それらのビアは他の層の形状を通過し、その銅の断面積を減少させ、他の電圧に対して問題を引き起こします。形状を正しく寸法設定するのと同じ方法で、負荷点での電圧を分析することにより、適切なビアのサイズ設定および/または数の決定が可能になります。 最後に、物理的に現れる通りに最終設計をシミュレートすることには、それが最適化されていることを確認するために大きな利点があります。PI-DCシミュレーションは、設計プロセス中に負荷が削除されたり追加されたりした場合など、コネクタやレギュレータが適切にサイズ設定されているかどうかの最終確認を提供します。

PCBのさまざまな電源形状、グラウンド形状、ビアを通る電圧降下に関する信頼できるデータがない場合、設計者は過剰な平面形状、トレースサイズ、ビアを使用することで保守的にならざるを得ず、これにより貴重な設計の不動産を消費し、層を増やし、設計フォームファクターを増加させます。Altium PDN Analyzerは、設計のDC電力分布の適合性に関する正確な情報を簡単でわかりやすい方法で提供し、設計者が可能な限り最も効率的な電力分布設計を行えるようにします。

結果は最終設計の検証に適しているだけでなく、設計の計画段階で電力供給を事前にできるだけ効率的に設計するためにも使用できます。PI-DCは、可能な限り最も効率的で堅牢な電力供給ネットワークを実現するための貴重なツールであり、PDN Analyzerはそのシミュレーションと分析プロセスを直感的で効率的に実行することを可能にします。

これらおよびその他の利点の中で、PDN AnalyzerがあなたのPCB設計にもたらす利点は以下の通りです：

• 製品の信頼性：設計内の個々の供給品の正しい性能を保証するのに役立ちます。これには、耐電圧レベル、電圧安定性、トレースの加熱/損傷の観点が含まれます。
• 改善されたPCBレイアウト：ボードスペースを最も効果的に使用するために適用できる情報を提供し、問題のある高電流密度エリアの容易な識別と修正を可能にします。
• 知識：DC電流経路のレイアウトを考慮する際に、もはや経験則やおおよその計算に頼ることはありません。

PDNAnalyzerシミュレーション

最も基本的な形態では、PI-DC分析の対象となるボードレイアウトは、電圧レギュレーターのソースとその負荷、およびさまざまな形状とトラック幅の銅エリアで構成されるかもしれません。

電源と負荷の基本回路例。

基本回路のPCBレイアウト。層とビアによって接続された一連の銅形状とトレースがあります。

PDN Analyzer パネルインターフェース（Tools » PDN Analyzer）は、実際の電源とグラウンドの経路を取り入れた、電源から負荷までの回路ネットを視覚的にエミュレートします。これは、上記の回路や概念的なブロック図（図1）に示されているようにです。このアプリケーションは、現在アクティブなPCB設計からすべての物理的および電気的情報（ネットリスト、デバイス、レイヤー形状など）を自動的に抽出し、PI-DCシミュレーションエンジンのためのデータを提供します。

基本回路とボードレイアウトのPIシミュレーション設定を示すPDN Analyzer パネルインターフェース。

ここで、電圧源はU1の出力（ピン3とピン2の間の5V）であり、負荷はRLを通る指定された電流（0.1A）です。初期パラメータがインターフェースを通じて入力され（ソース/負荷の電圧や電流など）、シミュレーションが実行されると、結果として得られた分析データは、PCBエディタ内でレンダリングされた2Dまたは3Dの画像としてグラフィカルにモデル化されます。

基板のPWRおよびGNDネット銅（U1からRLへ、そしてRLからU1へ）の電圧降下シミュレーション結果。

PDN Analyzer PI シミュレーションは、適用可能な全てのボード層に対して電圧（IRドロップ、上の画像）または電流密度（下の画像）の結果を表示するように設定できます。

PWRおよびGNDネット（U1からRLまで）の電流密度マップ。

► PDN Analyzerの使用方法とその結果の解釈についての完全な説明は、PDN Analyzer例ガイドをご覧ください。

インストールとライセンス

PDN Analyzer アプリケーションは、PDN Analyzer ExtensionをインストールすることでAltium Designerに追加されます。その機能は、対応するソフトウェアライセンスで有効になります。

インストール

PDN Analyzerは、Altium Designer GUIの右上にあるユーザードロップダウンメニュー( )からアクセスできるExtensions & Updatesビューからインストール（および更新）されます。

購入済みタブをExtensions & Updatesビューで選択し、PDN Analyzerアイコンを見つけてから、その ボタンをクリックして拡張機能をダウンロードしてインストールします。アプリケーションを有効にするためにAltium Designerを再起動してください。

PDN Analyzerのインストール前の拡張機能アイコン。

インストールされると、拡張機能は拡張機能 & 更新ビューのインストール済みタブに表示されます。PDN Analyzerツールは、スキーマティックまたはPCBプロジェクトドキュメントが開かれているときに、Altium DesignerのツールメニューからPDN Analyzerとして利用可能です。PDN Analyzerがライセンスされていない場合、関連するエラーメッセージが表示されることに注意してください - ライセンスアクティベーションの手順については以下を参照してください。

► より詳細な情報については、Altium Designer 拡張機能のページをご覧ください。

ライセンス認証

PDNAnalyzerは、Altiumの標準ライセンス方式を使用してライセンス認証することができます。Altiumのライセンスサーバーからオンデマンドまたはスタンドアロンライセンスをアクティベートするか、内部ネットワークのプライベートライセンスサーバーから行います。

► Altiumのライセンスやライセンスの種類に関する詳細は、ライセンス管理ページをご覧ください。