キーサイトによるパワーアナライザ

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PCBデザインレイアウトの実際の性能は、多くの要因に依存しており、その多くはシグナルインテグリティ分析などの一連のPCBデザイン分析ツールを通じて、ある程度予測することができます。しかし、しばしば見落とされがちなのは、または単に「経験則」の方法論に委ねられることが多いのは、ボードのDC電源供給システムのための最も効果的なレイアウトデザインを開発することです。これは、回路にDC供給レールを提供し、そのグラウンドまたは共通のリターンパスをDC供給源に提供するボードの銅エリアの設計に適用される判断です。望ましい結果は、設計のDC電源レイアウトの完全性を維持する効率的なデザインです。

現代のデジタル設計では、高速回路、複数のデバイス、密集したボード、複数の電源レールが特徴であり、設計の直流電力配分ネットワークに対する要求は、その設計に対してより分析的なアプローチを求めています。電力供給ネットワーク(PDN)の直流分析、またはその直流電力整合性(PI-DC)の結果は、基本的に電圧源から負荷までの経路に適切な銅が提供されていること、言い換えれば、ボード上のプレーン、トレース、ビアがデバイスの電力消費要件を満たすために十分なサイズ(および特性)であることを確認することを目的としています。

幸いなことに、PCBの電力供給ネットワークの評価から推測を取り除くことが、直流電力整合性(PI-DC)シミュレーションツールの使用を通じて可能になります。これは、その電気的および物理的特性に基づいてボード設計の直流性能を分析し、エンジニアが重要な設計上の質問に答えるのを助けます:

  • 直流電圧と電流密度の問題を特定し、解決する。

  • 複数ネットワークとリターンパスの相互作用を計算する。

  • PCBエディタで電圧と電流密度の分布を視覚化し、ホットスポットを特定する。

  • ボード上の任意の位置での電圧、電流密度、およびビア電流を調査する。

  • 解析シミュレーション結果のレポートを生成する。

Altium DesignerのPCB設計環境内で直接DC電源インテグリティ分析を行う場合、KeysightのPower Analyzerが最適なソリューションです。

Altium Extensionアプリケーションとしてダウンロード可能なKeysightのPower Analyzerは、Keysight Technologiesによって提供され、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。電源ネットワークの電流容量を決定するために単純な断面積計算に頼るのではなく、Power Analyzerはまず銅構造を正確にモデル化し、次にPCB全体にわたる電力供給の電圧と電流を計算します。結果は視覚的および表形式で提示され、エンジニアはこのフィードバックを使用して、設計に必要なDC電源供給の整合性を確保するために、トラック幅、銅の厚さ、およびビアの特性を迅速に調整することができます。

Altiumで電力完全性分析を実行するには、エンジニアはまず、電源およびリターンネット、ソースと負荷、および電力ネットワークの各セクションに存在する任意の直列要素を識別する、電力供給システム全体の階層的ネットワークを作成します。ネットワークと設定が定義されたら、Power Analyzerはネットワーク全体を調査できます。

  • 電源ネットの設定、既存の電力分析結果のレビュー、および電力分析レポートの生成は、有効なAltium Designerライセンスを持つ人なら誰でも実行できます。新しい電力分析を実行するには、有効なPower Analyzer by Keysightライセンスが必要です。

  • Power Analyzer by Keysight拡張機能は、Altium Designer 22.10以降での使用がサポートされています。

視聴しながら学びたい場合は、Altium AcademyでKeysightのパワーアナライザーの使い方ビデオプレイリストをチェックしてください。


電力ネットワークの設定

パワーアナライザーは、パワーネットワーク内の銅の経路を通じてエネルギーの流れを調べます。パワーネットワークは、ネット、ソース、任意の直列コンポーネント、および負荷を含むさまざまなネットワーク要素を特定して設定することによって定義されます。パワーネットワークを設定するには:

分析ドキュメントをプロジェクトに追加する

解析は、Power Analyzer by Keysightのドキュメント(<ProjectName>.pdnaK)から構成および実行されます。

電力ネットワークの解析

電力ネットワークを定義したら、ボード全体およびボード全体のDC電力分布を分析する準備が整います。

銅構造の解析

構成設定に基づいて、Button - Analyze All Netsボタンをクリックすると、ボードに存在する銅線構造が解析およびシミュレートされ、電流の流れと電圧降下が決定されます。

PCBに表示

Voltage DropCurrent Density、およびMax Via Current解析結果の概要は、*.pdnaKドキュメント(上の図で水色で強調表示)のPower Net Definitionの一部として示されています。Button - Show on PCBをクリックすると、電流密度と電圧降下のヒートマップが表示されます。色付きのヒートマップ・ビューがPCBエディタで開き、Power Analyzer by Keysightパネルも開きます。このパネルでは、ヒートマップの設定、違反の調査、測定プローブの配置を行うことができます。分析の実行の詳細については、をご覧ください。

ヒートマップの調査

計算された電流の流れと電圧降下は、PCBエディタに直接ヒートマップとして表示されます。PCBエディタのLayerタブを使用して各レイヤーのヒートマップを確認し、標準の2および3ショートカットで2Dと3DのPCB表示モードを切り替え、Power Analyzer by KeysightパネルのShow Heatmapボタンをクリックして、電力解析ヒートマップと標準のPCB表示モードを切り替えます。

解析結果を見る

PCBエディタでは、調査している電力ネットワーク解析結果は、Power Analyzer by Keysightパネルを介して制御されます。パネルの上部で、ヒートマップを表示する電源ネットワーク/ネットを選択します。デザインに違反が存在する場合、デフォルトではドロップダウンにOnly with violationsがリストに含まれるため、このオプションをクリアしてすべての電源ネットをリストに含めることに注意してください。Power Analyzer by Keysightパネルの詳細については、をご覧ください。

電流密度と電圧降下の切り替え

ヒートマップには、銅線または銅線全体の電圧降下による電流密度、パネルのHeatmapタブの上部にあるボタンを使用して、必要なモードを選択します。ヒートマップのスケールがボードの下に表示され、電流がゼロから最大電流密度まで、または電圧降下が(電圧 - VDrop)から電圧まで自動的にスケーリングされます。電流の流れを示す方向矢印をヒートマップに表示し、電流密度または電圧降下スケールを調整できます。ヒートマップの表示の設定と制御の詳細については、をご覧ください。

電圧降下の調査

電流密度ホットスポットの位置は、ヒートマップ上の色で直接識別できます。電圧降下は場所間の差として計算されるため、電圧降下を理解するには、より深い解釈が必要です。重要な場所の特定を支援するには、Enable Visual Slider for Voltage Contourオプションを使用して、事前定義された等高線を電圧またはパーセンテージとして表示します。電圧降下のヒートマップの詳細については、をご覧ください。

結果の調査

ヒートマップから直接測定を行うには、プローブを配置します。1つのプローブを配置して、その位置の絶対電流または絶対電圧を表示するか、2番目の位置をクリックして2つのプローブポイント間の差を測定します。測定のタイプ(VまたはI)は、現在のヒートマップモード(電流密度または電圧降下)によって決まります。スルーホールの中心点をプローブすると、常にCurrent Densityが表示されることに注意してください。プローブの詳細については、こちらをご覧ください。

GNDネットの結果を調べる

デフォルトでは、GNDネットはヒートマップの結果から除外されます。*.pdnaK ドキュメントのConfigurationセクションにあるSkip Groundチェックボックスをオフにして含め、Power Analysis by Keysightパネルの上部にあるNetwork / Netドロップダウンで GNDネットを選択します。ヒートマップは信号レイヤー上のポリゴン構造をサポートしていますが、電源プレーンレイヤーの動作はシミュレートできないことに注意してください。構成オプションの詳細については、こちらをご覧ください。


結果の解釈と報告

Power Analyzerは、PCBエディタで直接詳細なフィードバックを提供します。Power Analyzer by Keysightパネルから、違反を迅速に調査し、測定プローブを配置し、ヒートマップを画像としてキャプチャできます。ボードのDC電力解析に関する詳細情報にアクセスするために、レポートを生成できます。詳細レポートはpdnaKドキュメント内で開き、そこから、任意のセクションをHTMLレポートファイルに保存できます。レポートは、個々の電源ネットまたは電源ネットワーク全体のいずれかに対して作成できます。

対話型のグラフィカルな結果の操作

インタラクティブなPower Analyzer by Keysightパネルから作業することで、違反を迅速に特定し、調査することができます。

レポートの生成

詳細なレポートを生成するには、Power Analyzer by Keysightドキュメント(<ProjectName>.pdnaK)の Button - Analyze All Netsボタンをクリックします。または、ボタンをクリックして、個々のネットのレポートを生成することもできます。

詳細ネットレポート - パラメータ

フルレポートには、分析されたすべてのパワーネットがリストされています。Net Nameをクリックすると、そのネットの詳細レポートが開きます。ネットレポートの左側には、次の情報が表示されます:

  • 電源ネットの名前 (および拡張されている場合はすべてのサブネット) と、全体的なPass/Failのステータス。
  • 算出されたパラメータ: VdropIdensityIvia_max.
  • 計算されたパラメータのいずれかに警告(オレンジ色の線)またはエラー(赤い線)が表示されている場合、これらの警告/エラーの解決に関する提案がパラメータの下に表示されます。
詳細ネットレポート - 結果

レポートの右側には、次の項目の折りたたみ可能なセクションがあります:

  • グローバル設定 - 許容電流密度、銅の種類、動作温度など、ボードの物理的特性。これらは pdnaK ドキュメントで設定します。
  • Design Stackup - PCBレイヤースタックマネージャーで定義される、ボードを構成する物理レイヤーの配置。
  • Heatmap for Current Density - ボードの各レイヤーの銅線全体にわたるネット内の電流の分布を表示します。電流の密度は色で表されます。電流密度が高いほど、色は赤くなります。
  • Heatmap for Voltage Drop - ボードの各銅層について、そのネット上に存在する電圧の範囲を表示します。電圧が高いほど、色は赤くなります(または、電圧降下が大きいほど、色は青くなります)。
  • System-Level Power Network Results - すべての電源ネットに設定されたすべてのデバイスのツリーで、選択した電源ネット内のデバイスをハイライト表示します。
  • Network Details:そのネットの分析結果の詳細レポートです。これについては、次のスライドで詳しく説明します。
詳細ネットレポート - ネットワーク詳細

Network Detailsセクションを使用すると、デザインの潜在的な問題をすばやく特定できます。このセクションでは、次のリストを示します:

  • Power Net Members - 選択したパワーネット内のSourcesLoadsを、pdnaKドキュメントで定義されているようにグラフィカルに表示します。
  • Power Consumption - 選択した電力ネットワークによって消費される電力。
  • Least Margins - マージンは、許容電流と計算された電流の差であり、使用可能な電流容量(マージン)がどれだけあるかを示します。最小マージンは、最小のマージン (負の結果の場合はFail) の位置を識別します。最小マージン結果を使用すると、Absolute value (Allowed Current - Calculated Current) とPercentage ((Allowed - Calculated) / Allowed * 100) で表されるNon-Via Current Density>Via Currentのワーストケースの結果をすばやく特定できます。ゼロまたは負の値はFailを示します。
  • List of Violations - ボード上に存在する各タイプの違反の数。
  • Failed Via Summary - CurrentまたはCurrent Densityの結果がマージンが0以下を返すビアおよびスルーホールコンポーネントパッドのリスト。結果は、列見出しをクリックすることで並べ替えることができます。もう一度クリックして反対方向に並べ替えます。Shift キーを押しながらクリックすると、追加の列がサブ並べ替えられます。
レポートの保存

分析の HTML レポートを作成するには、 ボタンをクリックします。Save Report Settingsダイアログで、含める必要な電源NetworksDataを構成し、ボタンをクリックしてレポートを HTML ファイルのセットとして保存します。レポートは、プロジェクト フォルダ内の日付とタイムスタンプ付きのフォルダ \PowerAnalyzerByKeysight_Output\HTMLReport<ProjectName> [PDNA]_<Date>_<Time> に作成されます。ファイルReport.htmlを見つけて開き、デフォルトのブラウザでレポートを確認します。

 

プローブ結果と画像キャプチャを含める

Power Analyzer by Keysightパネルのボタンでキャプチャされた画像は、ボタンを使用して保存されたProbe結果の画像とともに、HTMLレポートのNetwork Detailsセクションの最後に自動的に含まれます。


プレイリスト - キーサイトのパワーアナライザーの使い方

新しい設計ソフトウェアの使い方を学ぶには時間がかかります。視覚的に学ぶことが得意なら、キーサイトのパワーアナライザーの主要機能を実演するこのビデオプレイリストをチェックしてみてはいかがでしょうか。

Power Analyzer playlist

 

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注記

利用できる機能は、Altium 製品のアクセスレベルによって異なります。Altium Designer ソフトウェア サブスクリプション の様々なレベルに含まれる機能と、Altium 365 プラットフォーム で提供されるアプリケーションを通じて提供される機能を比較してください。

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