PDN Analyzer

Производительность печатного узла зависит от множества факторов, влияние которых можно спрогнозировать на этапе проектирования устройства с помощью различных инструментов моделирования, таких как средства посттопологического анализа целостности сигналов. Однако такой аспект, как анализ цепей питания по постоянному току, часто либо игнорируется, либо сводится к оценке на основе собственного опыта конструктора. Этот анализ применяется к проводящим областям платы, обеспечивающих как питание по постоянному току, так и заземление или обратный ток к источнику. Результатом такого анализа является конструкция платы, обеспечивающая целостность питания по постоянному току.

Поскольку современные печатные узлы электронной техники включают в себя быстродействующие цепи, плотно расположенные элементы, множество устройств, использующих для питания несколько уровней напряжения, то проектирование цепей распределения питания требует аналитического подхода. Анализ цепи доставки питания (power delivery network – PDN) по постоянному току, т.е. результат расчета целостности питания по постоянному току (PI-DC), в первую очередь направлен на то, чтобы убедиться, что обеспечено достаточно проводящего материала на пути от источников напряжения к нагрузкам – иными словами, что размеры и характеристики экранных слоев, трасс цепей и переходных отверстий соответствуют требованиям потребления мощности на плате.

Благодаря современному уровню техники, спроектировать цепи доставки питания можно основываясь не только на догадках, но также с помощью программных инструментов анализа целостности питания по постоянному току, которые осуществляют расчет конструкции платы на основе ее электрических и физических характеристик. Одним из таких инструментов, который доступен в Altium NEXUS, является Altium PDN Analyzer на основе технологий CST^® (компания Computer Simulation Technology).

PDN Analyzer доступен в качестве дополнительного программного модуля Altium, который интегрируется в пользовательский интерфейс Altium NEXUS для проведения анализа целостности питания по постоянному току проекта платы. Поскольку PDN Analyzer работает непосредственно в Altium NEXUS, нет необходимости в ручной трансляции данных и запуске отдельных приложений – достаточно открыть PDN Analyzer из редактора схемы или платы, задать желаемые параметры и запустить расчет. Результаты, полученные на основе 2D/3D-моделирования проводящей структуры платы, позволяют быстро провести оценочный анализ конструкции по сценарию «что если».

Интерфейс PDN Analyzer и пример платы Spirit Level, на котором показаны результаты расчета падения напряжения по постоянному току на верхнем слое платы в цепи GND

► См. информацию по установке и лицензированию дополнительного программного модуля PDN Analyzer.

PDN Analyzer версии 2.0

Первая версия PDN Analyzer version 1.x была значительно переработана в PDN Analyzer version 2.0, где был оптимизирован интерфейс, добавлен новый функционал и более широкие возможности для создания отчетов.

Улучшения PDN Analyzer включают в себя:

• Полностью переработанный интерфейс пользователя:
  • Более компактное расположение элементов интерфейса
  • Встроенный пакетный анализ
  • Поддержка возрастающей сложности цепи
  • Подробные таблицы с результатами расчета
• Одновременный расчет и связывание множества цепей
• Назначение напряжения цепи с помощью перекрестного поиска
• Поддержку множества источников
• Интеллектуальное моделирование регуляторов напряжения
• Создание HTML-отчетов с иллюстрациями
• Ограничения на силу/плотность тока трасс цепей, областей, переходных отверстий
• Модель последовательного элемента с параметром падения напряжения для диодов
• Возможности визуализации, в том числе:
  • Контуров напряжения
  • Направлений тока
  • Местоположения максимального значения параметра
• Измерение падения напряжения

На этой странице приведена информация с обзором основных принципов, применимых к анализу целостности питания, а также сведения по установке и лицензированию PDN Analyzer v2.0.

► См. Руководство по PDN Analyzer v2 на основе примера для получения информации о проведении расчета целостности питания в PDN Analyzer v2.0.

Основы целостности питания

По своей сути, проблема целостности питания по постоянному току (или проблема падения напряжения на активном сопротивлении) достаточно проста: сопротивление проводящего материала, обеспечивающего питание (трассы цепей, полигоны, слои и т.п.), потребляет мощность и напряжение, предназначенное для различных нагрузок. Логично заключить, что проблема падения напряжения усложняется по мере увеличения количества нагрузок на источнике.

Базовая блок-схема цепей питания и возвратных токов и приложенных нагрузок

На рисунке выше приведена простая блок-схема источника, цепей питания и возвратных токов (трассы цепей и плоскости), которые поставляют питание различным нагрузкам (запоминающие устройства, микроконтроллеры и т.п.). Обратите внимание, что все нагрузки связаны с одной цепью питания, от которой зависит доставка рабочего напряжения. Мы обычно считаем, что цепи питания и возвратных токов имеют нулевое сопротивление, что неверно, и из-за этого могут возникать проблемы. Поскольку часто применяются относительно высокие токи, даже малое сопротивление цепей питания и цепей возвратных токов может привести к высокому паразитному потреблению мощности (потерям) и падению напряжений.

Эффекты падения напряжения на активном сопротивлении

На рисунке выше проиллюстрирован пример, где может возникнуть проблема, если сопротивление цепей питания и возвратных токов не будет учтено должным образом. Даже если каждая из цепей имеет относительно низкое сопротивление 0,25 Ом, они вызовут падение напряжения с 5 до 4,5 В. Конструктор должен учесть это падение напряжения или изменить конструкцию для уменьшения негативного эффекта, чтобы обеспечить работоспособность устройства.

Тем не менее, кажется, что решить проблему легко – просто делаем цепи питания и возвратных токов короче или шире, чтобы уменьшить сопротивление, учитывая соотношение R = ρ * L/A, где:

• R – полное сопротивление области (трассы цепи или плоскости)
• ρ – удельное сопротивление проводящего материала (для меди ρ ≈ 1.7‌ мкОм*см)
• L – длина области
• A – площадь сечения области (ширина x толщина)

Исходя из этого, чем область короче, толще и шире, тем меньше ее сопротивление.

Тем не менее, сложность заключается в том, что широкие области отнимают пространство для трассировки сигнальных цепей и других цепей питания. Конструкция с правильно подобранными размерами областей питания и возвратных токов будет более компактной и будет использовать меньше слоев по сравнению с платой, где необоснованно используются слишком широкие плоскости и трассы. Таким образом, цель анализа целостности питания по постоянному току позволяет конструктору оценить области цепей питания и возвратных токов: они должны соответствовать требованиям, но при этом не быть слишком большими.

Также для падения напряжения на активном сопротивлении следует учесть тот факт, что потребляемая мощность составляет I2R, поэтому увеличение тока через сопротивление ведет к намного большему увеличению потребляемой мощности. Из-за этого могут возникнуть проблемы, связанные с перегревом, если величина областей цепей питания/обратных токов не достаточна для проходящего через них тока. Если обеспечить очень малое падение напряжения на этих областях, рассеиваемая на них мощность будет минимальной.

В экстремальном случае, когда сопротивление области достаточно высокое (область очень узкая и длинная) и через нее идет достаточно большой ток, она выступает в роли «предохранителя», который может оплавиться и вызвать сбой устройства и, возможно, привести к опасной ситуации. Стандарт IPC-2152 для определения допустимых нагрузок по току позволяет решить эту проблему, но в довольно пессимистических предположениях (например, рядом нет проводящего материала для отвода тепла), и конструктора часто применяют этот стандарт, допуская, например, лишь минимальное увеличение температуры. Хотя анализ целостности питания по постоянному току не заменяет собой стандарт IPC-2152 в качестве руководства для решения проблем повышенной температуры, он позволяет оценить, каким образом конструкция может быть оптимизирована благодаря анализу падения напряжения между источником и нагрузками и плотности тока в системе доставки питания. Оптимизированная конструкция выделяет меньше тепла и уменьшает вероятность возникновения проблем повышенной температуры.

Еще один аспект, который призван учесть анализ целостности питания по постоянному току, – это количество переходных отверстий в системе доставки питания. Эта проблема схожа с вопросом необходимого размера проводящих областей: при малом количестве переходных отверстий возникает большое падение напряжения и потеря мощности. С другой стороны, если переходных отверстий слишком много, они занимают пространство для трассировки других цепей. В частности, большое количество переходных отверстий в определенной цепи питания проходит через проводящие области на других слоях и, таким образом, уменьшает их сечение, что может вызвать проблемы с другими цепями питания. По аналогии с подбором правильных размеров проводящих областей, анализ напряжений на нагрузках позволяет определить необходимое количество и размеры переходных отверстий.

Наконец, важным преимуществом является симуляция крайнего варианта конструкции перед ее изготовлением для обеспечения ее оптимальности. Анализ целостности питания по постоянному току позволяет провести окончательную проверку того, что размер соединителей и регуляторов подобран правильно, например, в случае исключения или добавления нагрузок в процессе проектирования.

При отсутствии достоверных данных о падении напряжения в областях и переходных отверстиях цепей питания/возвратных токов, конструктор вынужден использовать избыточное количество проводящего материала на плате, увеличивать ее размеры и количество слоев. Altium PDN Analyzer позволяет получить точные данные о распределении питания в простой и понятной форме, что помогает конструктору спроектировать наиболее эффективную систему доставки питания.

Результаты расчетов можно использовать не только для верификации конструкции, но и для планирования проектирования эффективной доставки питания в будущих изделиях.

Помимо этого, PDN Analyzer обеспечивает следующие преимущества в процессе проектирования печатных плат по сравнению с маршрутом проектирования без выполнения анализа целостности питания по постоянному току:

• Надежность изделий – возможно убедиться в правильной работе отдельных источников, используемых в конструкции, с точки зрения соответствия функциональным требованиям уровней выходного напряжения, стабильности напряжения, токовой нагрузки на трассы цепей.
• Оптимальная топология платы – результатом анализа являются данные, позволяющие использовать пространство платы наиболее эффективным образом, а также легко обнаружить и исправить проблемные области с высокой плотностью тока.
• Знания – больше нет необходимости полагаться только на собственный опыт или приблизительные вычисления.

Симуляция в PDN Analyzer

В самой общей форме, конструкцию платы, которая будет являться объектом анализа целостности питания по постоянному току, можно разложить на источники напряжения и их нагрузки, которые соединены между собой проводящими областями различной формы и размеров.

Пример цепи из источника и нагрузки

Печатная плата с набором проводящих областей и трасс цепей

Интерфейс диалогового окна PDN Analyzer (Tools » PDN Analyzer) визуализирует цепь от источника к нагрузке. Приложение автоматически извлекает все физические и электрические данные (список соединений, устройства, области и т.п.) из активного проекта платы и передает их в расчетный модуль анализа целостности питания по постоянному току.

Интерфейс диалогового окна PDN Analyzer, где осуществляется настройка расчета целостности питания

Здесь источником напряжения является выход U1 (5В между контактами 3 и 2), а нагрузкой является заданный ток через RL (0,1А). После ввода начальных параметров через интерфейс (напряжения и токи источника/нагрузки и т.д.) и запуска симуляции, результаты расчета графически отображаются в редакторе платы в 2D- или 3D-режиме.

Результаты расчета падения напряжения для цепей PWR и GND (U1 к RL и RL к U1)

PDN Analyzer позволяет отобразить результаты расчета падения напряжения на активном сопротивлении (рисунок выше) или плотности тока (рисунок ниже) для соответствующих слоев платы.

Результаты расчета плотности тока для цепей PWR и GND (U1 к RL)

► См. Руководство PDN Analyzer v2 на примере с полным описанием использования PDN Analyzer и интерпретации его результатов.

Установка и лицензирование

Добавление приложения PDN Analyzer в Altium NEXUS осуществляется установкой дополнительного программного модуля PDN Analyzer. Функциональные возможности становятся доступными при использовании соответствующей лицензии.

Установка

Установка (и обновление) PDN Analyzer осуществляется на странице Extensions & Updates view, которую можно открыть через выпадающее меню пользователя в верхнем правом углу интерфейса пользователя Altium NEXUS ().

Переключитесь на вкладку Purchased страницы Extensions & Updates, найдите иконку PDN Analyzer и нажмите на соответствующую кнопку , чтобы загрузить и установить дополнительный программный модуль. Чтобы функциональные возможности PDN Analyzer стали доступными, необходимо перезапустить Altium NEXUS.

Иконка дополнительного программного модуля, перед установкой PDN Analyzer

После установки, дополнительный программный модуль появится на вкладке Installed страницы Extension & Updates. Функциональные возможности PDN Analyzer станут доступны из меню Tools » PDN Analyzer в Altium NEXUS, когда открыт документ схемы или платы проекта. Обратите внимание, что если нет соответствующей лицензии PDN Analyzer, появится соответствующее сообщение об ошибке – см. шаги по активации лицензии ниже.

► См. страницу Дополнительные программные модули Altium NEXUS, чтобы подробнее узнать об установке и управлении дополнительными программными модулями.

Лицензирование

PDN Analyzer можно лицензировать по любой стандартной схеме лицензирования Altium: активацией лицензии On-demand или Standalone через сервер лицензии Altium или через внутренний сервер лицензии PLS.

Чтобы найти лицензию, обслуживаемую порталом лицензирования Altium, откройте страницу License Management (выберите License Management в меню ) и в списке Available Licenses найдите лицензию PDN Analyzer powered by CST^® типа On-demand или Standalone. Выберите желаемую лицензию и нажмите Use, чтобы активировать лицензию дополнительного программного модуля PDN Analyzer.

Когда лицензия будет активирована, ее число используемых рабочих мест в столбце Assigned Seat Count будет увеличено, а в столбце Used будет обозначено 'Used by me' (Используется мной).

► См. страницу лицензирование Altium NEXUS, чтобы получить более подробную информацию по схемам лицензирования Altium.