Введение
Эффективность работы современных цифровых высокоскоростных узлов электронной техники в значительной степени зависит от топологии электрических цепей. Программный модуль PDN Analyzer 2.0, разработанный компанией Altium с применением математических алгоритмов компании CST, предназначен для моделирования цепей питания. PDN Analyzer 2.0 позволяет инженеру построить модель цепей питания на основе списка связей, действительной топологии печатной платы и её технологических параметров, а также знаний о характеристиках электронных компонентов и их рабочих режимах и выполнить исследование характеристик построенной модели.
Одной из задач проектирования печатной платы для современного высокоскоростного цифрового узла является обеспечение минимально возможного значения полного сопротивления ZPDS цепей питания и заземления [1]. Расчёт токов в слоях питания многослойных печатных плат (МПП) является нетривиальной задачей, а с учётом большого количества межслойных переходов и разделения цепей питания на домены сложной формы – практически невыполнимой без привлечения специальных технических средств.
Результатами некорректно разработанной топологии цепей питания могут являться:
- чрезмерное падение напряжения питания в моменты пиковых токов потребления, что приводит к появлению нестабильности формирования сигналов микросхемами;
- снижение надёжности печатной платы и изменение её электрических характеристик: изменение проводимости вследствие обугливания органических материалов печатной платы, ухудшение частотных характеристик вследствие деформации и расслоения, вызванных перегревом проводников, термоциклическое разрушение межслойных переходов, отслоение печатных проводников, плавление проводников;
- появление шумов в сигнальных цепях, наводимых цепями питания;
- появление сверхнормативного электромагнитного излучения, создаваемого функциональными частями цепей питания.
Решение первых двух проблем относят к задачам обеспечения целостности питания по постоянному току.
Возможности PDN Analyzer 2.0
Программный модуль PDN Analyzer 2.0 позволяет инженеру построить модель цепей питания проектируемого устройства и выполнить расчёт токовых нагрузок на элементы топологии печатной платы.
Результаты моделирования представляют собой цветную шкалу, наложенную на рисунок топологии печатной платы (см. рис. 1) и описывающую двухмерное распределение плотности тока (см. рис. 2) или разности электрических потенциалов в проводниках (см. рис. 3).
PDN Analyzer 2.0 позволяет выполнять [2]:
- одновременное моделирование нескольких вариантов эквивалентной схемы замещения цепей питания;
- анализ многосегментной модели цепей питания;
- анализ плотности тока и падения напряжения в проводниках цепей питания;
- анализ предельного допустимого тока для контактных площадок выводов элементов и переходных отверстий межслойных переходов;
- экспертизу нарушений граничных условий, определённых пользователем;
- визуализацию результатов моделирования в двух- и трёхмерном представлении;
- сохранение и загрузку модели цепей питания;
- формирование подробного отчёта в формате HTML.
PDN Analyzer 2.0 использует для своей работы информацию о перечне компонентов моделируемого устройства, списке цепей, рисунке топологии, структуре слоёв, загружая эти сведения из файла печатной платы. При этом в расчётах учитывается толщина меди. Дополнительно пользователь должен ввести информацию о технологических параметрах печатной платы, структуре цепей питания, токах потребления и электрических характеристиках электронных компонентов.
Таким образом, наиболее трудоёмкие части задачи сбора сведений реализуются системой, а пользователю предоставляется творческая часть работы – описание модели цепей питания.
Пример анализа целостности питания по постоянному току
Проиллюстрируем возможности программы двумя практическими примерами. В первом примере демонстрируется точность расчётов, выполняемых PDN Analyzer 2.0 при работе с многослойной печатной платой (см. рис. 4).
Информация о МПП извлекается из стека слоёв (см. рис. 5).
Источником постоянного напряжения 5 В служит соединитель X1, а потребителем тока – соединитель X2 с током нагрузки 1 А (см. рис. 6).
Сравним аналитический расчёт плотности тока с результатами симуляции. Плотность тока вычисляется по формуле:
где I – ток, w – ширина проводника, d – толщина слоя меди.
Характеристики участков цепей и результаты аналитического расчёта приведены в таблице.
Результаты расчёта плотности тока с помощью PDN Analyzer 2.0 на тех же участках цепей приведены на рисунке 7, точки измерения отмечены круговым маркером. При этом для каждого участка точка измерения выбиралась в стационарной точке функции распределения плотности тока по проводнику. Легко заметить, что результаты аналитического расчёта и расчёта в PDN Analyzer 2.0 хорошо согласуются между собой.
Математическое ядро PDN Analyzer 2.0 корректно выполняет вычисление плотности тока для двух параллельных участков. В качестве проверки данного утверждения выполним расчёт полного тока для топологического рисунка, содержащего два параллельных участка для протекания тока (см. рис. 8), исходя из сведений о плотности тока в каждом из двух параллельных участков, по формуле:
где J1 – плотность тока на первом участке, w1 – ширина проводника на первом участке, d1 – толщина проводящего слоя на первом участке, J2 – плотность тока на втором участке, w2 – ширина проводника на втором участке, d2 – толщина проводящего слоя на втором участке.
Воспользуемся вычисленными значениями плотности тока (см. рис. 9), сведениями из стека слоёв (см. таблицу) и сведениями о ширине проводников w1=w2=0,25 мм.
Вычисленное значение полного тока составляет:
I=0,302925+0,697125=1,00005 А.
Полученный результат согласуется с фактическим значением полного тока цепи 1 А.
Во втором примере рассматривается моделирование многосегментной цепи питания с разделением сегментов линейными регуляторами постоянного напряжения. В данной задаче применялись полигоны сложной формы с различными способами заполнения (см. рис. 10, 11). Распределение плотности тока в возвратной цепи при различных способах заливки полигонов питания должно различаться, что подтверждается результатами моделирования. Таким образом, программный модуль PDN Analyzer 2.0 способен эффективно работать с участками топологии сложных форм. Наилучшая производительность модуля достигается при его использовании совместно с Altium Designer 18.0.
Заключение
Компания Altium непрерывно работает над совершенствованием Altium Designer, предоставляя разработчикам интуитивно понятные и одновременно мощные инструменты инженерного анализа. Дополнительный программный модуль PDN Analyzer позволяет разработчикам проводить анализ целостности питания по постоянному току в сквозном цикле проектирования без привлечения внешних программных средств. Это обеспечивает целостность проектных данных и высокую точность результатов анализа цепей питания.
Литература
- Кечиев Л.Н. Проектирование печатных плат для цифровой быстродействующей аппаратуры. – М.: ООО «Группа ИДТ», 2007. – 616 с.
- PDN Analyzer Features: http://www.altium.com/pdna/features.php
Если вам понравился материал, кликните значок — вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал —не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!
