Der Vorteil der PDN-Analyse während des Designs
Wie stellen Sie derzeit sicher, dass die verwendeten Kupferquerschnitte von den Spannungsquellen bis zu Ihrem PCB ausreichen? Stimmt der Spannungsbereich auf den einzelnen Lagen, damit die Verbraucher nicht unterversorgt sind? Beim typischen PCB Designprozess werden diese Fragen häufig gar nicht beantwortet und Entwickler verlassen sich lieber auf eine Reihe etablierter Standards, um innerhalb eines bestimmten Bereichs zu bleiben; in der Hoffnung, auf diese Weise Probleme mit der Versorgung zu vermeiden. Vertraut man auf solche Vermutungen, drohen katastrophale Ausfälle, die die Zuverlässigkeit Ihres Produkts und Ihren Ruf gefährden, wenn die Probleme auch in einem Prototyp nicht entdeckt werden.
Mit zunehmender Komplexität und Dichte von digitalen Leiterplatten-Designs muss der Designer genau wissen, wie sich bestimmte Eigenschaften eines Design auf die Spannungs- und Stromleistung des Versorgungsnetzwerks (auch PDN für „Power Distribution Network“) auswirken. Anstatt Probleme mit der Versorgung erst nach der Fertigstellung des Designs festzustellen und dann nachträglich mithilfe eines hergestellten Prototypen zu beheben, müssen PCB-Designer solche Probleme heutzutage bereits während des Design-Prozesses erkennen und lösen.
Mit dem PDN-Analyzer powered by CST®, der im Altium Designer® eingebunden ist, haben wir den Prozess der PI-DC-Analyse für jeden PCB-Designer – unabhängig von dessen Erfahrungs- und Kenntnisstand – anwenderfreundlich und intuitiv gestaltet. In diesem praktischen Leitfaden zeigen wir Ihnen Schritt für Schritt das Aufsetzen des Altium PDN-Analyzers. So können Sie Ihr PDN in Zukunft während des Designprozesses optimieren, ohne sich jemals wieder auf einen gefertigten Prototypen angewiesen zu sein.
Benutzerleitfaden für die PI-DC-Analyse
Bei jedem Design muss der entsprechende Strombedarf der Chips auf dem Board berücksichtigt werden. Der entscheidende Schritt dabei ist der richtige Kupferquerschnitt für die DC-Stromversorgung. Wird der Bedarf weder geprüft noch optimiert, kann es aufgrund eines hohen Widerstands im Kupfer zu Spannungsabfällen kommen und für die Verbraucher nicht mehr zur Verfügung stehen.
PI-DC-Analyse: Blockschaltbild einfacher Versorgungs- und Massestrukturen
Die Abbildung weiter oben zeigt ein einfaches Blockschaltbild der Versorgungsquelle und Massestrukturen (Leiterbahnen und Ebenen), welche die zahlreichen Verbraucher (Memory, Mikrocontroller etc) mit Strom versorgen. Bitte beachten Sie, dass alle Verbraucher mit den gleichen Versorgungs- und Massestrukturen verbunden sind und davon abhängig sind, dass diese Strukturen sie mit Betriebsstrom versorgen. Allgemein tendieren wir zur Annahme, dass diese Versorgungs- und Massestrukturen über null Ohm Widerstand verfügen, was niemals der Wahrheit entsprecht, sodass diese Annahme zu Problemen führen kann. Da hier relativ große Stromstärken beteiligt sind, können selbst geringe Widerstände in den Versorgungs- und Massestrukturen für einen erheblichen Stromverbrauch und Spannungsabfall sorgen.
Vorteile einer PI-DC-Analyse: Darstellung des Spannungsabfalls zwischen einer Versorgungsquelle und einem Verbraucher
Die oben angezeigte Abbildung stellt ein Beispiel für die Probleme dar, die auftreten können, wenn der Widerstand der Versorgungs- und Massestrukturen nicht ordnungsgemäß berücksichtigt wird. Obwohl jede dieser Strukturen einen relativ geringen Widerstand von nur 0,25 Ohm aufweist, verursachen sie am Verbraucher einen Spannungsabfall von 5V auf 4,5V. Der Designer des Platinenlayouts sollte sich über diesen Abfall bewusst sein und dafür sorgen, dass dieser mithilfe von Designtools ausgeglichen werden kann. Oder man ändert das Design, um ihn einzudämmen, damit es nicht zu Störungen im Feld kommt.
Auf den ersten Blick gibt es dafür eine offensichtlich simple Lösung: Dimensionieren Sie Ihre Versorgungs- und Massestrukturen einfach kurz oder groß genug, sodass sie nur einen unbedeutenden Widerstand bilden, indem Sie die folgende Formel verwenden: R = ρ * L/A, wenn:
Wenn Sie Ihre Versorgungs- und Massestrukturen kurz, dick und breit dimensionieren, minimieren Sie deren Widerstand. Allerdings gibt es bei dieser Vorgehensweise eine Schwierigkeit, da überaus große Strukturen ziemlich viel wertvolle Fläche für das Routing beanspruchen und so den Platz für andere Versorgungsstrukturen begrenzen. Ein Design für Versorgungs- und Massestrukturen in der richtigen Größe ist kompakter und braucht weniger Lagen als eines, das willkürlich überdimensionierte Strukturen verwendet. Die PI-DC-Analyse hat das Ziel, den Designer darüber zu informieren, ob seine Versorgungs- und Massestrukturen adäquat und nicht überdimensioniert sind.
Eine weitere Überlegung in Bezug auf den Spannungsabfall besteht aus der Tatsache, dass der verbrauchte Strom der Beziehung I2R folgt und ein geringer Anstieg der Stromstärke durch einen Widerstand zu einer enormen Steigerung des Stromverbrauchs führt. Dies zeigt sich dann in Form geringer Batterielaufzeit oder durch ein auffälliges Aufheizen des Designs, wenn die Versorgungs- und Massestrukturen nicht groß genug sind, um die durch sie verlaufende Stromstärke zu verarbeiten. Wenn man für einen sehr geringen Spannungsabfall in den Versorgungs- und Massestrukturen sorgt, wird der Stromverbrauch in diesen Strukturen eingeschränkt.
Wenn eine Struktur widerstandsfähig genug ist (sehr schmal und lang) und über genug durchfließende Stromstärke verfügt, kann diese Struktur im Extremfall zu einer Sicherung werden, die Kupferform schmelzen, zu Störungen am Design führen und möglicherweise eine gefährliche Situation herbeiführen. IPC-2152 beschäftigt sich mit diesem Problem, allerdings mit pessimistischen Annahmen (beispielsweise kein thermisch leitfähiges Kupfer in der Nähe), und Designer verwenden diese Spezifizierung häufig mit den geläufigsten Annahmen wie zum Beispiel dem erlaubten Mindesttemperaturanstieg.
PI-DC kann IPC-2152 zwar nicht als Richtlinie für Thermik ersetzen, es bietet jedoch einen wertvollen Einblick darin, wie Elektronikdesigns sicher durch das Erforschen von Spannungsabfällen und Stromdichten des Stromversorgungssystems eines PCB optimiert werden können. Ein Design, das für die geringsten Stromdichten und Spannungsabfälle zwischen den Quellen und Verbrauchern optimiert wurde, generiert auch weniger Hitze und reduziert damit die Wahrscheinlichkeit von Thermikproblemen.
Ein weiterer Aspekt, um den sich die PI-DC-Analyse kümmert, ist die Anzahl an Durchkontaktierungen für die Stromversorgung. Das Problem ist ähnlich wie beim Finden der richtigen Größe für die Kupferstrukturen. Sind zu wenige Durchkontaktierungen vorhanden, geht Spannung verloren und Strom wird aufgrund von Spannungsabfällen verschwendet. Werden hingegen zu viele Durchkontaktierungen verwendet, vergeudet man wertvolle Routing-Fläche. Verwendet man zudem zu viele Durchkontaktierungen für eine bestimmte Spannung, perforieren diese Durchkontaktierungen die Strukturen auf anderen Lagen, wodurch sich deren Kupferquerschnitt reduziert und es zu Problemen bei anderen Spannungen kommt. Ähnlich wie bei der Dimensionierung der Kupferstruktur lässt sich durch die PI-DC-Analyse der Spannung beim Verbraucher die richtige Größe und/oder Anzahl an Durchkontaktierungen finden.
Wenn zuverlässige Daten zum Spannungsabfall durch die verschiedenen Versorgungs- und Massestrukturen und Durchkontaktierungen fehlen, ist der Designer zu herkömmlichen Maßnahmen gezwungen, was bedeutet, dass er exzessive Ebenenstrukturen und Durchkontaktierungen verwendet, die wertvolles Designvermögen verbrauchen und Lagen sowie Designformfaktoren steigern. Der PDN-Analyzer bietet präzise Informationen zu den DC-Spannungsversorgungskapazitäten eines Designs auf eine nutzerfreundliche, direkte und schnelle Weise, die es Designern ermöglicht, die möglichst effizientesten Spannungsversorgungsdesigns zu erstellen.
Die Ergebnisse eignen sich nicht nur für die finale Verifizierung des Designs, sondern können auch für die Layout-Planungsphasen eines Designs verwendet werden, um die Spannungsversorgung so effizient wie möglich zu gestalten. Eine PI-DC-Analyse ist ein unschätzbares Werkzeug, um das effizienteste und stabilste Spannungsversorgungssystem überhaupt zu entwerfen. Der PDN-Analyzer sorgt dafür, dass sich dieses Werkzeug unkompliziert, intuitiv und effizient verwenden lässt.
Der PDN-Analyzer wird von Altium Designer unterstützt und benötigt ein 64-bit Windows Betriebssystem. Um zu verifizieren, dass eine Erweiterung für den PDN Analyzer installiert wurde, befolgen Sie bitte die folgenden Schritte:
Prüfung der Installation von PDN Analyzer für die PI-DC-Analyse
Wenn der PDN Analyzer nicht installiert ist, führen Sie bitte die folgenden Schritte durch:
Bitte beachten Sie, dass für PDN Analyzer eine separate Lizenz zusätzlich zu Ihrer aktiven Altium Designer-Lizenz benötigt wird. So erhalten Sie die Lizenz für den PDN Analyzer:
Aktivierung einer PDN-Analyzer-Lizenz im Altium Designer für die PI-DC-Analyse
Nach der Installation und Aktivierung des PDN-Analyzers können wir nun mit der Konfiguration der Benutzeroberfläche beginnen und Ihre erste Analyse durchführen sowie die Ergebnisse betrachten.
Konfiguration der Analyse
Die Konfiguration der Analyse ist mit PDN Analyzer ganz einfach. Der Konfigurationsprozess lässt sich in vier simplen Schritten zusammenfassen:
Der gesamte Konfigurationsaufbau kann in einer Konfigurationsdatei gespeichert und jederzeit neu geladen werden. Bitte beachten Sie, dass jede Analyse auf einer einzelnen Versorgungsleitung pro Simulation erfolgt. Für die Analyse mehrerer DC-Versorgungsleitungen muss man verschiedene Installationen in einzelnen Konfigurationsdateien definieren und speichern. Im Anschluss können Sie alle benötigten Stromversorgungsnetze individuell analysieren. Wenn wichtige Eigenschaften nicht oder falsch definiert sind, wird eine Fehlermeldung angezeigt, welche den Ablauf der Simulation unterbricht.
Durchführung der PI-DC-Analyse
Wenn Sie Ihre PCB-Materialkonfiguration erfolgreich definiert haben, erscheint die Mitteilung Ready to Simulate, woraufhin Sie eine DC-Analyse durchführen können. Die Analyseeinheit berechnet den DC-Widerstand über dem gesamten Pfad der Kupferobjekte. Die Versorgungsquellen- und Massepins werden mit allen Strombelastungs- und Massepins verbunden. Der daraus entstehende DC-Spannungsabfall wird anschließend angezeigt, damit der Nutzer die Integrität des Stromversorgungsnetzes festlegen kann. Die Laufzeit der Analyse variiert je nach Größe und Komplexität des Designs.
Anzeige der PI-DC-Analyseergebnisse
Wenn die Designanalyse abgeschlossen ist, werden die grafischen Ergebnisse auf den physischen Kupferobjekten des analysierten Netzes vermerkt und können in einer 2D oder 3D Ansicht angezeigt werden. Die Ansicht der grafischen Ergebnisse von Ground Net, Power Nets und PCB Layers kann individuell eingeschaltet werden, damit Sie jeden Bereich Ihres PDN genau bestimmen können.
VERWENDUNG DER ANZEIGEFILTER
SPANNUNGSMODUS:
Diese Anzeige verwendet einen farblich dargestellten Wertebereich, der die minimale bis maximale berechnete DC-Spannung für bestimmte Punkte in Kupferstrukturen widerspiegelt.
Anzeigefilter Spannungsmodus während der PI-DC-Analyse
Stromdichtemodus innerhalb der PI-DC-Analyse:
Die Anzeige vermerkt eine Reihe von Werten mit Farbcodierung, die eine Minimal- bis Maximalstromdichte als Strom (uA, mA oder A) pro Bereich (Quadratmils, Quadratmm oder Quadratmeter) widerspiegelt. Dies hilft bei der Festlegung, wo die Breite/der Bereich einer Kupferleiterbahn, Polygon oder Ebene verändert werden muss, um eine optimale Stromverteilung zu erreichen.
Anzeigefilter Stromdichtemodus
Hinweis: Die Werte für den Modus Voltage oder Current Density eines bestimmten Punkts im Kupfer lassen sich als Textwert anzeigen, wenn Sie im Ergebnisfenster Probe value auswählen und auf die gewünschte Stelle klicken.
Für die Beispiele in diesem Kapitel werden wir das SpiritLevel Design verwenden. Diese Dateien befinden sich standardmäßig im Beispielordner Ihres Altium Designer Installationsordners: C:\Users\Public\Documents\Altium\ADxx\Examples\SpiritLevel-SL1
Wir fokussieren uns auf die folgenden Beispiele:
Beispielprojekt 1: VCCINT (1,8 V) von U4 zu U1
Beispielprojekt 2: VCCO (3,3 V) von U3 zu U1
Beispielprojekt 3: PWR_IN (5 V) von J1 durch F1 und S1 zu U3, U4 und weiteren Verbrauchern
Beispiel 1 Aufbau: VCCINT (1,8 V) Start der PI-DC-Analyse
Die Benutzeroberfläche des PDN-Analyzers
Die unten aufgeführten Optionen bieten einen kurzen Überblick über die Einstellungen, die Sie auf der Oberfläche des PDN-Analyzers finden. Wenn einige dieser Elemente nicht sichtbar sind, müssen Sie die Größe des Fensters ändern. Elemente mit einem ausgegrauten Hintergrund und einem blassen Text können noch nicht bearbeitet werden, weil vorher erst noch weitere Informationen eingegeben werden müssen. Elemente mit kräftigen Schattierungen und klarem Text können nach Bedarf bearbeitet werden.
Verifizierung des Ground Signals