Simulationsgesteuertes Design kann die Signalprobleme Ihrer Leiterplatte und mehr lösen

Wenn Sie in der Elektronikindustrie oder in der Forschung arbeiten, besteht die Chance, dass Simulationen ein regelmäßiger Teil Ihres Lebens sind. Einfachere Systeme können mit Intuition entworfen und nach Abschluss der Entwürfe simuliert werden, aber fortgeschrittenere Systeme, die mit hohen Frequenzen oder sehr hohen Datenraten arbeiten, benötigen eine Qualifizierung vor und nachdem das PCB-Layout abgeschlossen ist. Simulationssoftware muss bei vielen fortgeschrittenen Systemen eine prominentere Rolle im PCB-Design einnehmen.

Leider sind viele Simulationswerkzeuge für die meisten Designer nicht so intuitiv, da sie nicht für die Nutzung durch PCB-Designsoftware-Anwender entwickelt wurden. Die Zeiten ändern sich jedoch, und diese Systeme werden in Bezug auf die Benutzerfreundlichkeit immer besser, aber ihr Einsatz im Designprozess ist es, was Simulationswerkzeuge so mächtig macht.

Was bei PCB-Simulationen zu untersuchen ist

Das simulationsgesteuerte Design für Elektronik beginnt mit der Schaffung einer Schnittstelle zwischen Ihren Designtools, dem Datenmanagement-System und den Simulationsanwendungen. Die heutigen professionellen Elektronik-Designteams sind multifunktional mit Erfahrungen, die sich über die elektrischen, mechanischen, thermischen und Zuverlässigkeitsdisziplinen erstrecken. Designteams benötigen Systeme, die ihnen helfen, physische Design-Daten schnell zu teilen, Simulationsmodelle zu exportieren und Designbewertungssimulationen durchzuführen.

Der simulationsgesteuerte Designprozess für PCBs umfasst drei breite Bereiche und folgt einem bestimmten Prozess:

1. Schaltungssimulationen
2. Platinen-Simulationen
3. Montagesimulationen

Der Prozess ist iterativ, weshalb ich Pfeile zeichne, die auf vorherige Schritte zurückzeigen. Jedes Problem, das in den Ergebnissen der Schaltungssimulation identifiziert wird, kann Sie dazu zwingen, in die Schaltpläne zurückzugehen und Ihre Schaltungsentwürfe zu ändern. In der Phase der PCB-Simulation können die Ergebnisse erforderliche Änderungen in der Schaltung, dem PCB-Layout oder beidem anzeigen. Dies kann bei EMI-Simulationen, SI/PI und thermischen Simulationen der Fall sein; all diese Ergebnisse können erforderliche Änderungen in Ihren Schaltungen anzeigen, was Sie dann dazu zwingen kann, Änderungen am PCB-Layout vorzunehmen.

Schaltungssimulationen (einschließlich Übertragungsleitungen!)

SPICE-Anwender wissen alles über Schaltungssimulationen. Ein breites Spektrum wichtigen Verhaltens kann in SPICE-Simulationen untersucht und bewertet werden, sowohl im Zeit- als auch im Frequenzbereich. SPICE-Simulationen sind das Rückgrat der Schaltungsentwickler, und die grundlegende

• Bestimmen, ob analoge und Leistungsschaltungen die beabsichtigte Funktionalität bieten
• Verwenden Sie Leistungserwartungen in Schaltungen für spätere Simulationen
• Überprüfen Sie Komponententoleranzen bei Präzisionsschaltungen
• Überprüfen Sie die Speziallogikfunktionalität in einem phänomenologischen Logikschaltkreis

Alle diese Aufgaben können in SPICE-Simulationen durchgeführt werden, solange Modelldefinitionen für Komponenten verfügbar sind. Jeder der oben aufgeführten Bereiche könnte Platz für einen eigenen Artikel beanspruchen, daher werde ich hier nicht auf diese Punkte eingehen.

Systeme, die digitale Signalintegrität oder RF-Signalsimulationen auf der Schaltungs- oder Schematikebene erfordern, tendieren dazu, viel fortgeschrittener zu sein und sie benötigen ein äquivalentes Schaltungsmodell oder ein lineares Netzwerk, das das Verhalten dieser Struktur definiert. Simulationen mit diesen Strukturen in Ihren Schaltungen verwenden Netzwerkparameter, typischerweise ABCD-Parameter oder einen anderen Satz linearer Netzwerkparameter, der einfaches Kaskadieren zwischen linearen Komponenten ermöglicht.

1. Entwerfen Sie eine Kandidaten-Übertragungsleitung oder RF-Struktur auf Ihrem beabsichtigten Stackup
2. Simulieren Sie deren Leistung, typischerweise unter Verwendung von S-Parametern oder Übertragungsfunktionen
3. Iterieren Sie das Design, um Leistungsziele zu maximieren
4. Sobald die Leistung akzeptabel ist, extrahieren Sie ein lineares Netzwerkmodell oder ein äquivalentes Schaltungsmodell
5. Verwenden Sie das extrahierte Modell in Ihren SPICE-Simulationen mit Ihren anderen Komponenten

Lineare Netzwerkmodelle für diese Strukturen können mit einem Simulationsprogramm wie Keysight PathWave ADS, Simbeor, Ansys oder CST Microwave extrahiert werden. Ein Beispiel für ein extrahiertes lineares Netzwerk, das aus einem Paketdesign auf einer PCB bestimmt wurde, ist unten dargestellt.

Extrahiertes lineares Netzwerk für zwei Komponentenpakete und deren Verbindung auf einer Leiterplatte. Bild mit freundlicher Genehmigung von Simberian.

Sobald dieses lineare Netzwerk oder der entsprechende extrahierte Schaltkreis in Ihren Schaltungssimulator übertragen wurde, können Sie die Leistung Ihres beabsichtigten Verbindungsdesigns simulieren. Dieser Typ von Simulationsprozess ist ein Standardansatz, um das Verhalten von Verbindungen auf schnellen digitalen Bussen, wie DDR, PCIe, MIPI-Standards usw., zu verstehen. Sobald das beabsichtigte Design qualifiziert ist, können Sie dies in Ihrem PCB-Layout zusammen mit Ihren anderen Komponenten verwenden.

Schaltungssimulationen gehen von einer perfekten Welt aus, in der eine Schaltung von allen anderen Schaltungen isoliert ist. Reale Effekte, die Lärm, Signalverkopplung/-übersprechen und abgestrahlte/geleitete Emissionen betreffen, müssen auf der PCB-Ebene bestimmt werden, sobald das Layout abgeschlossen ist.

Simulationen auf Platinenebene

Nachdem das PCB-Layout abgeschlossen ist, werden Simulationen auf Platinenebene durchgeführt, um wichtige Verbindungen, Leistung, EMI/EMC und Temperatur zu bewerten. Nicht alle Teile der Leiterplatte müssen simuliert werden; die wichtigsten Schaltungen, die in den Schaltungssimulationen untersucht wurden, sollten auch in den Post-Layout-Simulationen untersucht werden, wo dies möglich ist. Zum Beispiel könnte dies umfassen:

• Signalintegrität: MoM/BEM-Simulationen zur Impedanzverifizierung und Extraktion von Netzwerkparametern, BER-Simulationen in Hochgeschwindigkeitskanälen, Reflexions- und Übersprechwellenformen
• Leistungsintegrität: PDN-Impedanzextraktion, transientes Modellieren, Stromdichtemapping, mit Scannen von DC bis zu GHz-Frequenzen
• EMI-Analyse: Nahfeld- und Fernfeldstrahlung von Hochgeschwindigkeits-/Hochfrequenz-Verbindungen, EMI von Transienten, Abschirmungseffektivität und EMI-Empfindlichkeit können untersucht werden
• Thermische Simulationen: Temperaturverteilung aufgrund von Joulescher Wärme von Hochleistungskomponenten und Wärme von externen Quellen, natürliche und erzwungene Konvektion, thermische Leitfähigkeitsmapping

Die Liste der spezifischen Board-Level-Simulationen, die durchgeführt werden könnten, ist ziemlich lang, aber die Ziele sind immer dieselben: sicherstellen, dass die Platzierung von Teilen und die Gestaltung von Verbindungen im PCB-Layout die Leistung Ihres Systems, wie sie in Schaltungssimulationen qualifiziert wurde, nicht beeinträchtigen. Es ist wichtig, die Ergebnisse vor und nach dem Layout zu vergleichen, um sicherzustellen, dass das Gerät nicht stark durch die Elemente beeinflusst wird, die in das PCB-Layout eingefügt wurden.

Viel Zeit wird auf die Signalintegrität verwendet, und dieser Bereich des Designs erhält typischerweise große Aufmerksamkeit. Hier sind Beispiele für Simulationsergebnisse, die Sie aus Ihrem Altium PCB-Layout generieren können:

• Identifizierung von Nahfeld-EMI im Stromverteilungsnetzwerk eines PCB
• Analysieren von Übersprechen bei FIFO- und DDR4-Parallelbus-Schnittstellen
• Erkennen von Impedanzverletzungen bei DDR4 in Hochgeschwindigkeits-PCB-Designs

Vergleiche von Augendiagrammen, S-Parameter-Simulationen und Impedanzberechnungen sind einige der Hauptwerkzeuge, die zur Qualifizierung von Verbindungen für die digitale Signalintegrität verwendet werden.

Andere Bereiche, in denen Post-Layout-Simulationen auf PCB-Ebene sehr wichtig sind, sind die Leistungsintegrität und die thermische Integrität, die beide jeweils mit Funktionalität und Zuverlässigkeit zusammenhängen. Allerdings können sich die Dinge noch einmal ändern, sobald das Design in seine fertige Montage und die vorgesehene Gehäuse-/Verpackungskonfiguration gebracht wird. Hier ist die Zusammenarbeit mit einer anderen Gruppe von Simulationstechnikern erforderlich, um die mechanische und thermische Leistung sowie das Potenzial für EMC-Ausfälle zu qualifizieren.

Montage-Simulationen

Nachdem das Board vollständig montiert ist, können sich die thermischen Anforderungen etwas ändern, und das Board muss möglicherweise mechanisch qualifiziert werden, um seine Zuverlässigkeit, Stoßfestigkeit oder Vibrationsfestigkeit zu gewährleisten. Dies sind nur einige Beispiele für die mechanischen Punkte, die in einer fertigen Montage untersucht werden müssen.

• Mechanische Simulationen: Spannungsverteilung, die aufgrund mechanischer Schocks, Biegung, Vibration und Falltests zum Versagen führt
• Zuverlässigkeit und Lebensdauer: Ausfallwahrscheinlichkeit aufgrund von thermischen Zyklen, thermisch/mechanischen Schocks, Feuchtigkeitseintritt und Vibrationsmüdigkeit; Bewertung gegenüber Industriezuverlässigkeitsstandards
• Luftstrom und Wärmeableitung: Im Gehäuse muss der Luftstrom typischerweise einem bestimmten Pfad folgen, und das Gehäuse kann den Wärmefluss von den Kernkomponenten des Geräts weg beeinflussen

Diese Aspekte der Qualifizierung einer Baugruppe werden mit fortschrittlicheren Feldlösern durchgeführt und beziehen sich nicht direkt auf Ihre PCB-Design- und Layout-Software. Das PCB-Design-Tool, das Sie verwenden, sollte eine kompatible mechanische oder elektromechanische Exportdatei bereitstellen, die in Ihrer Feldlöser-Anwendung verwendet werden kann.

Für Luftstromsimulationen wird eine CFD-Thermal-Ko-Simulationsanwendung benötigt, und dies wird typischerweise von einem Multiphysik-Spezialisten durchgeführt. Ein Beispiel, das die fertige Baugruppe umfasst, komplett mit

EMI/EMC wird auch durch die Anwesenheit eines Gehäuses und mechanischer Elemente im Produkt beeinflusst, daher lohnt es sich, auch diese Punkte zu simulieren. Dies beinhaltet erneut einen 3D-elektromagnetischen Feldlöser, der die Maxwell-Gleichungen innerhalb Ihrer Baugruppe lösen kann, und dieser Prozess erfordert eine gewisse Spezialisierung, um sicherzustellen, dass die Endergebnisse genau sind. Dies ist nützlich als eine Form der Qualifikation, bevor die Produkt-Vorabkonformitätstests durchgeführt werden, und es könnte Ihnen helfen zu untersuchen, ob vor der Finalisierung eines Designs zusätzliche Abschirmmaßnahmen auf Baugruppenebene implementiert werden sollten.

Testen Sie immer Ihre Simulationen und Ihr Design!

Das "Testen" einer Simulation beinhaltet die Quantifizierung der Simulationseinstellungen gegenüber einem bekannten, korrekten Modell oder Struktur. Wenn Sie beispielsweise ein Referenzmodell und eine Struktur haben, die ähnlich dem Gerät ist, das Sie entwerfen, und Sie die Leistung aus Test und Messung kennen, können Sie dies nutzen, um die Genauigkeit Ihres Simulationsansatzes und der Konfigurationseinstellungen (Netzstil, Auflösung usw.) in Ihrer Simulationsanwendung zu qualifizieren. Das Ziel hier ist es, Garbage-in Garbage-out (GIGO) zu vermeiden, wo die Simulationsergebnisse mathematisch korrekt sind, aber sie spiegeln nicht genau Ihr spezifisches Design wider.

Der nächste Punkt mag offensichtlich klingen, aber eine gründliche Qualifizierung und Prüfung ist weit mehr als nur das Einschalten des Geräts, um zu sehen, ob es funktioniert. Wenn es eine Leistungsmetrik gibt, die Sie im Design simuliert haben, sollte diese auch in Tests untersucht und, wenn möglich, gemessen werden. Der Grund ist einfach: Manchmal erfassen Simulationen nicht (oder können nicht erfassen) die spezifische Situation in Ihrem Layout und Ihrer Montage. Es besteht auch die Möglichkeit, dass die Simulation unter dem GIGO-Problem gelitten hat. Das GIGO-Problem ist bei Simulationen sehr real, und deshalb müssen Simulationswerkzeuge gegen eine bekannte gute Referenz qualifiziert werden, bevor sie auf ein neues Design angewendet werden.

Altium Designer beinhaltet eine Vielzahl von fortschrittlichen Design- und Simulationswerkzeugen, die Ihnen helfen können, SI/PI/EMI-Probleme zu diagnostizieren und zu vermeiden, und Sie können Ihr Design problemlos an Simulationsingenieure weitergeben, die fortschrittlichere Feldlöser verwenden. Dies bietet Ihnen einen umfassenden Ansatz für simulationsgesteuertes Design, der sonst nirgendwo verfügbar ist. Jetzt können Sie eine kostenlose Testversion herunterladen und herausfinden, ob Altium Designer das Richtige für Sie ist. Um mehr darüber zu erfahren, welche großartigen Vorteile simulationsgesteuertes Design Ihnen bieten kann, sprechen Sie noch heute mit einem Altium-Experten.