Análisis rápido de PDN en una PCB de controlador de motor

Anteriormente, publiqué sobre diseñar un controlador simple para motor de corriente continua con escobillas utilizando un único circuito integrado. Aunque es una placa relativamente simple, todavía estará transfiriendo una corriente máxima de 4 amperios si ambos motores funcionan con la corriente nominal completa por canal del controlador. Para una placa tan simple como esta, simplemente podrías mirar la longitud y el ancho de las pistas y usar una calculadora en línea (o un poco de matemáticas) para calcular las densidades de corriente en las pistas y ver cómo se comportarían bajo la carga. Sin embargo, para placas más complejas, esto puede volverse bastante tedioso muy rápidamente. Si tienes vertidos de polígonos que llevan corriente, una mezcla de anchuras de pistas, componentes a lo largo de la pista u otras características complejas de PCB, se vuelve más difícil calcular si la placa será suficiente para la tarea en cuestión.

Ser capaz de visualizar la densidad de corriente en una capa de cobre te ayuda a tomar decisiones de diseño más óptimas.

Esto es lo que realmente me encanta de PDN Analyzer: requiere un poco de trabajo configurarlo para una placa compleja, pero una vez que lo has hecho, brilla espectacularmente al permitirte optimizar tu placa de circuito para las corrientes y voltajes en ella. Incluso si es solo para alimentar un microcontrolador o un FPGA, puedes usar PDN Analyzer para visualizar rápidamente dónde las densidades de corriente son demasiado altas, o la caída de voltaje en una pista supera tus márgenes. Para los stakeholders menos técnicos, también te permite crear rápidamente un mapa visual de la placa de circuito para resaltar problemas potenciales, permitiéndote ver por qué podrías necesitar ajustar las especificaciones un poco (quizás dándote más espacio en la placa) para asegurar que la placa funcione como se espera.

Si eres nuevo en PDN Analyzer, quería crear una placa que pudieras descargar y seguir para configurar la red de alimentación y mirar el análisis como una forma de aprender a usar la herramienta. La documentación de Altium contiene varios ejemplos de inicio, sin embargo, el proyecto de controlador de motor que construí es mucho más simple y te permite configurar rápidamente la red de alimentación para cada red en la placa, lo que espero te permita comenzar mucho más rápido si tienes poco tiempo. También está la guía completa de inicio para PDN Analyzer que incluye la instalación y licencia. Finalmente, también puedes consultar la documentación de PDN Analyzer.

Configuración

Antes de iniciar PDN Analyzer, te sugiero que primero agregues nombres de red a cualquier red a la que harás referencia en el diseño de la red de alimentación. Esto hace que sean mucho más fáciles de encontrar, en lugar de tener que depender de identificar una red con un nombre como ¡IC2_2!

El esquemático del circuito del controlador del motor como se muestra en Altium Designer

Cuando abras el analizador PDN, comenzarás con una nueva solución que tiene una única red para empezar. Te recomiendo encarecidamente que amplíes un poco más la ventana de tu analizador PDN que el tamaño inicial de inicio para facilitar la visualización de la red.

El Analizador PDN tiene una simulación sin nombre con tu única red.

A continuación, querrás hacer clic en el botón de Redes DC para configurar los voltajes y especificar con qué redes trabajarás.

Se abrirá la ventana para configurar los niveles de voltaje para las redes en tu esquemático.

Luego, selecciona todas las redes y haz clic en Agregar Seleccionadas. Si la red que estás buscando falta, puedes hacer clic en la casilla Habilitar todas las redes para filtrar para hacerlas todas visibles.

La configuración que utilizo para la red de alimentación en un Puente H parece un poco extraña a primera vista, ya que queremos simular la trayectoria de la corriente desde la fuente hasta el suelo. Técnicamente, la carga es el conector del motor, sin embargo, para fines de simulación, esto no es particularmente útil ya que la corriente fluirá a través del circuito integrado del controlador, el motor y luego de vuelta al circuito integrado del controlador para pasar por la resistencia de detección de corriente, al menos con el Allegro A4954 que este proyecto está utilizando. Para manejar esto, estoy configurando la carga de la red para que sean las resistencias de detección de corriente (R6 y R9 conectadas a las redes CS1 y CS2), y extendiendo la red VCC a través de cada red que lleva corriente al motor con IC1 y los conectores (J1 y J2) como las conexiones en serie entre cada red.

Describimos el flujo de energía a través de nuestra red con R6, R9 e IC2 configurados como cargas.

Para completar, también he añadido el regulador de voltaje como una carga de regulador de voltaje, mostrado como Carga 1 en la figura anterior, a pesar de su bajo consumo de corriente. Añadir reguladores de voltaje como una carga te permite simular correctamente el flujo de corriente a través de la placa. Al añadir una carga, puedes configurar el Tipo de Dispositivo a VRM (Módulo Regulador de Voltaje) en la parte superior de la ventana de Propiedades del Dispositivo, lo que te permitirá generar una nueva red para el lado regulado del regulador de voltaje. ¡No olvides configurar el voltaje de salida!

Configuré el dispositivo regulador de voltaje a VRM, especifiqué los terminales del VRM y configuré el parámetro Vout para generar una red para el lado regulado por voltaje.

En la red de 3.3V, he extendido la red hasta las redes VREF en el esquemático utilizando el potenciómetro como el componente en serie. Establecí la resistencia del componente en serie a lo que podría ser un valor en uso para el potenciómetro, y luego ajusté el consumo de corriente para la pata inferior del divisor resistivo a lo que sería la corriente a través de él mediante el divisor de voltaje resistivo. Note que los valores de los resistores son relativamente bajos, ya que esta placa estaba en un ambiente industrial donde la EMI podría inducir voltajes en las redes de referencia y potencialmente causar comportamientos inesperados del motor.

La red de 3.3V obtiene corriente de IC2, el regulador de voltaje, y la dirige a R2 y R4, que son las patas inferiores de los divisores de voltaje resistivos.

Una vez que la carga del regulador de voltaje está en la red, puedes hacer clic derecho en ella para generar la red de salida seleccionando Añadir VRM a Nueva Red.

Una vez que tienes configurada la red, puedes hacer clic en el botón Analizar para simular la red.

Análisis

PDN Analyzer ofrece una gran cantidad de análisis interesantes disponibles, más allá de las excelentes visualizaciones en la placa de circuito que hacen que los informes para clientes o gestión luzcan tan bien. El análisis que proporciona permite tomar decisiones de ingeniería reales rápidamente y analizar el diseño y los posibles cambios que puedan necesitarse implementar junto con los límites impuestos en las salidas/entradas externas.

Si trabajas suministrando microcontroladores, FPGAs, módulos RF u otros dispositivos sensibles al voltaje, PDN Analyzer puede acelerar significativamente el proceso de determinar si los anchos de las pistas son suficientes para que los voltajes que alcanzan la carga sensible permanezcan dentro de la tolerancia. Sin embargo, en este proyecto, no estaré mirando el análisis de voltaje ya que solo me interesa la corriente que se mueve alrededor de la placa. Es un diseño compacto con pistas relativamente delgadas para un controlador de motor que me preocupa que podría sobrecalentarse potencialmente. Si estuviera revisando este diseño manualmente, principalmente estaría calculando la capacidad de corriente pista por pista con una herramienta de calculadora en línea como la de EEWeb.

Con PDN Analyzer, puedo analizar toda la placa en menos tiempo del que me llevaría calcular manualmente solo un par de pistas. Dado que PDN Analyzer proporciona densidades de corriente en lugar de aumento de temperatura, todavía necesitamos revisar manualmente qué podría ser una densidad de corriente segura. La densidad de corriente es más práctica para tomar decisiones, ya que factores como el flujo de aire, la carcasa, la temperatura ambiente, el recubrimiento superficial y muchos otros contribuirán al aumento de temperatura real y la capacidad de corriente de una pista dada en el mundo real. Para una placa como esta, consideraría que 100-120 A/mm2 sería críticamente alto, ya que esto llevaría a un aumento de temperatura de unos 30°C sobre el ambiente en aire quieto en pistas del mismo tamaño que las de la placa. Para mantener una pista segura, una densidad de corriente de 60-75 A/mm2 sería aceptable en redes de alta corriente, ya que esto debería llevar a un aumento de temperatura de solo unos 10°C sobre el ambiente.

Las pestañas en la parte inferior de cada red contienen tablas de análisis que pueden ser muy útiles para asegurar la cordura de su diseño. Estas tablas van a ser mucho más útiles para la simulación de circuitos de microcontroladores o FPGA mencionada anteriormente, sin embargo, para este analizador de control de motores, la tabla Visual va a permitir la validación del diseño mucho más rápidamente. No me malinterpreten, las tablas son realmente útiles para la gran mayoría de las placas que podrían simular, sin embargo, para este controlador de motor queremos estar analizando los trazos reales en detalle en lugar de solo las estadísticas generales de potencia.

Tablas de consumo de energía calculadas por PDN Analyzer. Abra la imagen en una nueva pestaña para verla claramente.

En la pestaña Visual, hacer clic en el botón de Densidad de Corriente y luego en el botón 2D mostrará su red configurada sin mostrar el suelo (el suelo generalmente estorba, pero definitivamente debe ser revisado más adelante en el análisis).

La mayoría de los trazos tienen densidades de corriente altas pero no podemos hacer deducciones ya que las densidades no se muestran en las unidades que queremos.

Esto muestra la densidad de corriente como un porcentaje. Note que el espectro de colores es no lineal. La escala de colores también se muestra por riel, en esta vista tenemos varios rieles visibles lo que hace que el riel de 3.3V en el lado izquierdo de la placa, que corre verticalmente, parezca que está llevando un nivel de corriente similar al de las trazas del motor, ya que ambos llevan casi el 100% de la densidad de corriente de sus respectivos rieles.

Si este no es el resultado que busca, puede cambiar la escala de colores para que siga siendo automática, pero configurarla en 'Mostrado' en su lugar, lo cual mostrará las densidades de corriente reales.

Además, al pasar a la visualización Manual, puedo hacer muy obvio cuáles trazas, o áreas de trazas, están sobrecargadas por mis cargas configuradas de 2A por motor. Los 2A por motor es la corriente máxima que el controlador puede soportar, a pesar de mencionar en el artículo anterior que estoy manejando un motor de 1A en cada salida. No sé cuál será el futuro de esta placa, así que vale la pena verificarla a la capacidad de corriente completa.

Mi configuración final muestra el grado más alto de rojo a 100A/mm2.

Al cambiar a una capacidad máxima manual de 100A/mm2, mi placa comienza a verse un poco diferente.

¿Dónde han ido las pistas?

Las pistas negras son donde el límite de corriente está fuera del rango especificado, y esto hace que sea inmediatamente obvio que hay múltiples pistas que son de tamaño insuficiente. Las pistas del motor estarían en peligro de sobrecalentamiento y posible delaminación a 2A por motor.

Cambiar las cargas en la red a 1.2A, un poco más alto que mi carga máxima esperada, trae estas pistas bajo el límite máximo que mencioné anteriormente. Se calentarán, pero no a un nivel peligroso.

Las pistas podrían desaparecer a 2A pero están muy presentes a 1.2A. Sin embargo, se calentarán un poco.

Sin embargo, hay un punto que todavía es un problema: alrededor del vía para el suministro de voltaje del IC. Esta sección necesitará un rediseño con una pista más grande, o quizás incluso un relleno de polígono. Para determinar qué ancho de pista podría ser más apropiado aquí, recurriría al calculador en línea que mencioné anteriormente para obtener un buen punto de partida. Para hacer eso, necesito saber cuánta corriente va a estar en esa pista, y no sorprendentemente, PDN Analyzer puede averiguarlo instantáneamente usando la herramienta de Sonda. En la misma pestaña Visual, puedes hacer clic en Sonda y luego hacer clic en el área de la placa que te interesa.

La ubicación que sondeamos en la red VCC de la capa superior está llevando una impresionante corriente de 1.768A.

Esto me indica que puedo esperar ver alrededor de 1.768A en la placa, con una placa de cobre de 32um, un ancho de pista de 0.75mm sería más apropiado que los 0.45mm que están presentes actualmente siguiendo el diseño de PCB recomendado por Allegro en la hoja de datos.

Dado el diseño de la placa aquí, y el espaciado entre los pines del IC, un polígono va a ser la manera más fácil de agregar más cobre a este pin.

La placa después de agregar el polígono de cobre a la red VCC.

Después de rediseñar esta área de la placa, todo lo que necesito hacer en PDN Analyzer es hacer clic en Analizar una vez más para ver los resultados de mi cambio.

El vertido de cobre redujo la densidad de corriente alrededor del suministro de voltaje del IC y ahora todas las pistas se ven bien.

Con la misma escala de colores manual aplicada, es inmediatamente aparente que el polígono adicional ha hecho maravillas para la densidad de corriente alrededor de esa área de la placa, como se esperaría. Ahora está bien dentro del margen seguro.

Ahora que he confirmado que la capacidad de corriente de las pistas es suficiente, todavía es necesario verificar los vertidos de tierra. Si seguiste leyendo el primer artículo donde se diseñó la placa de control, podrías recordar que teníamos algunos recortes en la parte inferior de la placa para proporcionar una tierra en estrella para los resistores de detección de corriente como se recomendaba en la hoja de datos. Quiero asegurarme de que esto no afectará negativamente la capacidad de corriente de la placa, y en el lado superior asegurarme de que los resistores de detección de corriente y el conector de alimentación tengan conexiones suficientemente anchas sin áreas restringidas en los polígonos.

Parte superior de la placa después de que se ha revelado el cobre.

En la parte superior, se puede ver claramente el camino de la corriente desde el pad expuesto del circuito integrado del controlador hasta el pin del conector de alimentación. De nuevo, puedo usar la herramienta de sonda para mirar cualquier punto en el polígono y encontrar la densidad de corriente en un punto específico de la placa.

El punto más caliente en la región de cobre del lado superior está solo a 16.93A/mm2, lo que es aproximadamente una sexta parte del máximo de 100A/mm2.

Ahora que estoy satisfecho con la parte superior de la placa, puedo revisar los polígonos inferiores con las áreas recortadas.

¡El lado inferior de la placa también se ve bien!

Dado el espacio en la ranura que va entre las resistencias de detección de corriente y el pad expuesto, no es de extrañar que la densidad de corriente esté bien dentro de los límites aceptables. Sin embargo, poder visualizar este resultado sigue siendo interesante.

Este análisis apenas roza la superficie de lo que es posible con PDN Analyzer. Aunque solo me he centrado en los aspectos visuales y de corriente aquí, las tablas en las otras pestañas merecen ser exploradas a fondo. Me gusta revisar la pestaña de Pines para asegurarme de que cada pin, especialmente en los conectores, tenga menos corriente fluyendo a través de él que las especificaciones máximas del fabricante, en caso de que haya seleccionado una parte inapropiada, o la corriente sea más alta de lo que inicialmente esperaba. En la pestaña de Vías, me gusta ordenar la tabla por Densidad de Corriente, lo que me permite asegurarme rápidamente de que las densidades de corriente más altas estén dentro de márgenes aceptables. Si la densidad de corriente es demasiado alta, puedo agregar rápidamente una vía extra, o cambiar su tamaño y reanalizar para ver si mi cambio la ha llevado a estar dentro de las especificaciones. Si estableces tolerancias aceptables para los voltajes o niveles de corriente en tu red, las pestañas de red pueden mostrarte rápidamente si la red pasa o falla los requisitos que has establecido.

Optimización Adicional

Basado en mi análisis de esta placa controladora dentro de PDN Analyzer, probablemente sea apropiado cambiar los valores del divisor resistivo para la configuración de corriente en el circuito integrado del controlador para asegurar que la corriente máxima no pueda ser ajustada por encima de 1.2A. También podría cambiar los anchos de las pistas, sin embargo, 1.2A excede mis requisitos.

También podría añadir vías adicionales o cobre en otras áreas que tengan cargas más altas.

Inténtalo Tú Mismo

Si tienes PDN Analyzer, puedes descargar este proyecto completamente configurado y simulado en GitHub. Si quieres seguir el proceso y construir el análisis por ti mismo, puedes descargar el proyecto antes de añadir PDN Analyzer en el punto de la conclusión del artículo anterior desde este commit. Esto te permitirá replicar este proyecto simple y experimentar con el análisis de un circuito básico de controlador de motor.

Si no tienes PDN Analyzer, espero que el análisis de este proyecto simple te dé una idea de por qué me enamoré de esta herramienta de simulación cuando se agregó a Altium. Ya sea que esté diseñando un controlador de motor simple, alimentando cargas mucho mayores o tenga requisitos de tolerancia de voltaje sensibles para circuitos más comunes, PDN Analyzer me ahorra tanto tiempo en el análisis del diseño y me da la confianza de que la placa de cobre terminada que recibo funcionará según lo requerido.

¿Te gustaría saber más sobre cómo Altium puede ayudarte con tu próximo diseño de PCB? ¿Tienes más preguntas sobre analizadores de controladores de motor? Habla con un experto en Altium o descubre más sobre el PDN Analyzer de Altium.