Por qué el análisis de redes de suministro de potencia es esencial para diseñar PCBs eficaces

^{¿Qué es ese olor a quemado? Esperemos que no sea tu prototipo.}

Una vez, tontamente, decidí que probaría hacer carpintería. Pensé en empezar con algo fácil, como una mecedora. Con mi conocimiento limitado de estructuras y estática, hice con éxito una silla que se rompió en pedazos tan pronto como me senté. Los tutoriales de YouTube que usé no mencionaban la parte donde la silla se derrumba debajo suyo. Por lo general, es buena idea contar con un experto que vea algo que usted construye antes de probarlo físicamente. Lo mismo va para el diseño de la PCB. Puede que sea un gran diseñador, pero supongo que no es un experto en potencia. El software de análisis de redes de suministro de potencia (PDN) puede trasladar todo el conocimiento de un profesional de potencia a su computadora personal. Un buen programa de análisis de PDN le ayudará a comprobar las densidades de corriente, los posibles problemas de temperatura y las caídas de voltaje antes de gastar dinero en un prototipo que se incendia.

Densidad y temperatura de corriente

Al hacer mi mecedora, recurrí al viejo método de "medir a ojo" para elegir el ancho de las patas. Resulta que ese método puede dejarte tirado de espalda. Puede aplicar un método similar al diseñar pistas para su PCB. Elija un ancho que se vea bien y póngalo, ¿qué podría salir mal? Su placa podría quemarse. Los planos de potencia que parecen quesos suizos y las vías sobrecargadas pueden significar mayores densidades de corriente y temperaturas más altas. Los circuitos integrados (CIs) que consumen mucha potencia también pueden aumentar la temperatura de su PCB.

Planos de potencia: usted nunca quiere realmente "sobrediseñar" sus productos, pero cuando se trata del cobre, a nadie le importa. La única vez que se meterá en problemas es si agrega demasiados planos de potencia. Dicho esto, con diseños cada vez más pequeños, los planos de potencia, a menudo, se disminuyen en tamaño o se transforman en formas extrañas. Los planos de potencia más pequeños pueden provocar cuellos de botella con densidades de corriente excesivas.

Vías: las vías son otra área de preocupación. Es posible que esté demasiado ocupado diseñando sus vías para la EMI reducida como para pensar en cómo se relacionan con la corriente. Sin embargo, las vías pueden congestionar la corriente de su PCB. Recuerde que las altas densidades de corriente conducen a altas temperaturas, a veces lo suficientemente calientes como para derretir sus pistas.

CIs: comer demasiado puede ponerlo por encima del límite de peso de una silla normal. Los nuevos CIs consumen mucha corriente, lo que puede superar los límites de pistas nominales. La electrónica moderna requiere CIs cada vez más rápidos, que a su vez consumen más potencia. Es posible que no piense en cuánta corriente está manejando hasta que su prototipo empiece a humear.

^{Desafortunadamente, no puede comprar abrazaderas de medir corriente para PCBs.}

Un buen analizador de PDN le permitirá comprobar sus densidades de corriente durante la fase de diseño. Muchas herramientas de análisis de PDN le mostrarán visualmente áreas con altas densidades de corriente en su diseño. Si bien no muestran las temperaturas, el calor en su PCB está directamente relacionado con la corriente. Por lo tanto, usted puede matar dos pájaros de un tiro y ver en dónde las corrientes y las temperaturas de su PCB son demasiado altas. Luego, solo necesita agregar suficiente cobre para mitigar ambos problemas.

Caída de voltaje

Todo ingeniero eléctrico debe aprender el mantra de su orden:"V=IR". La leyenda dice que, si lo repites varias veces, Benjamin Franklin (el padre de la experimentación eléctrica y las sillas mecedoras), aparecerá. Es importante recordar esa mantra cuando se diseñan redes para reducir la caída de IR (voltaje). Muchos chips modernos no solo consumen mucha corriente, sino que también funcionan a bajo voltaje. Si está trabajando con un CI de 6V, es posible que no se tenga que preocupar demasiado por la caída de voltaje. Sin embargo, si sus CIs funcionan a 2V, de un momento para otro cualquier caída de voltaje se convertirá en un problema. Necesitará actualizar su estrategia de diseño para reducir las caídas de voltaje tanto como sea posible.

Entonces, ¿cuál es la mejor manera de reducir la caída de IR? Obviamente el nombre lo delata. Necesitará reducir la corriente, la resistencia o ambas cosas. La mejor manera de reducir la corriente en los conductores es ampliarlos. Más metal significa menos densidades de corriente y menos caída de voltaje. Para reducir la resistencia, hay que acortar las pistas. Menos metal significa menos resistencia. Lamentablemente, estas dos recomendaciones son opuestas. Reducir la corriente significa añadir cobre y reducir la resistencia significa quitar cobre. Afortunadamente, una gran herramienta de análisis de PDN puede ayudarle a determinar con qué técnica debe trabajar. Su analizador de PDN debe proporcionarle un mapa visual de la caída de voltaje en su tarjeta. Según la disposición, usted puede decidir cómo mitigar la caída de IR. Por ejemplo, si usted tiene una pista corta y delgada con un problema de caída de IR, es posible que pueda ampliar la pista. Si tiene una pista larga con demasiada caída, intente mover los componentes para acortarla.

^{No deje que este sea usted; use un analizador de PDN.}

Pensé que hacer algo en donde sentarme sería fácil, pero me equivoqué. Los conceptos detrás del análisis de PDN son simples, pero las matemáticas que se involucran para encontrar soluciones son complejas. En lugar de simplemente ignorar los problemas de PDN durante el diseño y utilizar prototipos iterativos de "adivinar y comprobar", utilice un simulador. Una herramienta de análisis de PDN hará las cuentas por usted y le mostrará dónde están los problemas. Entonces puede estar seguro de que no todo se desmoronará cuando llegue el momento de probar su primer prototipo.

He estado diciendo "buen" y "gran" analizador de PDN todo el tiempo por una razón. Hay herramientas de simulación que solo producen formas de onda complejas que solo le provocan dolores de cabeza. Las herramientas de PCB son inútiles si no puedes entenderlas. El analizador de PDN de Altium utiliza interfaces visuales para ayudarle a determinar con precisión la densidad de corriente y los problemas de caída de IR en su tarjeta. Salve algunos prototipos de una muerte ardiente y úselo.

¿Tiene más preguntas sobre el análisis de PDN? Llame a un experto de Altium.