Análisis de integridad de potencia en tu software de diseño de PCB

Los problemas de integridad de potencia pueden abundar en las PCB modernas, especialmente en las placas de alta velocidad que funcionan a altas frecuencias de flanco. Estos sistemas requieren un diseño preciso de la impedancia de la PDN para garantizar una potencia estable en todo el sistema. Si no se tiene en cuenta la impedancia de la PDN como es debido, se corre el riesgo de crear ondulaciones y ruido en la red de distribución de potencia cuando las señales rápidas cambien de estado. A medida que más señales alternan en grandes circuitos integrados CI, el resultado es la posibilidad de una mayor inestabilidad de potencia e interrupciones del sistema durante el funcionamiento.

Algunos diseñadores pueden preguntarse qué es el análisis de integridad de potencia: es un conjunto de métodos para entender cómo los componentes consumen energía y cómo la estructura de la placa afecta al suministro estable de energía. El software de diseño de la PCB Altium Designer ofrece algunas herramientas importantes para el análisis de la integridad de potencia, incluyendo la nueva extensión Power Analyzer de Keysight. Este artículo pretende ofrecerte una visión general sobre cómo realizar un análisis de integridad de potencia en una PCB, así como dónde acceder a esas funciones en Altium Designer.

Problemas con la integridad de potencia en CC y CA

Algunos productos funcionan a alta tensión, alta velocidad, alta corriente, alta frecuencia o todas las anteriores, y pueden sufrir de una serie de problemas de integridad de señal y de potencia durante su funcionamiento. El análisis de integridad de potencia pretende identificar problemas de funcionamiento desde dos perspectivas: CC y CA. Además, el análisis de integridad de potencia se puede realizar en dos fases: en el diagrama esquemático y en el diseño de la PCB. A veces se recurre a expertos en simulación para evaluar un diseño antes de la creación de prototipos o su producción, con el fin de identificar posibles problemas de integridad de potencia en los dominios de CC y CA.

El análisis de integridad de potencia implica analizar la estructura y el comportamiento eléctrico de la PDN en una PCB. Para ser más específicos, consiste calcular ciertas magnitudes eléctricas que pueden indicar la existencia de problemas de integridad de potencia. En particular, hay varias cantidades que pueden calcularse en la PDN utilizando herramientas de simulación, que luego se pueden vincular a ciertos problemas de integridad de potencia que se observarían en una PCB durante el funcionamiento. Las cantidades que se deben calcular incluyen (entre otras):

• Parámetros Z de la PDN (autoimpedancia e impedancia de transferencia) en CA y CC o parámetros S.
• Resistencia CC y densidad de corriente en rieles y planos.
• Voltaje y distribución de corriente en toda la disposición de la PCB.
• Respuesta transitoria en los rieles de alimentación observados en el dominio de tiempo.

Estas importantes magnitudes matemáticas en el análisis de la integridad de la potencia pueden calcularse en esquemas utilizando modelos SPICE o IBIS, o pueden calcularse en la PCB utilizando una calculadora de campos electromagnéticos. Una vez calculados estos valores, deben compararse con los valores previstos.

¿Qué problemas de integridad de potencia pueden surgir en una PCB?

Hay diversos problemas de integridad de potencia que pueden producirse en una PCB, todos ellos relacionados con la lista de cantidades enumeradas anteriormente. Algunos de los problemas habituales de integridad de potencia que pueden producirse en una placa de circuito incluyen:

• Colapso grave del riel de potencia (ondulación, vista como respuesta transitoria) y rebote de tierra.
• Emisiones radiadas debido a desacoplamiento débil y ondulación.
• Acoplamiento de ruido entre diferentes regiones de una PCB.
• Disipación de energía excesiva que produce calor.

El objetivo de la construcción de una PDN es garantizar que la energía extraída de los componentes de una PCB se entregue con una inestabilidad mínima. Algunos de los problemas de integridad de potencia mencionados anteriormente se observan como problemas de integridad de señal (específicamente rebote de tierra) y problemas de EMI/EMC (acoplamiento y emisiones de ruido). La matriz indicada a continuación muestra qué problemas de integridad de potencia están vinculados a las cantidades matemáticas enumeradas anteriormente.

Para más información sobre estos factores en una PDN y cómo afectan a la estabilidad en el suministro de energía, lee los siguientes recursos para entender a fondo el análisis de integridad de potencia.

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Integridad de potencia en diagramas esquemáticos

Los diagramas esquemáticos son un buen punto de partida para modelar la integridad de la alimentación de CA en una disposición de PCB. En este ámbito, es posible utilizar simulaciones SPICE o simulaciones basadas en IBIS para modelar la estrategia de desacoplamiento y determinar si el diseño idealizado de la PCB puede admitir un suministro de energía estable, especialmente en el caso de circuitos integrados digitales rápidos.

La integridad de potencia a nivel de diagrama esquemático no tiene en cuenta los factores físicos importantes en un diseño de PCB que afectan a la integridad de potencia. En cambio, investigar la integridad de potencia en los diagramas esquemáticos ayuda a un diseñador a desarrollar objetivos de diseño para la PDN que garanticen que el suministro de energía sea lo más estable posible. Esto requiere modelar la respuesta PDN utilizando componentes genéricos para representar los aspectos físicos del diseño de la PCB. Algunos de estos aspectos físicos incluyen:

• Modelos de capacitores de desacoplamiento/derivación, que incluyen valores ESR y ESL.
• Capacitancia de planos, que normalmente es del orden de los pF.
• Inductancia de dispersión o la inductancia de la región donde existe corriente en las capas del plano de potencia / tierra.
• A través de la inductancia, aunque normalmente se incluye en los modelos de condensadores de desacoplamiento / derivación.
• Topología con múltiples rieles en la PDN.
• Elemento de conmutación que simula un flujo de bits para poder observar una respuesta transitoria periódica.

En la hoja esquemática de ejemplo siguiente se muestra un modelo relativamente sencillo que incluye solo elementos RLC. Este ejemplo se puede utilizar para estimar la impedancia de la PDN y la pendiente inductiva en el espectro de impedancia de la PDN a varios cientos de MHz. El modelo también se puede utilizar para visualizar ondulaciones directamente en la PDN ejecutando una simulación de análisis transitorio.

Los bloques de circuitos RLC de la serie anterior se utilizan para modelar una red de condensadores de desacoplamiento que podría colocarse en la placa. La sección inferior muestra las conexiones entre las capas del plano y un paquete de componentes. Finalmente, el transistor se utiliza con una fuente de impulsos para modelar la corriente introducida en la red. Las mediciones de corriente y tensión en los puntos de salida pueden utilizarse para determinar la impedancia de la PDN mediante la ley de Ohm.

Cualquiera de las metodologías estándar en una simulación SPICE (sensibilidad, Monte-Carlo, determinación de respuesta de impulsos, etc.). En función de estos resultados, es posible determinar los valores objetivo para los elementos RLC en el modelo SPICE. La orientación física principal determina la capacitancia del plano, así como el número de condensadores de desacoplamiento. Se podrá obtener más información una vez que el diseño de la PCB esté terminado y listo para su evaluación.

Integridad de potencia CC en la disposición de la PCB

La resistencia CC en una placa de circuito depende de las dimensiones e interconexiones del plano de potencia, y es el punto de partida para entender la integridad de potencia. Una vez abordado este aspecto de una placa de circuito, el diseñador puede tomar medidas para garantizar el cumplimiento de los objetivos de impedancia y evitar los problemas de integridad de señal derivados de un suministro de potencia inestable.

El análisis de alimentación de CC empieza en el diseño de la PCB y requiere configurar una simulación que asigne la distribución de energía a través de diferentes redes de alimentación en el diseño de la PCB. Esto se representa visualmente como un árbol (esquema jerárquico) con diferentes niveles de potencia, que asigna el flujo de energía desde una entrada de nivel superior y hasta el nivel de dispositivo. La extensión de análisis de integridad de potencia más reciente en el software de diseño de PCB Altium Designer es Power Analyzer de Keysight. Esta utilidad puede configurar un árbol de potencia en función de tu lista de redes y de la información del proyecto. A continuación, se muestra un ejemplo de árbol de potencia.

Una vez configurado este árbol de potencia, se puede utilizar para determinar la resistencia de CC en la PDN. La siguiente imagen muestra un resultado de ejemplo de Power Analyzer en Altium Designer. Esta extensión proporciona cálculos de integridad de potencia dentro del editor de PCB en Altium Designer y los resultados se comprueban automáticamente con respecto a los objetivos o restricciones de diseño. No se necesitan herramientas de análisis adicionales para realizar este cálculo y no es necesario comprobar los resultados manualmente con respecto a las reglas de diseño.

Los resultados que se muestran a continuación muestran la corriente continua mostrada como un mapa de calor en un rastro grande que discurre entre dos vías. En concreto, la herramienta muestra que la corriente calculada en las vías adjuntas es 1,785 A. Según los objetivos operativos del diseño y los límites de funcionamiento actuales definidos en las normas IPC, es posible determinar si es necesario modificar el diseño. Una vez realizadas las modificaciones, se puede volver a ejecutar la simulación inmediatamente y examinar los resultados para determinar si se ha resuelto alguno de los problemas identificados.

Si se reduce el zoom de las pistas o rieles individuales, es posible ver la distribución real a lo largo de una capa de plano o a lo largo de interconexiones grandes. Se pueden seleccionar y examinar varios puntos de un riel de potencia para detectar la caída de tensión o densidad de corriente, todo ello visualizado como un mapa de calor. Esta vista proporciona una forma sencilla de determinar cuándo la resistencia de CC de una red es demasiado grande o cuándo hay un cuello de botella de corriente que produce un "punto caliente".

• Para obtener más información sobre Power Analyzer de Keysight, consulta la documentación técnica

Análisis de integridad de potencia CA para diseño de alta velocidad

Las PCB de alta velocidad dependen de la impedancia exacta de la línea de transmisión para garantizar que el diseño funcione correctamente, pero también requieren una impedancia de red de suministro de potencia muy baja. Las placas de circuitos para sistemas digitales de alta velocidad están diseñadas teniendo en cuenta la impedancia objetivo. El stackup de la PCB, los condensadores de desacoplamiento seleccionados y el grosor del laminado de la PCB se combinan para determinar la impedancia de la PDN, que está diseñada para cumplir con un espectro de impedancia objetivo.

Mantener baja la impedancia de la PDN es importante para garantizar que los componentes de alta velocidad no creen ondas de riel de potencia y rebote de tierra cuando conmuten. Si la impedancia PDN es lo suficientemente baja, estos efectos no se notarán en el sistema. Una vez calculada la impedancia plana en la PDN, es posible determinar si las ondulaciones y el ruido del riel de potencia harán que el suministro de potencia quede fuera de los límites permitidos.

Para ayudarte a realizar correctamente un análisis de integridad de potencia, Power Analyzer de Keysight y las herramientas de simulación existentes en Altium Designer^® te pueden ser de gran utilidad para empezar a evaluar la funcionalidad de tu placa. A medida que surjan nuevas capacidades, podrás esperar más actualizaciones en la extensión Power Analyzer, incluido el análisis de la integridad de la potencia de CA directamente en el editor de PCB. Mantente atento a la página de novedades y no te pierdas ninguna de las nuevas funciones del software de diseño de PCB Altium Designer.

• En Altium Designer se incluye todo lo que necesitas para el diseño, la fabricación, la disposición, el enrutamiento y la simulación.

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• La utilidad Power Analyzer toma los datos directamente del Layer Stack Manager (administrador de pila de capas) y del editor de PCB para crear simulaciones muy eficaces, proporcionando rápidamente a los diseñadores la información necesaria para garantizar la integridad de la potencia.

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En Altium estamos comprometidos a ofrecerte continuamente las mejores herramientas para el análisis de la integridad de potencia, todas ellas dentro del diagrama esquemático y la disposición de la PCB. A medida que estas capacidades estén integradas en la aplicación, se podrá acceder a simulaciones de integridad de potencia más avanzadas dentro del editor de PCB. Además de las mejoras en el editor de PCB, los colaboradores dispondrán de capacidades adicionales a través de la plataforma Altium 365^™.

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