El diseño impulsado por simulación puede resolver los problemas de señal de su PCB y más

Si trabajas en la industria electrónica o en investigación, es probable que las simulaciones sean una parte regular de tu vida. Los sistemas más simples pueden diseñarse con intuición y simularse después de completar los diseños, pero los sistemas más avanzados que operan a altas frecuencias o con tasas de datos muy altas necesitan una calificación antes y después de que se complete el diseño de un PCB. El software de simulación debe tomar un papel más prominente en el diseño de PCB para muchos sistemas avanzados.

Lamentablemente, muchas herramientas de simulación no son tan intuitivas para la mayoría de los diseñadores, ya que no fueron construidas para ser utilizadas por usuarios de software de diseño de PCB. La situación está cambiando y estos sistemas están mejorando mucho en términos de usabilidad, pero su uso dentro del proceso de diseño es lo que hace que las herramientas de simulación sean tan poderosas.

Qué Examinar en las Simulaciones de PCB

El diseño impulsado por simulación para electrónicos comienza creando una interfaz entre tus herramientas de diseño, sistema de gestión de datos y aplicaciones de simulación. Los equipos profesionales de diseño electrónico de hoy son multifuncionales con experiencia que abarca disciplinas eléctricas, mecánicas, térmicas y de fiabilidad. Los equipos de diseño necesitan sistemas que les ayuden a compartir rápidamente datos de diseño físico, exportar modelos de simulación y ejecutar simulaciones de evaluación de diseño.

El proceso de diseño impulsado por simulación para PCBs abarca tres áreas amplias y sigue un proceso particular:

1. Simulaciones de circuitos
2. Simulaciones a nivel de placa
3. Simulaciones de ensamblaje

El proceso es iterativo, razón por la cual dibujo flechas apuntando de regreso a los pasos anteriores. Cualquier problema identificado en los resultados de la simulación de circuitos puede obligarte a regresar a los esquemáticos y modificar tus diseños de circuitos. En la etapa de simulación de PCB, los resultados pueden indicar modificaciones requeridas en la circuitería, el diseño del PCB o ambos. Este puede ser el caso con las simulaciones de EMI, SI/PI y simulaciones térmicas; todos estos resultados pueden indicar cambios requeridos en tus circuitos, lo que luego puede obligarte a realizar cambios en el diseño del PCB.

Simulaciones de Circuitos (¡Incluyendo Líneas de Transmisión!)

Los usuarios de SPICE saben todo sobre las simulaciones de circuitos. Una amplia gama de comportamientos importantes pueden ser examinados y evaluados en las simulaciones de SPICE, tanto en el dominio del tiempo como en el dominio de la frecuencia. Las simulaciones de SPICE son el pilar de los diseñadores de circuitos, y el básico

• Determinar si los circuitos analógicos y de potencia proporcionan la funcionalidad prevista
• Usar expectativas de potencia en circuitos para simulaciones posteriores
• Verificar las tolerancias de componentes en circuitos de precisión
• Verificar la funcionalidad de lógica especial en un circuito lógico fenomenológico

Todas estas tareas se pueden realizar en simulaciones SPICE siempre y cuando estén disponibles las definiciones de modelo para los componentes. Cualquiera de las áreas mencionadas anteriormente podría ocupar espacio para su propio artículo, así que no entraré en esos puntos aquí.

Los sistemas que requieren integridad de señal digital o simulaciones de señal RF a nivel de circuito o esquemático tienden a ser mucho más avanzados y requieren un modelo de circuito equivalente o una red lineal que defina el comportamiento de esa estructura. Las simulaciones con estas estructuras en tus circuitos usan parámetros de red, típicamente parámetros ABCD u otro conjunto de parámetros de red lineal que permite una cascada simple entre componentes lineales.

1. Diseña una línea de transmisión candidata o una estructura RF en tu apilado previsto
2. Simula su rendimiento, típicamente usando parámetros S o funciones de transferencia
3. Itera el diseño para maximizar los objetivos de rendimiento
4. Una vez que el rendimiento es aceptable, extrae un modelo de red lineal o modelo de circuito equivalente
5. Usa el modelo extraído en tus simulaciones SPICE con tus otros componentes

Los modelos de red lineal para estas estructuras se pueden extraer con un programa de simulación como Keysight PathWave ADS, Simbeor, Ansys o CST Microwave. A continuación, se muestra un ejemplo de un modelo de red lineal extraído a partir de un diseño de paquete en un PCB.

Red de línea extraída para dos paquetes de componentes y su interconexión en un PCB. Imagen cortesía de Simberian.

Una vez que esta red lineal o circuito equivalente extraído se introduce en su simulador de circuitos, puede simular el rendimiento de su diseño de interconexión previsto. Este tipo de proceso de simulación es un enfoque estándar utilizado para entender el comportamiento de las interconexiones en buses digitales rápidos, como los estándares DDR, PCIe, MIPI, etc. Una vez que el diseño previsto está calificado, puede usar esto en su diseño de PCB junto con sus otros componentes.

Las simulaciones de circuitos asumen un mundo perfecto, donde un circuito está aislado de todos los demás circuitos. Los efectos reales que involucran ruido, acoplamiento de señales/diafonía y emisiones radiadas/conducidas necesitan ser determinados a nivel de PCB una vez que el diseño está terminado.

Simulaciones a Nivel de Placa

Una vez que el diseño del PCB está completo, se realizan simulaciones a nivel de placa para evaluar interconexiones importantes, potencia, EMI/EMC y temperatura. No todas las partes del PCB necesitan ser simuladas; los circuitos más importantes que fueron examinados en las simulaciones de circuitos también deben ser examinados en simulaciones post-diseño donde sea posible. Por ejemplo, esto podría incluir:

• Integridad de señal: Simulaciones MoM/BEM para la verificación de impedancia y extracción de parámetros de red, simulaciones BER en canales de alta velocidad, formas de onda de reflexión y diafonía
• Integridad de potencia: Extracción de impedancia de PDN, modelado transitorio, mapeo de densidad de corriente, con escaneo desde frecuencias de DC hasta GHz
• Análisis de EMI: Radiación de campo cercano y campo lejano de interconexiones de alta velocidad/alta frecuencia, EMI de transitorios, efectividad del blindaje y susceptibilidad a EMI pueden ser examinados
• Simulaciones térmicas: Distribución de temperatura debido al calentamiento Joule de componentes de alta potencia y calor de fuentes externas, convección natural y forzada, mapeo de conductividad térmica

La lista de simulaciones específicas a nivel de placa que se podrían realizar es bastante larga, pero los objetivos siempre son los mismos: asegurar que la colocación de partes y diseños de interconexión en el diseño de la PCB no afecte el rendimiento de su sistema tal como fue calificado en simulaciones de circuito. Es importante comparar los resultados pre-diseño y post-diseño para asegurar que el dispositivo no se vea grandemente afectado por los elementos colocados en el diseño de la PCB.

Gran parte del tiempo, esto se relaciona con la integridad de la señal, y esta área de diseño típicamente recibe un enfoque principal. Aquí hay ejemplos de resultados de simulación que puedes generar desde tu diseño de PCB en Altium:

• Identificación de EMI de campo cercano en la Red de Distribución de Energía de un PCB
• Análisis de diafonía en interfaces de bus paralelo FIFO y DDR4
• Detección de violaciones de impedancia DDR4 en diseño de PCB de alta velocidad

Comparaciones de diagramas de ojo, simulaciones de parámetros S y cálculos de impedancia son algunas de las principales herramientas utilizadas para calificar interconexiones para la integridad de la señal digital.

Otras áreas donde las simulaciones post-diseño son muy importantes a nivel de PCB son la integridad de la potencia y la integridad térmica, ambas relacionadas con la funcionalidad y la fiabilidad, respectivamente. Sin embargo, las cosas pueden cambiar una vez más cuando el diseño se coloca en su ensamblaje completo y embalaje/encapsulado previsto. Aquí es donde se necesita la colaboración con otro grupo de ingenieros de simulación para calificar el rendimiento mecánico y térmico, así como el potencial de fallo de EMC.

Simulaciones de Ensamblaje

Una vez que la placa está completamente ensamblada, las demandas térmicas pueden cambiar algo, y la placa puede necesitar ser calificada mecánicamente para asegurar su fiabilidad, capacidad para resistir choques o capacidad para resistir vibraciones. Estos son solo algunos ejemplos de los puntos mecánicos a examinar en un ensamblaje completado.

• Simulaciones mecánicas: Distribución de esfuerzos que conduce a fallos debido a choques mecánicos, flexión, vibración, pruebas de caída
• Fiabilidad y vida útil: Probabilidad de fallo debido a ciclos térmicos, choques térmicos/mecánicos, ingreso de humedad y fatiga por vibración; evaluación contra estándares de fiabilidad de la industria
• Flujo de aire y disipación de calor: En el recinto, el flujo de aire típicamente debe seguir una ruta específica, y el recinto puede impactar el flujo de calor lejos de las partes centrales del dispositivo

Estos aspectos de la calificación de un ensamblaje se realizan utilizando solucionadores de campo más avanzados y no involucran directamente su software de diseño y disposición de PCB. La herramienta de diseño de PCB que utilice debe proporcionar un archivo de exportación mecánico o electromecánico compatible que pueda ser utilizado en su aplicación de solucionador de campo.

Para simulaciones de flujo de aire, se necesita una aplicación de co-simulación CFD-térmica, y esto típicamente es realizado por un especialista en multiphísica. Un ejemplo que involucra el ensamblaje completado, completo con