Etude de cas d’un circuit d’alimentation avec PDN Analyzer

1. Introduction

Dans les articles précédents ([1], [2], [3]), la simulation a porté sur des modèles exclusivement basés sur des schémas. Si de telles simulations peuvent être fidèles à la réalité, elles requièrent une certaine expertise :

• Sur la nature de modèles SPICE des composants (afin de savoir les caractéristiques prises en compte et celles qui ne le sont pas)
• Sur les éléments ajoutés pour prendre en compte les défauts de composants réels (y compris le PCB) : les inductances et capacités parasites ainsi que des résistances décrivant certaines pertes (par exemple l’ESR d’un condensateur - auquel on peut ajouter un ESL).

Certains éléments sont particulièrement dépendants de la conception du PCB et la simulation ne peut pas s’effectuer de manière satisfaisante avec le schéma initial. C’est notamment le cas avec la prise en compte des résistances introduites par les pistes d’un PCB (y compris les plans d’alimentation) et pour cela, une analyse post-routage est nécessaire.

Cette étude sera illustrée par le montage déjà présenté ici, à savoir un bras de pont à IGBT associé à un circuit de contrôle numérique à base de microcontrôleur.

L’alimentation générale s’effectue sous une tension15 V à partir de laquelle sont produites les autres tensions (sources flottantes de -5/+15 V pour les drivers d’IGBT, tensions de 3.3 et 5 V pour le coeur et les ports d’E/S numériques du microcontrôleurs et pour certains composants auxiliaires, une tension de 5.2 V comme référence pour les entrées analogiques du microcontrôleur).

Il est important de préciser que cette simulation ne s’intéresse pas aux composants placés sur le PCB mais au PCB lui-même : les modèles SPICE éventuellement associés aux composants (diodes, transistors, AOp et composants passifs) ne jouent aucun rôle ici.

1. Circuit d’alimentation du hacheur

2.1. Structure globale

 A titre d’information, l’architecture générale des alimentations est décrite par le synoptique de la figure 1.

Figure 1. Architecture des alimentation

Comme indiqué dans l’introduction, la simulation avec PDN Analyzer ne s’attache pas à traiter le fonctionnement des circuits électroniques placés sur le PCB mais du circuit imprimé lui-même. Il est par conséquent nécessaire de configurer soigneusement les “alimentations” et les “consommateurs” en termes de localisations physiques sur le circuit ainsi que les valeurs effectivement présentes de tensions et de courants en ces points.

Si les tensions sont évidentes (et déjà clairement indiquées dans les noms des “power ports” (figure 2).

Figure 2. Schéma du double “Buck” produisant les rails 5 et 3.3 V (indiqués par des “power ports”).

On peut alors :

• soit se baser sur les courants délivrables par les sources pour configurer les charges (en tête d’alimentation par exemple) 
• soit configurer les charges sur la base des consommations annoncées par les datasheets desdites charges (figure 3) pour correctement rendre compte des chutes de tensions que l’on peut attendre dans un PCB mutualisant généralement un rail d’alimentation entre plusieurs composants ainsi alimentés.

Figure 3. Extrait de la datasheet de la famille de composants Cypress PSoC 5 CYC58LP (DC Specifications)

Comme cela a déjà été indiqué dans des articles précédents, des schémas commentés s'avèrent utiles tant pour la réalisation du PCB (afin de correctement dimensionner les pistes, vias, etc.) que pour leur vérification a posteriori avec PDN Analyzer.

Configuration des paramètres sous PDN Analyzer

L’outil est lancé depuis le menu Tools > PDN Analyzer et ouvre un dialogue invitant à identifier/ sélectionner les “nets” des rails d’alimentation (figure 4).

Figure 4. Dialogue de sélection des “nets” utilisés pour les alimentations

Une présélection est effectuée sur la base des règles (désactivables) suivantes :

• “Net” ayant 4 interconnexions ou plus,
• “Net” ayant un nom contenant les termes courants VCC, VDD, etc. (y compris GND pour la masse),
• “Net” indiquant de manière explicite une tension de la forme xV, x.yV, xVy etc.,
• “Net” ayant un nom commençant par un “+” ou un “-”.

Ces règles permettent de filtrer près de 100% des “équipotentielles” pertinentes dans un schéma (ce qui s’est avéré être le cas dans le projet considéré ici). Non seulement, les noms des “nets” utiles sont identifiés mais également traduits en valeurs numériques comme le montre la deuxième colonne du tableau de la figure 4 (Nominal Voltage (V)) même quand le nom comporte plus que les termes attendus dans les filtres (par exemple 15V_BACK ou 15V_FRONT). Après sélection (en cochant les cases des “nets” souhaitées puis en cliquant sur Add Selected), on accède alors à une page permettant de décrire le (ou les) réseau(x) d’alimentation continue (figure 5).

Figure 5. Configuration du (des) réseau(x) d’alimentation continu

Par défaut, un réseau est présent mais on peut en ajouter d’autres en sélectionnant dans le rectangle entouré en rouge le champ Unnamed simulation et en utilisant le menu contextuel (clic droit de la souris) pour appeler la commande New Network. On notera également la présence dans ce menu contextuel de la commande Settings permettant d’accéder à la fenêtre de configuration présentée à la figure 6 où on peut renseigner notamment :

• la conductivité du cuivre (avec sa dépendance en température),
• les limites tolérées de densité de courant dans les conducteurs (incluant les vias).

Figure 6. Fenêtre Settings d’une simulation PDN Analyzer (3 onglets)

Une fois un champ Network sélectionné dans la zone encadré en rouge du menu de la figure 5, la zone encadrée en vert fait apparaître deux “lignes d’alimentation” <Power Net> et <Ground Net> qu’il va falloir renseigner (figure 7).

Figure 7. Description d’un réseau d’alimentation

En double-cliquant sur une des deux lignes, on fait apparaître une fenêtre (figure 8) de sélection du “net” souhaité dans la liste qui a déjà été présélectionnée au départ (figure 4).

Figure 8. Choix d’un “net” dans la liste présélectionnée

Une fois les deux “nets” configurés (ici, nous traiterons du réseau le plus simple du PCB étudié, à savoir le rail 15V associé bien évidemment à la masse GND), il faut maintenant placer une source et une charge (a minima) : il s’agit donc de les localiser précisément sur le circuit (tant au niveau du schéma que du PCB). Pour cela, il convient de revenir au schéma de la figure 2 : le rail de 15 V est élaboré à partir de deux sources potentielles que sont une alimentation en face avant (notée 15V_FRONT) ou une alimentation par fond de panier (notée 15V_BACK). Il est donc logique de placer notre source de 15 V au niveau de la cathode commune du composant D16 (double diode Schottky). Pour la masse, il est nécessaire de considérer un scénario d’utilisation précis. Par exemple, l’alimentation par la face avant de notre boîtier (c.-à-d. hors d’un rack) conduit à une circulation du courant au travers d’un connecteur nommé J2 sur lequel de multiples broches sont reliées à l’équipotentielle GND. Ceci n’est pas un problème car dès que l’on a choisi un composant associé à un “net”, l’ensemble des broches qui y sont reliées sont listées dans la fenêtre de configuration de la source (figure 9).

Figure 9. Configuration d’une source de tension

Pour la configuration d’une charge, la démarche est exactement la même et ici, nous allons nous focaliser sur le “consommateur principal” présent sur le rail 15 V qu’est l’alimentation “double buck” (U18) dont les deux sorties de 5 et 3.3 V sont toutes les deux limitées à un courant de 1 A (soit un total de 8.3 W et en considérant un rendement de 90 %, on peut donc s’attendre à une consommation de 0.615 A sur la source de 15 V). La nature de cette charge peut être choisie parmi plusieurs possibilités mais nous considérerons ici simplement une source de courant de 615 mA. Une fois ce réseau (minimal) complété, la fenêtre principale montre un bouton “Analyze” actif (alors qu’il était initialement grisé et inutilisable) - figure 10.

Figure 10. Réseau configuré et prêt pour l’analyse

Analyse du PCB

Lorsque la simulation est effectuée (Complete!), le bas de la fenêtre (figure 11) permet entre autres de sélectionner ce que l’on souhaite visualiser parmi les résultats disponibles (densité de courant, tension). On peut voir cette partie “post-process” qui illustre donc une première prise en main “simple” de PDN Analyzer.

Figure 11. Post-process et visualisation des résultats (ici densité de courant)

Conclusion

Cet outil de simulation s’avère particulièrement bien intégré à Altium Designer. Il s’agit d’une aide précieuse pour valider le design des rails d’alimentation d’un PCB avant même la fabrication d’un prototype en complément d’un découplage soigné de ces alimentations, notamment en respectant les recommandations des fabricants des composants. Même si cet outil est simple de prise en main, il sera utile de se référer à l’aide disponible ici ou aux webinar traitant du sujet (comme ici).