Etude de Cas d’un Circuit d’Alimentation avec PDN Analyzer (Partie 2)

Nicolas Patin
|  September 23, 2020
Etude de Cas d’un Circuit d’Alimentation avec PDN Analyzer (Partie 2)

Introduction

Dans le premier article consacré à PDN Analyzer, nous avons vu un certain nombre de fonctionnalités de base permettant très rapidement d’analyser :

  • soit les chutes de tension dans un circuit d’alimentation,
  • soit la densité des courants circulant dans certains points de ces circuits.

On notera sur ce dernier point que le logiciel prend en compte la dépendance en température de la résistivité du cuivre. L’aspect thermique est en effet très important dans l’analyse d’un circuit d’alimentation et il est important de garder à l’esprit un point important déjà évoqué dans le précédent article : PDN Analyzer se focalise sur le PCB lui-même et non sur les composants placés dessus. Néanmoins, dans cet article, nous allons approfondir ce sujet et montrer comment enrichir la description d’un réseau d’alimentation pour le décrire aussi finement que possible.

Enrichissement d’un réseau

Dans l’article précédent, une vue globale du réseau d’alimentation de la carte a déjà été présentée avec une alimentation générale de 15 V. Or, l’élaboration de cette tension de 15 V est effectuée au travers d’une double diode (D16 sur le schéma rappelé à la figure 1) permettant au choix d’alimenter le module de manière autonome (jack en face avant du boîtier) soit sur le connecteur de fond de panier.

Figure 1. Rappel du schéma du double hacheur

Dans l’article précédent, cette partie a été occultée en simulant le circuit comme s’il était directement alimenté sous 15 V au niveau de la cathode commune de D16. Or, il est possible de proposer une “amélioration” de la simulation en complexifiant légèrement le réseau simulé.

Pour cela, il suffit dans la fenêtre de PDN Analyzer de sélectionner le “net” que l’on souhaite connecter à un autre en utilisant la commande “Extend Net” du menu contextuel (clic droit de la souris) disponible lorsqu’un “net” est sélectionné (cf. figure 2) - en l’occurrence 15V_FRONT (correspondant à l’alimentation par la face avant de notre carte).

Figure 2. Extension d’un “net”

Une fois cette opération validée, on obtient un deuxième rail d’alimentation à côté de 15V_FRONT qu’il convient de configurer (ici 15V) avec un composant placé en série entre ces deux “nets” (figure 3). Celui-ci porte un nom (“Series 1”) mais n’est pas caractérisé (d’où la présence d’un ? sous le nom).

Figure 3. Description d’un réseau d’alimentation à rails en cascade

Un double-clic sur ce composant permet d’accéder à sa fenêtre de configuration. Il s’agit d’un composant de type “Series Element” (non modifiable) pour lequel on doit spécifier :

  • une chute de tension,
  • une résistance,
  • et éventuellement un courant maximal toléré.

Par défaut, ces trois paramètres sont à zéro (pour le courant maximal, ce la signifie qu’il ne sera pas pris en compte). Avec un tel modèle, on pourra rendre compte de chutes de tension :

  • soit purement ohmiques (en choisissant uniquement une résistance) comme pour des interrupteurs, des fusibles voire des inductances de lissage (paramètre DCR),
  • soit caractéristiques de diodes (avec une tension de seuil associée à une résistance dynamique) comme c’est le cas ici.

Or, d’après la datasheet de la paire de diodes utilisée ici (cf. figure 4), on prendra une chute de tension de 0.35 V et une résistance de 18.23 mOhm (on notera que ces valeurs sont associées à une température de jonction maximale - à savoir 175°C). Il faudra bien évidemment indiquer le composant que l’on cherche ainsi à modéliser (ici D16) dans la liste proposée de la colonne Refdes (cf. figure 5) regroupant l’ensemble des composants connectés aux équipotentielles considérées (15V_FRONT et 15V en l’occurrence).

Figure 4. Datasheet du redresseur Schottky 12CTQ035

Figure 5. Configuration du composant sous PDN Analyzer

Bien évidemment, on peut ajouter de multiples charges sur un réseau donné. Dans notre première simulation, nous avons uniquement considéré le double buck comme seule charge présente avec une consommation de 615 mA. On peut aussi considérer deux autres consommateurs que sont les modules Murata alimentant les drivers d’IGBT en +15/-5V (cf. figure 6). Il suffit donc de paramétrer deux sources de courant que nous considérerons absorber le courant maximal autorisé par une alimentation de 2 W (à savoir 133 mA sous 15 V ─ en notant que les drivers ne devraient en aucun cas demander autant de puissance avec une fréquence de découpage raisonnable pour un IGBT : 10 à 20 kHz).

On peut d’ailleurs noter qu’il est possible d’affiner la description du “double buck” pour lequel nous nous sommes borné à le modéliser uniquement vis-à-vis de son entrée. On peut en effet le traiter dans son ensemble à l’aide d’une charge de type VRM (Voltage Regulator Module). En effet, les charges peuvent être de type :

  • Source de courant (comme nous l’avons déjà vu dès l’article précédent),
  • Résistance (qui est une charge dont la simplicité se passe de commentaire !),
  • VRM (Linear),
  • VRM (SMPS),
  • VRM (SMPS Sense).

Comme indiqué, VRM est un terme générique pour nommer des régulateurs de tension. Or, PDN Analyzer offre 3 variantes couvrant l’ensemble des besoins pour les simulations qui nous occupent ici :

  • la première catégorie, comme son nom l’indique, correspond à des régulateurs linéaires de tension (comme les vénérables composants de la famille 78xx),
  • les deuxième et troisième catégories correspondent à des alimentations à découpage (SMPS = Switching Mode Power Supply).

La distinction entre régulateurs linéaires et à découpage vient de la puissance dissipée (proportionnelle à la chute de tension introduite pour un régulateur linéaire alors qu’elle est normalement nettement plus faible et définie par le rendement paramètre “Efficiency” pour une alimentation à découpage).

En ce qui concerne la version “SMPS Sense”, elle prend en compte la capacité de certains VRM à découpage de réguler une tension “à distance” pour contrer les chutes de tension dans les pistes (précisément celles que l’on souhaite évaluer avec ce type de simulation).

Remarque : Dans notre exemple, le composant U18 contient en fait deux VRM qui doivent être définis séparément comme illustré à la figure 6 pour la fourniture de la tension de 5 V.

Figure 6. Configuration d’un VRM (SMPS)

Les VRM apparaissent sur le réseau de manière analogue aux autres charges telles que les sources de courant mais on peut le relier à un autre réseau (cf. figure 7) avec la commande “Add VRM To New Network” de son menu contextuel (clic droit).

Figure 7. Connexion d’un VRM à un nouveau réseau

Le VRM apparaît alors comme une source de tension (particulière) dans ce nouveau réseau (figure 8) auquel il reste à ajouter des charges (sources de courant, résistances ou d’autres VRM dans le cas d’architectures complexes d’alimentation).

Figure 8. Nouveau réseau associé au VRM

A noter qu’un VRM linéaire a également été ajouté dans cette simulation dans la mesure où un régulateur linéaire (U15) est utilisé pour produire une tension de 5.2 V comme référence pour la conversion analogique numérique. Une charge (un peu exagérée) de 50 mA est alors placée sur ce réseau auxiliaire au niveau du microcontrôleur (U14). On pourra alors comparer le comportement en termes de dissipation de puissance entre ces deux catégories de VRM.

Approfondissement de l’analyse

Nous avons vu dans le précédent article que l’on pouvait au choix observer les chutes de tension le long d’une piste (ou d’un plan) de cuivre mais également la densité de courant. Il convient toutefois de préciser que la récupération de ces images passe par l’édition d’un rapport dans lequel on vient insérer les cartographies que l’on souhaite montrer (bouton “Image Capture”). On ouvre alors une fenêtre montrant la liste des copies d’écran déjà stockées et regroupées par “net” : chaque groupe contient alors différentes images (chute de tension, densité de courant, avec ou sans sonde) comme le montre la figure 9.

Figure 9. Gestion des captures d’écran

En ce qui concerne les sondes, leur usage est très simple dans la mesure où en cliquant sur le bouton “Probe”, on voit apparaître la fenêtre ci-dessous :

L’appui sur “Location 1” invite à sélectionner un point sur le PCB afin d’effectuer une première mesure. Si on souhaite effectuer une deuxième mesure, il faut cocher la case “Difference” afin d’activer le bouton “Location 2”. Une fois les mesures faites, l’appui sur “Add To Report” ajoute une image dans la liste de celles déjà présentes (indiquant les points de mesure avec des numéros) et la commande “Add To Clipboard” ajoute dans le presse-papier de Windows les détails des deux points de mesure comme par exemple :

Simulation en régime transitoire et analyse spectrale

La notion de rapport correspond enfin à une commande accessible sur la page principale de PDN Analyzer conduisant à un rapport au format HTML (cf. figure 10).

Figure 10. Génération d’un rapport d’analyse

Conclusion

L’objectif de ce deuxième article est de montrer comment on peut, assez rapidement (et sans trop d’efforts), modéliser finement la consommation des différents composants d’une carte électronique et ainsi évaluer la qualité du routage entre ces derniers et les circuits d’alimentation tant du point de vue des chutes de tension le long des pistes que du point de vue des densités de courant rencontrés afin d’éviter des surchauffes dommageables pour la fiabilité à long terme du PCB et des soudures avec les composants. 

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Nicolas Patin a obtenu en 2006 un doctorat en électronique, électrotechnique et automatique de l’école normale supérieure de Cachan. Il est depuis septembre 2007 maître de conférences à l’université de technologie de Compiègne (UTC) où il enseigne l’électronique et plus particulièrement l’électronique de puissance au sein de la formation d’ingénieur au sein d’une filière Mécatronique Actionneurs, Robotisation et Systèmes (MARS). Il mène en parallèle des recherches en électronique de puissance et plus précisément sur les stratégies de modulation appliquées aux convertisseurs statiques et à leur impact sur le vieillissement des condensateurs de découplage (aluminium électrolytiques).

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