Comment garantissez-vous actuellement que vous avez mis suffisamment de cuivre entre vos sources de tension et vos charges ? Est-ce que les plans fournissent la plage de tension nécessaire pour alimenter suffisamment les charges ? Durant les processus de conception de circuits imprimés typiques, ces questions sont souvent sans réponses, et les ingénieurs s’appuient généralement sur un ensemble de normes établies pour se maintenir dans une fourchette conservatrice de valeurs, espérant ainsi éviter les problèmes de PDN. Avec de telles hypothèses, l’ingénieur se prépare à des défaillances catastrophiques qui peuvent compromettre la fiabilité et la réputation de votre produit, quand les erreurs ne sont pas détectées par un prototype.
Comme la densité et la complexité des conceptions numériques ne font que croître, il est de plus en plus difficile et critique de comprendre parfaitement l’impact des décisions de conception sur les performances en tension et en courant de votre réseau de distribution d’énergie (PDN). Au lieu de traiter les problèmes de PDN après coup durant la post-conception en créant des prototypes physiques, de nos jours, les concepteurs de circuits imprimés ont besoin d’identifier avec précision et de résoudre les problèmes de PDN durant la conception, et non après.
En intégrant PDN Analyzer de CST® dans Altium Designer®, nous avons rendu l’analyse PDN accessible et intuitive pour tous les concepteurs de circuits imprimés, quel que soit leur niveau d’expérience. Dans ce guide de démonstration et le TutorielPDN Analyzer Altium, nous allons vous guider pas à pas pour paramétrer le PDN Analyzer, afin que vous vous sentiez à l’aise avec ce logiciel d’analyse réseau et puissiez optimiser votre PDN durant la conception sans avoir besoin du moindre prototype physique.
Guide de l’utilisateur de PDN Analyzer
Chaque conception doit satisfaire aux exigences de consommation électrique des puces montées sur la carte. L’étape la plus critique pour y parvenir consiste à mettre la quantité de cuivre adéquate pour l’alimentation CC. Quand la consommation d’énergie n’est pas vérifiée et optimisée, des chutes de tension surviennent et la résistance des formes d’alimentation et de masse consomme votre tension pour en priver les charges qui en ont le plus besoin.
Diagramme des formes élémentaires d’alimentation et de masse
La figure ci-dessus montre un simple schéma fonctionnel de la source d'énergie et des formes de terrain (traces et plans) qui fournissent l'énergie aux différentes charges (mémoire, microcontrôleurs, etc.). Notez que toutes les charges sont liées aux mêmes formes d’alimentation et de masse, et dépendent de ces formes pour fournir leur(s) tension(s) de fonctionnement. En général, nous avons tendance à supposer que ces formes d’alimentation et de masse ont une résistance de zéro ohm, ce qui n'est jamais vrai, et cette hypothèse peut poser problème. En raison des courants relativement importants en jeu, même de petites résistances dans les formes d’alimentation et de masse peuvent provoquer une consommation d'énergie et des chutes de tension importantes.
Démonstration de l’effet de la chute de tension entre une source d’alimentation et une charge
La figure ci-dessus montre un exemple des problèmes qui peuvent survenir si la résistance d’alimentation et des masses n'est pas correctement prise en compte. Bien que chaque forme présente une résistance relativement faible (de 0,25 Ω seulement), elles entraînent toutefois une chute de tension, qui passe de 5 V à 4,5 V. Le concepteur du tableau doit être conscient de cette baisse et vérifier qu'elle est prise en compte par les outils de conception, ou modifier la conception pour la réduire, sinon elle induire des pannes pendant une utilisation réelle.
Bien sûr, ce problème semble facile à résoudre – il suffit de vous assurer que vos formes d’alimentation et de masse sont suffisamment petites ou grandes pour ne représenter qu’une résistance négligeable, en utilisant la relation suivante : R = ρ * L/A, où :
Si vous concevez des formes d’alimentation courtes, épaisses et larges, vous minimiserez leur résistance. Toutefois, la difficulté de ce processus réside dans le fait que des formes trop grandes consomment inutilement de l’espace de routage et qu’elles peuvent limiter la quantité d’espace dont disposeront les autres formes de tension. Une conception dotée de zones d’alimentation et de masse correctement dimensionnées sera plus compacte et utilisera moins de couches qu’une conception utilisant arbitrairement des plans surdimensionnés. Le but de l’intégrité de l’alimentation CC est de signaler au concepteur si ses formes d’alimentation et de masse sont adéquates et non excessives.
Une autre considération relative à la chute de tension est le fait que la quantité d’électricité consommée est déterminée par la relation I2R, et qu’une légère augmentation de courant à travers une résistance provoque une forte augmentation de la consommation d’énergie. Ce phénomène se manifeste par une autonomie réduite de la batterie ou un réchauffement considérablement de la conception lorsque les formes d’alimentation et de masse ne sont pas suffisamment grandes pour recevoir le courant qui les traverse. Le fait de s’assurer que la chute de tension à travers les formes d’alimentation et de masse est très petite permettra de minimiser la consommation d’énergie dans ces formes.
À l'extrême, si une forme est suffisamment résistive (très étroite et longue) et qu'elle est traversée par un courant suffisant, cette forme devient essentiellement un fusible, faisant fondre la forme en cuivre, ce qui entraîne la défaillance de la conception et peut présenter une situation dangereuse. IPC-2152 aborde cette question, mais avec des hypothèses pessimistes (par exemple, pas de cuivre thermoconducteur à proximité) et les concepteurs utilisent souvent cette spécification avec les hypothèses les plus conservatrices telles qu'une augmentation minimale de la température autorisée.
Bien que le PI-DC ne puisse pas remplacer l'IPC-2152 comme guide des facteurs thermiques, il peut fournir des informations précieuses sur la façon dont la conception électronique peut être optimisée en toute sécurité en étudiant les chutes de tension et les densités de courant du système d'alimentation d'un PCB. Une conception optimisée pour la plus faible densité de courant et la plus faible chute de tension entre les sources et les charges produira également moins de chaleur, ce qui réduira la probabilité de problèmes thermiques.
Un autre aspect traité par l’intégrité de l’alimentation CC est le nombre de vias utilisés pour distribuer le courant. Le problème est très similaire au bon dimensionnement des formes. S’il n’y a pas assez de vias, il en résulte une perte de tension et un gaspillage d’énergie en raison des chutes de tension. S’il y a trop de vias, une surface occupée précieuse est gaspillée. S’il y a trop de vias pour une tension particulière, ces vias passent à travers des formes dans d’autres couches, réduisant leur section de cuivre et causant des problèmes pour les autres tensions. Tout comme le dimensionnement des formes, l’analyse de la tension à la charge permet de dimensionner ou de choisir correctement le nombre de vias.
En l'absence de données fiables sur la chute de tension à travers les différentes formes de puissance et de masse, et les vias, le concepteur est obligé d'être conservateur, en utilisant des formes et des vias planes excessives, en consommant de précieux espaces de conception et en augmentant les couches et le facteur de forme. PDN Analyzer fournit des informations précises sur l'adéquation de la distribution de courant continu d'une conception de manière simple, directe et rapide, ce qui permet aux concepteurs de donner à leurs conceptions la distribution de courant la plus efficace possible.
Non seulement les résultats permettent de faire la vérification finale de la conception, mais ils permettent également, au stade de sa planification, de concevoir la meilleure efficacité possible en termes de distribution de courant. L’intégrité de l’alimentation CC est un outil précieux pour doter le réseau de distribution des plus hauts niveaux d’efficacité et de robustesse. Grâce au PDN Analyzer, le travail avec cet outil CAO est particulièrement simple, intuitive et efficace.
Le logiciel d’analyse de réseau de distribution d’énergie PDN Analyzer est pris en charge par Altium Designer et nécessite un système d'exploitation Windows 64 bits. Pour vérifier que l'extension PDN Analyzer est installée, suivez ces étapes :
Vérification de l’installation de l’extension PDN Analyzer
Si PDN Analyzer n’est pas installé, procédez comme suit :
N’oubliez pas que l’extension PDN Analyzer requiert une licence distincte en plus d’une licence Altium Designer active. Vous pouvez activer votre licence PDN Analyzer en exécutant les étapes suivantes :
Activation de la licence du logiciel d’analyse réseau PDN Analyzer dans Altium Designer
Maintenant que votre extension PDN Analyzer est installée et activée, vous pouvez commencer le processus de configuration de l’interface, exécuter votre première analyse PDN et afficher les résultats.
Configurer votre analyse PDN
La configuration de votre analyse PDN avec l’extension PDN Analyzer se fait facilement. La configuration peut se résumer en quatre étapes simples :
L'ensemble de la configuration peut être enregistré dans un fichier de configuration et rechargé à tout moment. Notez que toutes les analyses sont effectuées sur un seul rail d'alimentation par simulation. L'analyse de plusieurs rails d'alimentation CC exige de définir et d'enregistrer plusieurs configurations dans des fichiers de configuration uniques. Vous pouvez alors analyser individuellement tous les nœuds d’alimentation qui vous intéressent. Si les attributs critiques ne sont pas définis ou sont mal définis, un message s'affiche indiquant l'erreur et empêche la simulation.
Exécuter votre analyse PDN
Lorsque vous avez défini avec succès la configuration de votre matériel PCB, le message Prêt à simuler apparaîtra, vous permettant d'effectuer une analyse CC. Le moteur d'analyse calcule la résistance CC sur tous les trajets des objets en cuivre reliant les broches d'alimentation et de masse des sources à toutes les broches d'alimentation et de masse des charges. La chute de tension CC qui en résulte est ensuite affichée pour que l'utilisateur puisse déterminer l'intégrité du nœud électrique. Les durées d'exécution des analyses varient en fonction de la taille et de la complexité de la conception.
Afficher les résultats de votre analyse PDN
Lorsque l'analyse de la conception sera terminée, les résultats graphiques seront annotés sur les objets physiques en cuivre du nœud analysé et pourront être visualisés en mode 2D ou 3D. Les graphiques d’affichage des résultats des nœuds de masse et d’alimentation, des couches PCB, peuvent être basculés individuellement, ce qui vous permet de localiser n'importe quelle section de votre PDN.
MODE TENSION :
L’affichage est annoté avec une gamme de valeurs codées par couleur reflétant la tension, du minimum au maximum, calculée à des points spécifiques dans l’épaisseur physique de cuivre.
Mode Voltage (tension) du filtre d’affichage
Mode Density Current (densité de courant) :
L'affichage est annoté avec une gamme de valeurs codées par couleur reflétant la densité de courant minimale et maximale sous forme de courant (uA, mA ou A) par superficie (mils carrés, mm carrés ou mètres carrés). Ceci est utile pour déterminer où la largeur/ superficie d'une piste, d'un polygone ou d'un plan en cuivre doit être modifiée pour obtenir une distribution optimale du courant
Mode Current Density (densité de courant) du filtre d’affichage
Note : Remarque : Les valeurs des modes Tension ou Densité de courant d’un point précis dans le cuivre peuvent être affichées comme une valeur numérique en sélectionnant Probe value (valeur de sonde) dans le panneau des résultats et en cliquant sur l’emplacement souhaité.
EXEMPLES PRATIQUES ET DÉMONSTRATIONS
Nous utiliserons le modèle SpiritLevel dans les exemples de cette section. Par défaut, ces fichiers se trouvent dans le dossier Exemple de votre dossier d'installation d'Altium Designer : C:\Users\Public\Documents\Altium\ADxx\Examples\SpiritLevel-SL1
Nous nous concentrerons sur les exemples suivants :
Exemple de projet 1 : VCCINT (1.8V) de U4 à U1
Exemple de projet 2 : VCCO (3.3V) de U3 à U1
Exemple de projet 3 : PWR_IN (5 V) de J1 à F1 et de S1 à U3, U4 et d’autres charges
Paramétrage Exemple 1 : Lancement de l’analyse PDN - VCCINT (1.8V)
Ouvrir l’interface du logiciel d’analyse réseau PDN Analyzer
Les options décrites ci-dessous donnent un aperçu des paramètres qui s’affichent dans l’interface de PDN Analyzer. Si certains de ces éléments n’apparaissent pas, vous devrez peut-être redimensionner le panneau de l’interface. Les éléments dont le fond est atténué et le texte pâle ne sont pas encore modifiables. D’autres informations doivent être fournies avant que ces éléments puissent être modifiés. Les éléments dont le fond est plus net et le texte clair peuvent être modifiés si nécessaire.
Vérification du nœud de masse