Intégrité de l'alimentation et logiciel de conception de PCB

Les circuits imprimés modernes sont sujets à un grand nombre de problèmes d'intégrité de l'alimentation, en particulier lorsqu'il s'agit de cartes haute vitesse qui fonctionnent avec des vitesses de transmission élevées. Un contrôle précis de l'impédance du réseau de distribution électrique est alors requis pour garantir une puissance stable dans l'intégralité du circuit.

À défaut, des ondulations et du bruit risquent d'apparaître dans le réseau de distribution de l'alimentation lorsque les signaux rapides changent d'état. Puisqu'un plus grand nombre de signaux commutent dans les circuits intégrés de taille conséquente, il en résulte, par ailleurs, un risque accru d'instabilité des alimentations et de perturbation du système en fonctionnement.

Vous vous demandez peut-être en quoi consiste l'analyse de l'intégrité de l'alimentation. Il s'agit d'un ensemble de méthodes qui visent à déterminer la manière dont vos composants consomment de l'énergie ainsi que la façon dont la structure de votre carte impacte sa stabilité.

Altium Designer offre de précieux outils d'analyse de l'intégrité de l'alimentation, tels que la nouvelle extension Power Analyzer de KeySight.

Dans cet article, vous découvrirez comment accéder à ces fonctionnalités et analyser l'intégrité des alimentations dans un circuit imprimé.

Défis liés à l'intégrité de l'alimentation en courant continu et alternatif

Certains produits fonctionnent à haute tension, à haute vitesse, à courant élevé, à haute fréquence ou avec toutes ces conditions réunies. Divers problèmes d'intégrité du signal et d'alimentation sont alors d'autant plus susceptibles d'apparaître en cours de fonctionnement.

L'analyse de l'intégrité des alimentations vise à identifier ces problèmes sous deux conditions : en courant continu et en courant alternatif. Cette analyse peut aussi être divisée en deux phases : sur le schéma et sur le layout du PCB. Des experts en simulation peuvent également être amenés à évaluer la conception avant le prototypage ou la production afin d'identifier tout problème d'intégrité en CC et en CA.

L'analyse de l'intégrité des alimentations consiste à analyser la structure et le comportement électrique du réseau de distribution électrique dans un PCB. Pour être plus précis, il s'agit là de calculer un certain nombre de grandeurs électriques susceptibles de traduire un problème d'intégrité de l'alimentation.

Certaines grandeurs pourront ainsi être déterminées à l'aide d'outils de simulation afin de déduire divers problèmes d'intégrité qui pourraient être observés dans un circuit imprimé pendant son fonctionnement. Ces grandeurs incluent notamment :

• Les paramètres Z du réseau de distribution électrique (auto-impédance et impédance de transfert) en courant alternatif et continu, ou paramètres S
• La résistance en CC et la densité de courant dans les rails et les plans
• La répartition de la tension et du courant sur le schéma de montage
• La réponse transitoire sur les rails d'alimentation observée dans le domaine temporel.

Ces grandeurs mathématiques essentielles à l'analyse de l'intégrité des alimentations peuvent être calculées sur le schéma à l'aide de modèles SPICE ou IBIS, ou encore dans le circuit imprimé à l'aide d'un solveur de champ électromagnétique. Une fois ces valeurs calculées, elles devront être comparées aux valeurs attendues.

Quels sont les problèmes d'intégrité de l'alimentation susceptibles de mettre à mal votre circuit imprimé ?

Divers problèmes d'intégrité de l'alimentation peuvent survenir dans un circuit imprimé. Ces derniers peuvent tous être mis en relation avec les grandeurs énumérées ci-dessus.

Voici quelques-uns des problèmes couramment observés :

• Effondrement important du rail d'alimentation (ondulation, considérée comme une réponse transitoire) et rebond de masse
• Émissions rayonnées dues à un faible découplage et à l'ondulation
• Couplage de bruit entre différentes zones d'un PCB
• Dissipation excessive de puissance produisant de la chaleur.

Lorsque l'on conçoit un réseau de distribution électrique, l'objectif est de s'assurer que la puissance consommée par les composants du PCB est acheminée avec une instabilité minimale.

Certains des problèmes d'intégrité de l'alimentation évoqués ci-dessus se traduisent par des problèmes d'intégrité du signal (en particulier du rebond de masse) ainsi que des problèmes d'interférence/de compatibilité électromagnétique (couplage et émissions de bruit).

Le tableau qui suit associe les problèmes d'intégrité d'alimentation aux grandeurs mathématiques qui les trahissent.

Pour en savoir plus sur ces facteurs et leur impact sur la stabilité des alimentations, consultez les ressources suivantes.

• En savoir plus sur la simulation et l'analyse de l'intégrité des alimentations dans notre ebook gratuit (en anglais)

Intégrité de l'alimentation dans les schémas

Le schéma est un bon point de départ pour commencer à modéliser l'intégrité de l'alimentation en courant alternatif dans un layout de PCB.

Pour ce faire, il est possible d'utiliser des simulations SPICE ou IBIS pour modéliser votre stratégie de découplage et déterminer si votre schéma de montage idéal peut assurer une alimentation stable, en particulier, dans le cas de circuits intégrés numériques rapides.

Toutefois, l'analyse de l'intégrité de l'alimentation au niveau du schéma ne tient pas compte des facteurs physiques importants d'un layout de PCB, lesquels auront aussi un impact sur l'intégrité de l'alimentation. Néanmoins, elle aidera le concepteur à déterminer des objectifs de conception pour le réseau de distribution électrique afin de garantir une alimentation aussi stable que possible.

Pour ce faire, le concepteur devra modéliser la réponse du PDN à l'aide de composants génériques pour représenter les aspects physiques du layout du PCB. Ces aspects physiques incluent notamment :

• Les modèles de condensateurs de découplage/dérivation, incluant les valeurs ESR et ESL
• La capacité électrique du plan, qui est généralement de l'ordre d'un pF
• L'inductance de répartition ou l'inductance de la zone où le courant existe dans les couches de plan de puissance/masse
• L'inductance de vias, bien que cela soit normalement inclus dans les modèles de condensateurs de découplage/dérivation
• Une topologie avec plusieurs rails dans le PDN
• Un élément de commutation qui simule un flux binaire afin qu'une réponse transitoire périodique puisse être observée

Un modèle relativement simple qui inclut uniquement les éléments RLC est présenté dans l'exemple de feuille de schéma ci-dessous.

Cet exemple peut être utilisé pour estimer l'impédance du réseau de distribution électrique et la pente inductive dans le spectre d'impédance PDN à plusieurs centaines de MHz. Le modèle permet également de visualiser directement l'ondulation sur le PDN en exécutant une simulation d'analyse transitoire.

Les blocs de circuit RLC en série présentés ci-dessus sont utilisés pour modéliser un réseau de condensateurs de découplage qui pourrait être placé sur la carte.

La section inférieure montre les connexions entre les couches de plan et un boîtier de composants. Enfin, le transistor est utilisé avec une source pulsée pour modéliser le courant consommé dans le réseau.

Les mesures de courant et de tension aux points de sortie peuvent être utilisées pour déterminer l'impédance du PDN en utilisant la loi d'Ohm. L'une des méthodologies standard d'une simulation SPICE (sensibilité, Monte-Carlo, évaluation de la réponse impulsionnelle, etc.).

Sur la base de ces résultats, il est possible de déterminer des valeurs cibles pour les éléments RLC dans votre modèle SPICE. Le principal aspect physique déterminé est la capacité électrique du plan, ainsi que le nombre de condensateurs de découplage.

D'autres informations pourront être obtenues une fois le schéma de montage du PCB terminé et prêt à être évalué.

Intégrité de l'alimentation en courant continu dans le schéma de montage

La résistance au courant continu d'un circuit imprimé dépend des dimensions du plan d'alimentation et des interconnexions. Par ailleurs, il s'agit du point de départ pour comprendre l'intégrité de l'alimentation.

Une fois cet aspect du circuit déterminé, le concepteur peut prendre les mesures nécessaires pour s'assurer qu'il atteint les objectifs d'impédance cible et éviter ainsi les problèmes d'intégrité du signal qui découlent d'une alimentation instable.

Altium Designer propose désormais une extension d'analyse de l'intégrité de l'alimentation : Power Analyzer de KeySight. Cet utilitaire permet de configurer un arbre de puissance en fonction de votre netlist et des informations de votre projet. Un exemple est présenté ci-dessous.

Remarque : l'extension Power Analyzer ne prend actuellement en charge que l'analyse de l'intégrité de l'alimentation en courant continu. 

L'analyse de l'alimentation en CC commence lors du schéma de montage et nécessite de mettre en œuvre une simulation qui cartographiera la répartition de la puissance au niveau des différents filets d'alimentation. Elle est représentée visuellement sous la forme d'un arbre avec différents niveaux de puissance. Celui-ci permet de cartographier le flux de puissance d'une entrée de niveau supérieur jusqu'à l'appareil.

Une fois cet arbre configuré, il peut être utilisé pour déterminer la résistance en continu dans le PDN.

L'image ci-dessous présente un exemple d'analyse avec Power Analyzer dans Altium Designer. Cette extension fournit des calculs d'intégrité des alimentations directement dans l'éditeur de circuits imprimés d'Altium Designer.

Les résultats sont automatiquement comparés aux objectifs ou aux contraintes de conception. Aucun outil d'analyse supplémentaire n'est nécessaire pour mettre en œuvre ce calcul et les résultats n'ont pas besoin d'être vérifiés manuellement par rapport à vos règles de conception.

Les résultats ci-dessous représentent le courant continu sous forme de carte thermique dans une piste large entre deux vias.

L'outil montre notamment que le courant calculé dans les vias joints est de 1,785 A. Selon les objectifs de conception et les limites de courant en fonctionnement définis dans les normes IPC, il est possible de déterminer si une modification de la conception est nécessaire.

Une fois ces modifications apportées, la simulation peut être immédiatement relancée et les résultats peuvent être examinés à nouveau pour déterminer si les problèmes identifiés ont été résolus.

Si nous effectuons un zoom arrière depuis des pistes ou des rails individuels, il est possible d'observer la répartition du courant sur une couche de plan ou le long de grandes interconnexions. On pourra ainsi sélectionner et examiner plusieurs points sur un rail d'alimentation afin d'identifier toute chute de tension ou densité de courant, toujours sous forme de carte thermique.

Cette vue permet de déterminer facilement quand la résistance en continu d'un réseau devient trop importante ou lorsqu'un goulot d'étranglement engendre un point sensible.

• Pour en savoir plus sur Power Analyzer de Keysight, consultez la documentation technique

Analyse de l'intégrité de l'alimentation en courant alternatif pour la conception haute vitesse

Les circuits imprimés haute vitesse nécessitent un contrôle strict de l'impédance au niveau de la ligne de transmission pour garantir leur bon fonctionnement, mais aussi une très faible impédance au niveau du réseau de distribution de l'alimentation.

Les circuits imprimés destinés à des systèmes numériques haute vitesse sont ainsi conçus en tenant compte d'une impédance cible. Notons également que l'impédance du PDN dépend à la fois de l'empilage des circuits imprimés, des condensateurs de découplage sélectionnés et de l'épaisseur du stratifié. Le réseau de distribution électrique devra donc aussi être conçu pour respecter un spectre d'impédance cible.

Conserver l'impédance du PDN faible est important pour éviter que les composants haute vitesse n'engendrent une ondulation du rail d'alimentation ou un rebond de masse lorsqu'ils changent d'état. Si l'impédance du PDN est suffisamment faible, ces effets ne seront pas observés dans le système.

Une fois l'impédance de plan dans le réseau de distribution électrique calculée, il sera dès lors possible de déterminer si des ondulations et des bruits de rail d'alimentation entraîneront une chute de l'alimentation hors des limites autorisées.

Power Analyzer de Keysight et les outils de simulation déjà disponibles dans Altium Designer^® peuvent vous aider à évaluer la qualité de vos cartes grâce à l'analyse de l'intégrité de l'alimentation.

De nouvelles mises à jour de l'extension Power Analyzer vous seront bientôt proposées afin de vous offrir plus de fonctionnalités, notamment une analyse de la puissance de courant alternatif intégrée à l'éditeur de circuits imprimés. Consultez la page Nouveautés pour connaître les nouvelles fonctionnalités d'Altium Designer.

• Altium Designer vous offre tout ce dont vous avez besoin pour la conception, la fabrication, le layout, le routage et la simulation.

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• L'utilitaire Power Analyzer extrait directement les données du gestionnaire d'empilements de couches et de l'éditeur de circuits imprimés pour créer de puissantes simulations et fournir rapidement aux concepteurs les informations dont ils ont besoin pour garantir l'intégrité des alimentations.

  En savoir plus sur l'utilitaire Power Analyzer dans Altium Designer.

• Lorsque vous devez partager votre projet avec d'autres concepteurs de circuits imprimés ou votre fabricant, Altium 365 vous permet de partager instantanément vos données de conception et de production de circuits imprimés via Altium Designer ou sur le Web.

  En savoir plus sur le partage des données de votre projet de PCB avec Altium 365.

Altium s'engage à vous offrir en permanence les meilleurs outils d'analyse de l'intégrité des alimentations, le tout intégré au schéma et au layout de vos circuits imprimés. Au fur et à mesure que ces fonctionnalités sont intégrées à l'application, des simulations d'intégrité plus avancées seront accessibles dans l'éditeur de circuits imprimés.

Outre les améliorations apportées à l'éditeur, des fonctionnalités supplémentaires seront mises à la disposition des collaborateurs via la plateforme Altium 365^™.

Tout cela n'est qu'un aperçu des possibilités offertes par Altium Designer sur Altium 365.

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