La conception pilotée par simulation peut résoudre les problèmes de signal de votre PCB et plus encore

Si vous travaillez dans l'industrie électronique ou dans la recherche, il y a des chances que les simulations fassent régulièrement partie de votre quotidien. Les systèmes plus simples peuvent être conçus avec intuition et simulés après que les conceptions soient terminées, mais les systèmes plus avancés fonctionnant à des fréquences élevées ou à des débits de données très élevés nécessitent une qualification avant et après qu'un agencement de PCB soit complet. Le logiciel de simulation doit prendre un rôle plus important dans la conception de PCB pour de nombreux systèmes avancés.

Malheureusement, de nombreux outils de simulation ne sont pas si intuitifs pour la plupart des concepteurs car ils n'ont pas été conçus pour être utilisés par les utilisateurs de logiciels de conception de PCB. La tendance est en train de changer et ces systèmes deviennent beaucoup mieux en termes d'ergonomie, mais leur utilisation dans le processus de conception est ce qui rend les outils de simulation si puissants.

Que examiner dans les simulations de PCB

La conception pilotée par simulation pour l'électronique commence par créer une interface entre vos outils de conception, système de gestion des données et applications de simulation. Les équipes de conception électronique professionnelles d'aujourd'hui sont multifonctionnelles avec une expérience couvrant les disciplines électriques, mécaniques, thermiques et de fiabilité. Les équipes de conception ont besoin de systèmes qui les aident à partager rapidement les données de conception physique, exporter les modèles de simulation et exécuter des simulations d'évaluation de conception.

Le processus de conception pilotée par simulation pour les PCB couvre trois grands domaines et suit un processus particulier :

1. Simulations de circuits
2. Simulations au niveau de la carte
3. Simulations d'assemblage

Le processus est itératif, c'est pourquoi je dessine des flèches pointant vers les étapes précédentes. Tout problème identifié dans les résultats de simulation de circuits peut vous obliger à revenir dans les schémas et à modifier vos conceptions de circuits. À l'étape de simulation de PCB, les résultats peuvent indiquer des modifications requises dans les circuits, la disposition du PCB, ou les deux. Cela peut être le cas avec les simulations EMI, SI/PI, et thermiques ; tous ces résultats peuvent indiquer des changements nécessaires dans vos circuits, ce qui peut alors vous forcer à apporter des modifications dans la disposition du PCB.

Simulations de circuits (y compris les lignes de transmission !)

Les utilisateurs de SPICE connaissent tout sur les simulations de circuits. Une vaste gamme de comportements importants peut être examinée et évaluée dans les simulations SPICE, à la fois dans le domaine temporel et dans le domaine fréquentiel. Les simulations SPICE sont le pilier des concepteurs de circuits, et le

• Déterminer si les circuits analogiques et de puissance fournissent la fonctionnalité prévue
• Utiliser les attentes de puissance dans les circuits pour les simulations ultérieures
• Vérifier les tolérances des composants sur les circuits de précision
• Vérifier la fonctionnalité de logique spécialisée dans un circuit logique phénoménologique

Toutes ces tâches peuvent être réalisées dans des simulations SPICE tant que les définitions de modèles pour les composants sont disponibles. Chacun des domaines mentionnés ci-dessus pourrait faire l'objet d'un article à part entière, donc je ne vais pas entrer dans ces détails ici.

Les systèmes qui nécessitent l'intégrité des signaux numériques ou des simulations de signaux RF au niveau du circuit ou du schéma tendent à être beaucoup plus avancés et ils nécessitent un modèle de circuit équivalent ou un réseau linéaire définissant le comportement de cette structure. Les simulations avec ces structures dans vos circuits utilisent des paramètres de réseau, typiquement des paramètres ABCD ou un autre ensemble de paramètres de réseau linéaire qui permet une mise en cascade simple entre composants linéaires.

1. Concevez une ligne de transmission candidate ou une structure RF sur votre empilement prévu
2. Simulez sa performance, typiquement en utilisant des paramètres S ou des fonctions de transfert
3. Itérez la conception pour maximiser les objectifs de performance
4. Une fois la performance acceptable, extrayez un modèle de réseau linéaire ou un modèle de circuit équivalent
5. Utilisez le modèle extrait dans vos simulations SPICE avec vos autres composants

Des modèles de réseau linéaire pour ces structures peuvent être extraits avec un programme de simulation comme Keysight PathWave ADS, Simbeor, Ansys, ou CST Microwave. Un exemple de réseau linéaire extrait déterminé à partir d'une conception de package sur un PCB est montré ci-dessous.

Réseau linéaire extrait pour deux boîtiers de composants et leur interconnexion sur un PCB. Image gracieuseté de Simberian.

Une fois ce réseau linéaire ou circuit équivalent extrait intégré dans votre simulateur de circuit, vous pouvez simuler la performance de votre conception d'interconnexion prévue. Ce type de processus de simulation est une approche standard utilisée pour comprendre le comportement des interconnexions sur des bus numériques rapides, tels que les normes DDR, PCIe, MIPI, etc. Une fois la conception prévue qualifiée, vous pouvez l'utiliser dans votre agencement de PCB avec vos autres composants.

Les simulations de circuits supposent un monde parfait, où un circuit est isolé de tous les autres circuits. Les effets réels impliquant le bruit, le couplage de signaux/le diaphonie, et les émissions rayonnées/conduites doivent être déterminés au niveau du PCB une fois l'agencement terminé.

Simulations au niveau de la carte

Une fois l'agencement du PCB terminé, des simulations au niveau de la carte sont effectuées pour évaluer les interconnexions importantes, l'alimentation, l'EMI/EMC, et la température. Toutes les parties du PCB n'ont pas besoin d'être simulées ; les circuits les plus importants qui ont été examinés dans les simulations de circuits devraient également être examinés dans les simulations post-agencement lorsque cela est possible. Par exemple, cela pourrait inclure :

• Intégrité du signal: Simulations MoM/BEM pour la vérification de l'impédance et l'extraction des paramètres de réseau, simulations BER dans les canaux à haute vitesse, formes d'onde de réflexion et de diaphonie
• Intégrité de l'alimentation: Extraction de l'impédance du réseau de distribution d'énergie, modélisation transitoire, cartographie de la densité de courant, avec balayage de DC à des fréquences GHz
• Analyse EMI: Rayonnement en champ proche et lointain provenant des interconnexions à haute vitesse/haute fréquence, EMI provenant des transitoires, efficacité du blindage et susceptibilité aux EMI peuvent être examinés
• Simulations thermiques: Distribution de la température due au chauffage Joule des composants de haute puissance et à la chaleur provenant de sources externes, convection naturelle et forcée, cartographie de la conductivité thermique

La liste des simulations spécifiques au niveau du circuit imprimé qui pourraient être effectuées est assez longue, mais les objectifs sont toujours les mêmes : s'assurer que le placement des composants et la conception des interconnexions dans la disposition du PCB n'affectent pas les performances de votre système telles qu'elles ont été qualifiées dans les simulations de circuit. Il est important de comparer les résultats avant et après l'agencement pour s'assurer que le dispositif n'est pas grandement affecté par les éléments intégrés dans la disposition du PCB.

Une grande partie du temps, cela concerne l'intégrité du signal, et ce domaine de conception reçoit généralement une attention majeure. Voici des exemples de résultats de simulation que vous pouvez générer à partir de votre mise en page PCB Altium :

• Identification de l'EMI de champ proche dans le réseau de distribution d'énergie d'un PCB
• Analyse du diaphonie sur les interfaces de bus parallèles FIFO et DDR4
• Détection des violations d'impédance DDR4 dans la conception de PCB haute vitesse

Les comparaisons de diagrammes de l'œil, les simulations de paramètres S et les calculs d'impédance sont quelques-uns des principaux outils utilisés pour qualifier les interconnexions pour l'intégrité du signal numérique.

D'autres domaines où les simulations post-conception sont très importantes au niveau du PCB sont l'intégrité de la puissance et l'intégrité thermique, qui se rapportent respectivement à la fonctionnalité et à la fiabilité. Cependant, les choses peuvent encore changer une fois que la conception est mise dans son assemblage complet et son boîtier/emballage prévu. C'est là que la collaboration avec un autre groupe d'ingénieurs en simulation est nécessaire pour qualifier les performances mécaniques et thermiques, ainsi que le potentiel de défaillance EMC.

Simulations d'Assemblage

Une fois la carte entièrement assemblée, les exigences thermiques peuvent quelque peu changer, et la carte peut nécessiter une qualification mécanique pour assurer sa fiabilité, sa capacité à résister aux chocs, ou sa capacité à résister aux vibrations. Ce ne sont là que quelques exemples des points mécaniques à examiner dans un assemblage complet.

• Simulations mécaniques : Distribution des contraintes conduisant à une défaillance due à un choc mécanique, à une flexion, à des vibrations, à des tests de chute
• Fiabilité et durée de vie : Probabilité de défaillance due à des cycles thermiques, chocs thermiques/mécaniques, infiltration d'humidité et fatigue due aux vibrations ; évaluation par rapport aux normes de fiabilité industrielles
• Flux d'air et dissipation de la chaleur : Dans l'enceinte, le flux d'air doit généralement suivre un chemin spécifique, et l'enceinte peut impacter le flux de chaleur loin des parties centrales de l'appareil

Ces aspects de la qualification d'un assemblage sont réalisés en utilisant des solveurs de champs plus avancés et ils n'impliquent pas directement votre logiciel de conception et de mise en page de PCB. L'outil de conception de PCB que vous utilisez devrait fournir un fichier d'exportation mécanique ou électro-mécanique compatible qui peut être utilisé dans votre application de solveur de champs.

Pour les simulations de flux d'air, une application de co-simulation CFD-thermique est nécessaire, et cela est généralement effectué par un spécialiste en multiphysique. Un exemple impliquant l'assemblage complet, avec

L'EMI/EMC sera également affectée par la présence d'un boîtier et d'éléments mécaniques dans le produit, il est donc judicieux de simuler également ces points. Cela implique à nouveau l'utilisation d'un solveur de champ électromagnétique 3D capable de résoudre les équations de Maxwell à l'intérieur de votre assemblage, et ce processus nécessite une certaine spécialisation pour garantir l'exactitude des résultats finaux. Cela est utile comme forme de qualification avant que les tests de pré-conformité du produit soient effectués et cela pourrait vous aider à examiner si des mesures de blindage au niveau de l'assemblage supplémentaires devraient être mises en œuvre avant de finaliser un design.

Toujours Tester Vos Simulations et Votre Conception !

"Tester" une simulation implique de quantifier les paramètres de simulation par rapport à un modèle ou une structure correctement connu. Par exemple, si vous disposez d'un modèle de référence et d'une structure similaire à l'appareil que vous concevez, et que vous connaissez la performance à partir de tests et mesures, vous pouvez utiliser cela pour qualifier la précision de votre approche de simulation et les paramètres de configuration (style de maillage, résolution, etc.) dans votre application de simulation. L'objectif ici est d'éviter le phénomène d'entrée-sortie erronées (GIGO), où les résultats de la simulation sont mathématiquement corrects mais ne reflètent pas précisément votre conception spécifique.

Ce prochain point peut sembler évident, mais une qualification et des tests approfondis sont bien plus que simplement mettre en marche l'appareil pour voir s'il fonctionne. Si vous avez simulé une métrique de performance dans la conception, elle doit également être examinée lors des tests et mesurée si possible. La raison en est simple : parfois, les simulations ne capturent pas (ou ne peuvent pas capturer) la situation spécifique de votre agencement et assemblage. Il y a aussi la possibilité que la simulation ait souffert du problème GIGO. Le problème GIGO est très réel dans les simulations, et c'est pourquoi les outils de simulation doivent être qualifiés contre une référence connue et fiable avant de les appliquer à un nouveau design.

Altium Designer inclut une variété d'outils de conception et de simulation avancés qui peuvent vous aider à diagnostiquer et à éviter les problèmes SI/PI/EMI, et vous pouvez facilement passer votre conception aux ingénieurs de simulation utilisant des solveurs de champs plus avancés. Cela vous offre une approche globale de la conception pilotée par simulation qui n'est disponible nulle part ailleurs. Vous pouvez maintenant télécharger un essai gratuit et découvrir si Altium Designer est adapté pour vous. Pour en savoir plus sur les grands avantages que la conception pilotée par simulation peut vous offrir, parlez dès aujourd'hui à un expert Altium.