Esempio guida per il PDN di Altium

Oggi vi voglio parlare del PDN Analyzer di Altium. L’acronimo PDN è un abbreviazione che deriva dalle parole inglesi Power Distribution Network. 

Questo software è un pacchetto aggiuntivo di Altium molto utile per verificare layout critici, specialmente quelli con correnti elevate o quelli a basse tensioni. Attraverso questo strumento potete non solo migliorare le performance del routing ma anche aumentarne l’affidabilità’ andando a correggere e controllando il vostro layout.

Vorrei mostrarvi un esempio step by step dove utilizzerò PDN Analyzer, tuttavia prima di incominciare ad usare PDN dovete avere una licenza valida attiva e aver scaricato il software attraverso Extensions & Updates di Altium come vi mostra qui sotto la fig. 1.

Fig. 1 – Schermata Extensions & Updates

Per accedere a PDN è molto semplice, selezionate PDN Analyzer sotto Tools dopo aver finito la parte di layout che volete analizzare.

Fig. 2 – Layout Top View

In questo esempio analizzeremo un layout con un microcontrollore che genera 1,2V al suo interno attraverso i 3,3V forniti esternamente. Il microcontrollore dedica 3 pin da collegare esternamente a 4 condensatori al fine di mantenere gli 1,2V ad un livello stabile durante picchi di corrente.

Infine tutti i condensatori e i pin posizionati sul layer 1 (L1) sono collegati tra loro attraverso un Polygon sotto il microcontrollore sul layer 3 (L3) in azzurro. 

Fig. 3 – Layer 3 con net 1.2V evidenziata

Una volta che PDN si è aperto dovete selezionare tutte le net che si vogliono analizzare nella finestra che vi apparirà inizialmente in modo automatico, in alternativa potete cliccare su DC Nets. In questo caso 1.2V ed GND sono stati scelti. Clicca add selected prima di premere OK. 

Fig. 4 – PDN Analyzer Finestra iniziale di selezione delle nets

Successivamente dovreste vedere la finestra principale di PDN con 2 rettangoli arancioni, qui bisogna assegnare le <Power Net> e <Ground Net> in questo esempio la net 1.2V a e GND sono state assegnate.

Quando vi trovate con più net per <Power Net> e <Ground Net>, per aggiungere elementi in serie (ad esempio quando avete una resistenza 0 ohm o un interruttore switch) cliccate con il pulsante destro del mouse sulla vostra Net e selezionate extend net.

Fig. 5 – Aggiunta della sorgente di tensione al sistema

Il passo successivo è quello di aggiungere le sorgenti di corrente, tensione e i carichi del sistema per ottenere qualcosa simile alla figura 6. 

Fig. 6 – Aggiunta del carico al sistema

In questo esercizio ho scelto il condensatore C14 più grande del sistema 1.2V come sorgente di tensione, il condensatore è selezionato nel layout di figura 7. 

PDN offre alcuni parametri dove si possono manipolare alcuni componenti: ad esempio è possibile aggiungere un valore a Rout uguale alla ESR dei condensatori ESR. Gli altri 3 condensatori più piccoli sono stati ignorati in questa simulazione ma sarebbero potuti essere considerati come sorgenti di tensione in parallelo magari andando a limitare la corrente massima, usando sempre i parametri delle sorgente di tensione.

Il microcontrollore U1 sarà invece usato come carico nella simulazione, per semplicità ho deciso di usare 1A come corrente di carico. E’ possibile usare un singolo carico per tutti e 3 i pin come fatto in figura 8: l’importante selezionare i pin corretti quando si clicca sotto al parametro Pin(s).

Fig. 7 – Layout con condensatore C14 più grande selezionato sopra il microcontrollore

Fig. 8 – Selezione dei pin dei componenti per la sorgente di tensione e il carico del sistema

Al termine della creazione del sistema si può cliccare su Analyze e vedere i risultati direttamente sul Layout.

Dopo la simulazione compariranno informazioni aggiuntive anche al sistema precedentemente visto in fig 6: per maggiori dettagli potete posizionare il mouse sopra le sorgenti di tensione e attraverso la finestra principale di PDN potete attivare sliders e punti specifici per visualizzare correnti o tensioni direttamente sul PCB fig 8.

Fig. 8 – Studio del sistema e visualizzazione dei risultati iniziali ottenuti

Come si può facilmente osservare la tensione può scendere fino 1.194V. Per migliorare questo risultato è possibile allargare le piste che partono dai condensatori per raggiunge il polygon quadrato centrale e rimuovere i thermal relief ai vias.

Per far configurare il tipo di connessione al polygon si possono aprire le PCB Rules: sotto Polygon Connect Style selezionare Advanced e modificare Via Connection scegliendo Direct Connect fig. 9.

Fig. 9 – Modifica delle impostazioni di connessione ai polygons in Altium

Dopo aver fatto un “repoure” dei polygons e un ridimensionamento di alcune piste, è ora interessante rianalizzare il layout con PDN e vedere che la tensione non scende sotto i 5mV fig. 10.

Fig. 10 – layout finale e visualizzazione dei risultati ottenuti.

Si può dunque evincere che le modifiche hanno apportato un risultato positivo con un miglioramento del 15-20%. Non va però dimenticata la seconda parte del layout che caratterizza le perdite in tensione ovvero la net GND. Quest’ultima dovrà essere analizzata con PDN ed eventualmente modificata al fine di raggiungere i risultati voluti.

Spero che questo abbiate trovato questo articolo interessante e utile per capire meglio PDN e come sempre buon lavoro.