Come simulare circuiti stampati PCB

Zachariah Peterson
|  Creato: September 13, 2021  |  Aggiornato: October 26, 2021
Come simulare circuiti stampati PCB

Ciascun progetto di circuito stampato PCB deve superare un certo livello di valutazione prima di poter passare alla produzione su larga scala. I progetti vengono generalmente sottoposti a collaudo elettrico in fase di produzione ed assemblaggio ma esistono alcuni aspetti del comportamento elettrico e meccanico che, una volta assemblata la scheda, sono difficili da quantificare durante i test. Invece di effettuare test per ogni aspetto del progetto, gli strumenti di simulazione PCB possono essere utilizzati per calcolare il comportamento elettrico della scheda prima di passare alla produzione.

Perché è meglio utilizzare strumenti di simulazione per circuiti stampati invece dei test generici? Spesso accade che alcune caratteristiche elettriche siano difficili da testare senza realizzare schede di collaudo e dispositivi specifici. Alcuni aspetti progettuali sono semplicemente troppo costosi da testare per molti progettisti. Per esempio, gli strumenti necessari per misurare in modo completo il comportamento del segnale in una linea di trasmissione ad alta velocità possono costare oltre 250.000$. Gli strumenti di simulazione PCB consentono ai progettisti di calcolare lo stesso comportamento del segnale in un contesto realistico utilizzando i dati ottenuti direttamente dal layout PCB. In quest'articolo, vedremo alcuni aspetti importanti relativi alla creazione e all'esecuzione di simulazioni PCB, sia all'interno del software di progettazione PCB che in applicazioni esterne.

Simulazione PCB e valutazione front-end

Le simulazioni di circuiti stampati PCB iniziano già nella fase di progettazione durante la cattura degli schemi, con l'utilizzo delle simulazioni SPICE nella progettazione del circuito. Le simulazioni SPICE non sono solo utili per valutare il comportamento elettrico a livello di sistema, ma anche per l'ottimizzazione del circuito durante l'intero processo di progettazione. Un software di cattura degli schemi con un pacchetto di simulazione SPICE integrato può aiutare ad ottimizzare la produttività e completare alcune simulazioni fondamentali per valutare il comportamento elettrico della scheda.

Applicazioni dei pacchetti SPICE

I pacchetti SPICE utilizzati per la progettazione ingegneristica e le simulazioni front-end sono pensati per eseguire una serie di analisi specifiche:

  • Verifica in corrente continua, dove la tensione CC in ingresso passa attraverso una serie di valori, mentre vengono monitorate la tensione e la corrente in altri nodi
  • Analisi transitoria, o simulazioni del segnale misto nel dominio temporale; questa è la simulazione del dominio temporale di base
  • Scansione in corrente alternata, o scansione di frequenza, dove la frequenza di un segnale in corrente alternata varia nel tempo
  • Verifica dei parametri, dove un insieme specifico di parametri dei componenti è verificato attraverso una serie di valori
  • Analisi di polo zero, dove le condizioni di stabilità e le frequenze di oscillazione transitoria possono essere visualizzate in un unico grafico

Alcuni programmi di cattura degli schemi con motori SPICE integrati possono essere utilizzati per simulazioni più avanzate, come l'analisi del rumore e l'analisi termica.

La maggior parte dei progettisti avrà probabilmente già usato SPICE per analizzare circuiti lineari o non lineari di base, ma queste simulazioni possono essere utilizzate anche per esaminare componenti reali, a patto che sia disponibile un modello di sottocircuito SPICE per quel componente specifico. I modelli SPICE possono essere personalizzati per i componenti in base alle loro relazioni di ingresso e uscita e alle condizioni logiche nell'ingresso del componente. Questi modelli possono essere forniti direttamente dai fornitori, consentendo ai progettisti di simulare correttamente il comportamento del componente e degli altri elementi del circuito.

Simulazioni SPICE all’interno del processo di progettazione

Le simulazioni SPICE possono essere utilizzate in più fasi del processo di progettazione per valutare il comportamento elettrico all'interno di circuiti cruciali. Dopo la configurazione, una simulazione SPICE può essere eseguita ripetutamente in fasi diverse del processo di progettazione. Una volta completata, i dati possono essere quindi visualizzati all'interno di grafici per effettuare ulteriori verifiche e analisi. In questa fase, è possibile individuare comportamenti elettrici in grado di generare problemi di integrità del segnale. Questo offre la possibilità di modificare il progetto prima di procedere al layout del PCB.

Analisi transitoria della simulazione SPICE
Questi risultati di simulazione SPICE per un convertitore di commutazione mostrano la presenza di difetti durante il funzionamento in modalità di conduzione discontinua. 

Sebbene SPICE sia la più comune fra le simulazioni front-end durante la cattura degli schemi, altri strumenti di simulazione front-end come i modelli IBIS e Multisim possono essere utilizzati per simulare circuiti elettrici, componenti e persino interi sistemi. Dopo la valutazione completa di un progetto iniziale, questo può essere trasferito in un nuovo layout PCB e sottoposto a ulteriori valutazioni.

Calcolo dell'impedenza nella progettazione dello stackup PCB

Una volta creata, simulata e valutata una serie iniziale di schemi elettrici, è il momento di passare alla creazione dello stackup per la scheda vuota e di determinarne l'impedenza. L'impedenza delle connessioni ad alta velocità nello stackup PCB deve essere determinata con una precisione spesso superiore al 95%. L'obiettivo è quello di utilizzare lo stackup per determinare la larghezza della traccia necessaria per raggiungere l'impedenza richiesta sull'interconnessione. Sebbene sia possibile utilizzare formule per determinare la larghezza della traccia necessaria, queste potrebbero essere imprecise. Potrebbe quindi essere necessaria una simulazione più sofisticata per determinare l'impedenza delle tracce a terminazione singola e delle coppie differenziali poste su layer di segnale diversi.

I calcolatori avanzati di stackup PCB utilizzano un metodo di calcolo dell'elemento perimetrale o il metodo dei momenti per determinare l'impedenza di una traccia a frequenze specifiche. Questi calcoli numerici automatizzano il processo di determinazione della larghezza della traccia necessaria per raggiungere un'impedenza specifica. Tuttavia, la maggior parte dei calcolatori costringe a utilizzare una formula obsoleta tratta da IPC-2141, o richiede la replica manuale dei valori di larghezza della traccia fino al raggiungimento del valore d'impedenza di riferimento.

Calcolatore dell'impedenza PCB
Le larghezze di traccia possono essere calcolate utilizzando una tecnica numerica incorporata nelle migliori utility di gestione dello stack layer PCB.

Parametri per determinare l’impedenza

Esistono alcuni parametri importanti che l'editor dello stackup deve utilizzare per determinare l'impedenza ad alta frequenza:

  • Rugosità del rame: questo parametro è specifico per il processo di produzione e aumenta l'impedenza di superficie della traccia.
  • Dispersione dielettrica: questo parametro indica come la velocità della luce e le perdite variano nel substrato del PCB.

I calcolatori più avanzati includono queste variabili, consentendo un calcolo dell'impedenza estremamente preciso. Una volta determinata la larghezza della traccia necessaria perché le connessioni specifiche raggiungano l'impedenza di riferimento (di solito 50 Ω), questa può essere impostata come regola di progettazione nelle funzionalità di routing PCB.

Simulazioni del circuito stampato durante il layout e il routing PCB

Una volta terminato il posizionamento dei componenti e prima di procedere alla fase di routing, se un progetto non viene adeguatamente valutato durante la fase di layout possono verificarsi problemi di integrità del segnale. Anche rispettando le migliori pratiche di routing, è comunque possibile che una svista nel posizionamento o nel routing generi problemi d'integrità del segnale. Questi potenziali problemi devono essere identificati e corretti già durante la fase di routing, senza aspettare il completamento del progetto.

Aspettare che un progetto sia completato per eseguire simulazioni di integrità del segnale aumenta il rischio di dover ripetere il routing. É possibile scongiurare questo pericolo con alcune semplici simulazioni basate sulle regole di progettazione nel layout PCB.

Motori di integrità del segnale

I migliori software di layout e routing PCB includono un motore di integrità del segnale che consente di esaminare l'effetto overshoot/undershoot nei segnali già durante il routing, senza dover aspettare la fine della progettazione per utilizzare un field solver. Questo è particolarmente importante dal momento che molti aspetti del layout capaci di influire sul comportamento del segnale, come gli elementi passivi o la mancanza di terminazioni, non possono essere quantificati in una simulazione SPICE. Gli strumenti di routing più avanzati consentono di definire i requisiti di integrità del segnale all'interno degli strumenti di routing, permettendo al software di progettazione di verificare automaticamente la conformità già durante la creazione del layout del circuito stampato PCB.

Routing con simulazione dell'integrità di segnale
Le simulazioni di integrità del segnale possono essere utilizzate per identificare difetti indesiderati (overshoot/undershoot) su gruppi durante la fase di routing.

Riflessi e crosstalk

Altri importanti parametri da esaminare nelle simulazioni PCB, durante la fase di configurazione, sono i riflessi e il crosstalk. Entrambi possono essere valutati con un risolutore 2D rudimentale all'interno dell'editor PCB, mentre i risultati possono essere visualizzati su un grafico nel dominio temporale. Queste funzionalità sono ideali per identificare rapidamente interferenze su connessioni critiche (simulazioni di crosstalk), o per determinare velocemente se siano necessarie o meno terminazioni in un'interconnessione. Una caratteristica importante di SPICE che compare anche nelle simulazioni di layout PCB è la capacità di utilizzare le verifiche dei parametri per replicare possibili valori di terminazione. Questi risultati possono essere visualizzati come una serie di curve sovrapposte utili per operare un confronto.

Risultati della simulazione del resistore della terminazione
Risultati di simulazione che mostrano come varie resistenze di terminazione influenzano il tempo di salita, ritardo, overshoot e undershoot su un segnale ad alta velocità.

Dopo aver perfezionato il progetto e verificato che il comportamento del segnale soddisfi i requisiti di prestazione, occorre eseguire simulazioni post-layout per identificare eventuali difetti di progettazione a livello di sistema nel layout PCB.

Simulazioni circuito stampato post-layout

Una volta completato il layout PCB, è il momento di valutare nuovamente il progetto utilizzando simulazioni post-layout. Queste simulazioni dei circuiti elettrici vengono eseguite all'interno del layout PCB per garantire che il progetto finito corrisponda ai parametri di valutazione originali. Per farlo, è sufficiente eseguire nuovamente la serie di simulazioni utilizzate in precedenza per il layout e il routing. In aggiunta, simulazioni del PCB aggiuntive possono essere utilizzate per quantificare potenziali problemi termici e di alimentazione CC. Per valutare appieno il progetto potrebbero essere necessarie ulteriori simulazioni post-layout, ma queste possono essere gestite attraverso un field solver (vedi di seguito).

Alcuni parametri importanti da valutare in fase di post-layout riguardano l'integrità del segnale. È possibile codificarli nelle regole di progettazione e negli strumenti di routing utilizzando il giusto software di progettazione PCB. Come verifica finale delle regole di progettazione, il progetto può essere scansionato un'ultima volta per assicurarsi che non si siano creati problemi di integrità del segnale (in particolare effetti di overshoot o undershoot) nell'ultima fase del layout PCB. È inoltre necessario eseguire simulazioni di forme d'onda con connessioni critiche per garantire che il progetto abbia un basso crosstalk e riflessi minimi sulle connessioni a impedenza controllata.

Analisi dell'integrità di alimentazione CC

Un’ulteriore simulazione del circuito elettrico, che deve essere eseguita sul layout PCB finito, è l'analisi dell'integrità di alimentazione CC nella PDN del progetto. Questa simulazione verifica che l'alimentazione sia fornita uniformemente senza perdite resistive. Perdite resistive eccessive determinano infatti un'elevata dissipazione del calore. In questo modo è possibile individuare e intervenire sulle aree del progetto con alta densità di corrente e cali di tensione. Una possibile soluzione consiste nell'aggiungere rame, creando una lamina più spessa o aumentando la larghezza dei poligoni e delle tracce.

PDN Analyzer della densità di corrente
Risultati di integrità di alimentazione CC per un layout PCB.

La mappa del calore nell'immagine qui sopra mostra la distribuzione della densità di corrente nelle connessioni d'alimentazione della scheda. Queste connessioni trasportano diversi livelli di densità di corrente: le regioni ad alta corrente indicano aree del layout in cui si potrebbe generare elevato calore. Potrebbe essere necessario apportare modifiche a queste aree prima di inviare il progetto per la valutazione finale e l'approvazione. Questo e altri tipi di simulazione consentono di identificare e risolvere rapidamente qualsiasi problema irrisolto nel layout PCB.

Simulazioni del circuito stampato PCB avanzate

Le attività di simulazione descritte in quest'articolo possono essere svolte all'interno del software di progettazione PCB. Queste verifiche consentono di valutare il progetto nella maniera più completa possibile prima del completamento. L'obiettivo è quello di rilevare eventuali errori prima dell'approvazione del progetto, ma soprattutto prima della fase di produzione.

L'ideale sarebbe poter simulare l'intero progetto prima della produzione, tuttavia, ciò non è sempre possibile. Alcuni elementi dipendono infatti dalla realizzazione dell'intero sistema e non possono essere simulati fino al completamento del progetto. Per esempio, l'integrità dell'alimentazione, la compatibilità elettromagnetica EMC/EMI, l'affidabilità meccanica e la gestione termica. Questi aspetti del progetto devono essere simulati con un'applicazione più avanzata, chiamata field solver. Questa è in grado di risolvere le equazioni differenziali che regolano questi fenomeni fisici. Nei sistemi complessi, i fenomeni fisici sono correlati tra loro e devono essere simulati contemporaneamente come entità multifisiche. I software di progettazione PCB di ultima generazione includono funzionalità capaci d'importare il progetto all'interno d'applicazioni di simulazione PCB avanzate, consentendo di valutare e quantificare questi fenomeni fisici a livello di sistema.

Simulazioni eseguibili con field solver

Alcune delle principali simulazioni eseguibili con un field solver includono:

  • Estrazione degli elementi parassita dal layout PCB
  • Simulazioni dei parametri di connessione tenendo in considerazione gli elementi parassita
  • Simulazioni EMI in campo vicino e campo lontano
  • Generazione e trasporto del calore nel layout PCB, compreso l'involucro
  • Simulazioni CFD per calcolare e visualizzare il flusso d'aria nel PCB e nel suo involucro
  • Simulazioni di vibrazione meccanica e resistenza mirate a specifici componenti e interconnessioni.
Simulazione dell'integrità di alimentazione
Esempi di risultati di co-simulazione elettro-termica. Queste mappe del calore mostrano come la temperatura e la densità di corrente in un circuito stampato convergono ad uno stato stazionario durante il funzionamento in corrente continua.

I migliori field solver utilizzano un modello realistico del layout PCB che è possibile esportare direttamente dagli strumenti di progettazione PCB. Per osservare alcuni esempi di simulazione e scoprire di più sul field solver dai un'occhiata agli articoli qui sotto.

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Sull'Autore

Sull'Autore

Zachariah Peterson ha una vasta esperienza tecnica nel mondo accademico e industriale. Prima di lavorare nel settore dei PCB, ha insegnato alla Portland State University. Ha condotto la sua Fisica M.S. ricerche sui sensori di gas chemisorptivi e il suo dottorato di ricerca in fisica applicata, ricerca sulla teoria e stabilità del laser casuale. Il suo background nella ricerca scientifica abbraccia temi quali laser a nanoparticelle, dispositivi semiconduttori elettronici e optoelettronici, sistemi ambientali e analisi finanziaria. Il suo lavoro è stato pubblicato in diverse riviste specializzate e atti di conferenze e ha scritto centinaia di blog tecnici sulla progettazione di PCB per numerose aziende. Zachariah lavora con altre società del settore PCB fornendo servizi di progettazione e ricerca. È membro della IEEE Photonics Society e dell'American Physical Society.

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