Guida rapida all'uso di PDN Analyzer su una PCB per driver motori

In precedenza, ho pubblicato un post riguardante la progettazione di un semplice controllore per motori DC a spazzole utilizzando un singolo IC. Sebbene si tratti di una scheda relativamente semplice, sarà comunque in grado di trasferire una corrente massima di 4 ampere se entrambi i motori funzionano alla corrente nominale massima per canale del driver. Per una scheda così semplice, si potrebbe semplicemente esaminare la lunghezza e la larghezza delle tracce e utilizzare un calcolatore online (o un po' di matematica) per determinare le densità di corrente sulle tracce e vedere come potrebbero gestire il carico. Per schede più complesse, tuttavia, ciò può diventare molto noioso molto rapidamente. Se si hanno riempimenti di poligoni che trasportano corrente, una miscela di larghezze delle tracce, componenti lungo la traccia o altre caratteristiche complesse del PCB, diventa più difficile calcolare se la scheda sarà sufficiente per il compito da svolgere.

Essere in grado di visualizzare la densità di corrente su uno strato di rame aiuta a prendere decisioni di progettazione più ottimali.

Ecco cosa amo veramente di PDN Analyzer: richiede un po' di lavoro per essere configurato su una scheda complessa, ma una volta fatto ciò, brilla in modo spettacolare permettendoti di ottimizzare la tua scheda elettronica per le correnti e le tensioni presenti su di essa. Anche solo per alimentare un microcontrollore o un FPGA, puoi utilizzare PDN Analyzer per visualizzare rapidamente dove le densità di corrente sono troppo elevate, o la caduta di tensione su una traccia supera i tuoi margini. Per gli stakeholder meno tecnici, permette anche di creare rapidamente una mappa visiva della scheda elettronica per evidenziare potenziali problemi, consentendoti di vedere perché potresti aver bisogno di modificare leggermente le specifiche (forse concedendoti più spazio sulla scheda) per garantire che la scheda funzioni come previsto.

Se sei nuovo nell'uso di PDN Analyzer, volevo creare una scheda che potessi scaricare e seguire per configurare la rete di alimentazione e guardare l'analisi come modo per imparare a utilizzare lo strumento. La documentazione di Altium contiene diversi esempi di introduzione, tuttavia il progetto del controller per motori che ho realizzato è molto più semplice e ti permette di configurare rapidamente la rete di alimentazione per ogni rete sulla scheda, il che spero ti permetterà di iniziare molto più velocemente se sei a corto di tempo. C'è anche la guida completa per iniziare con PDN Analyzer che illustra l'installazione e la licenza. Infine, puoi anche consultare la documentazione di PDN Analyzer.

Configurazione

Prima di iniziare con PDN Analyzer, ti suggerisco di aggiungere nomi alle reti che farai riferimento nella progettazione della rete di alimentazione. Questo le rende molto più facili da trovare, piuttosto che dover dipendere dall'identificazione di una rete chiamata qualcosa come IC2_2!

Lo schema del circuito del driver per motori come mostrato in Altium Designer

Quando apri PDN Analyzer, inizierai con una nuova soluzione che ha una singola rete per aiutarti a partire. Ti consiglio vivamente di espandere un po' la finestra di PDN Analyzer oltre la dimensione iniziale di partenza per facilitare la visualizzazione della rete.

PDN Analyzer presenta una simulazione senza nome con la tua singola rete.

Successivamente, vorrai cliccare sul pulsante DC Nets per impostare le tensioni e specificare con quali reti lavorerai.

Si aprirà la finestra per impostare i livelli di tensione per le reti nel tuo schema.

Poi, seleziona tutte le reti e clicca su Aggiungi Selezionate. Se la rete che stai cercando manca, puoi cliccare sulla casella di controllo Abilita tutte le reti per il filtraggio per renderle tutte visibili.

L'impostazione che utilizzo per la rete di alimentazione su un ponte H può sembrare un po' strana a prima vista, poiché vogliamo simulare il percorso della corrente dall'alimentazione fino al terra. Tecnicamente, il carico è il connettore del motore, tuttavia, ai fini della simulazione, questo non è particolarmente utile poiché la corrente fluirà attraverso l'IC driver, il motore e poi di nuovo all'IC driver per passare attraverso la resistenza di rilevamento della corrente—almeno con l'Allegro A4954 che questo progetto sta utilizzando. Per gestire ciò, sto impostando il carico della rete sulle resistenze di rilevamento della corrente (R6 e R9 collegate alle reti CS1 e CS2), e estendendo la rete VCC attraverso ogni rete che trasporta corrente al motore con IC1 e i connettori (J1 e J2) come collegamenti in serie tra ogni rete.

Abbiamo descritto il flusso di potenza attraverso la nostra rete con R6, R9 e IC2 configurati come carichi.

Per completezza, ho anche aggiunto il regolatore di tensione come carico del regolatore di tensione, mostrato come Carico 1 nella figura sopra, nonostante il suo basso assorbimento di corrente. Aggiungere regolatori di tensione come carico ti permette di simulare correttamente il flusso di corrente attraverso la scheda. Quando aggiungi un carico, puoi impostare il Tipo di Dispositivo su VRM (Modulo Regolatore di Tensione) nella parte superiore della finestra Proprietà del Dispositivo, il che ti permetterà poi di generare una nuova rete per il lato regolato del regolatore di tensione. Non dimenticare di impostare la tensione di uscita!

Ho impostato il dispositivo regolatore di tensione su VRM, specificato i terminali VRM e impostato il parametro Vout per generare una rete per il lato regolato in tensione.

Sulla rete da 3.3V, ho esteso la rete fino alle reti VREF nello schema utilizzando il potenziometro come componente in serie. Ho impostato la resistenza del componente in serie a quello che potrebbe essere un valore in uso per il potenziometro, e poi ho impostato il prelievo di corrente per la gamba inferiore del divisore resistivo a quello che sarebbe la corrente attraverso di esso tramite il divisore di tensione resistivo. Nota che i valori delle resistenze sono relativamente bassi, poiché questa scheda era in un ambiente industriale dove l'EMI poteva indurre tensioni sulle reti di riferimento e potenzialmente causare comportamenti inaspettati del motore.

La rete da 3.3V fornisce corrente da IC2, il regolatore di tensione, e la affonda in R2 e R4, che sono le gambe inferiori dei divisori di tensione resistivi.

Una volta che il carico del regolatore di tensione è sulla rete, puoi fare clic con il tasto destro per generare la rete di uscita selezionando Aggiungi VRM a Nuova Rete.

Una volta impostata la rete, puoi cliccare sul pulsante Analizza per simulare la rete.

Analisi

PDN Analyzer offre molte analisi interessanti disponibili, oltre alle ottime visualizzazioni sulla scheda elettronica che rendono i rapporti per i clienti o la gestione così accattivanti. L'analisi che fornisce consente di prendere rapidamente vere decisioni ingegneristiche e analizzare il design e i potenziali cambiamenti che potrebbero dover essere implementati insieme ai limiti imposti su output/input esterni.

Se lavori con la fornitura di microcontrollori, FPGA, moduli RF o altri dispositivi sensibili alla tensione, PDN Analyzer può accelerare significativamente il processo di verifica se le larghezze delle tracce sono sufficienti affinché le tensioni che raggiungono il carico sensibile rimangano entro la tolleranza. In questo progetto, tuttavia, non esaminerò l'analisi della tensione poiché sono interessato solo alla corrente che si muove intorno alla scheda. È un design compatto con tracce relativamente sottili per un driver di motore che temo possa potenzialmente surriscaldarsi. Se stessi controllando manualmente questo design, calcolerei principalmente la capacità di corrente traccia per traccia con uno strumento di calcolo online come quello di EEWeb.

Con PDN Analyzer, posso analizzare l'intera scheda in meno tempo di quanto mi ci vorrebbe per calcolare manualmente solo un paio di tracce. Poiché PDN Analyzer fornisce le densità di corrente piuttosto che l'aumento di temperatura, dobbiamo ancora esaminare manualmente quale potrebbe essere una densità di corrente sicura. La densità di corrente è più pratica per prendere decisioni, poiché fattori come il flusso d'aria, l'involucro, la temperatura ambiente, il rivestimento superficiale e molti altri contribuiranno all'effettivo aumento di temperatura e all'ampacità di una data traccia nel mondo reale. Per una scheda come questa, considererei 100-120 A/mm2 come criticamente alto, poiché ciò porterà a un aumento di temperatura di circa 30°C sopra l'ambiente in aria ferma su tracce della stessa dimensione di quelle sulla scheda. Per mantenere una traccia sicura, una densità di corrente di 60-75 A/mm2 sarebbe accettabile su reti ad alta corrente, poiché ciò dovrebbe portare a un aumento di temperatura di solo circa 10°C sopra l'ambiente.

Le schede in basso per ogni rete contengono tabelle di analisi che possono essere molto utili per garantire la correttezza del tuo progetto. Queste tabelle saranno molto più utili per la simulazione di circuiti con microcontrollori o FPGA menzionata sopra, tuttavia, per questo analizzatore di azionamenti motori, la tabella Visuale permetterà di validare il progetto molto più rapidamente. Non fraintendetemi, le tabelle sono davvero utili per la grande maggioranza delle schede che potreste simulare, tuttavia, per questo controllore motore vogliamo analizzare i tracciati effettivi in dettaglio piuttosto che solo le statistiche generali sulla potenza.

Tabelle di consumo energetico calcolate da PDN Analyzer. Apri l'immagine in una nuova scheda per vederla chiaramente.

Nella scheda Visuale, cliccando sul pulsante Densità di Corrente e poi sul pulsante 2D, vedrai la tua rete configurata senza che sia visualizzato il ground (il ground per lo più intralcia, ma dovrebbe sicuramente essere controllato più avanti nell'analisi).

La maggior parte dei tracciati ha densità di corrente elevate ma non possiamo fare deduzioni poiché le densità non sono mostrate nelle unità che desideriamo.

Questo mostra la densità di corrente come percentuale. Si noti che lo spettro dei colori è non lineare. La scala dei colori è mostrata anche per binario, in questa vista abbiamo più binari visibili il che fa sembrare il binario da 3.3V sul lato sinistro della scheda, che corre verticalmente, come se trasportasse un livello di corrente simile alle tracce del motore, poiché entrambi trasportano quasi il 100% della densità di corrente del rispettivo binario.

Se questo non è il risultato che stai cercando, puoi cambiare la scala dei colori per mantenerla automatica, ma impostarla su 'Visualizzata', che mostrerà le densità di corrente effettive.

Inoltre, passando alla visualizzazione Manuale, posso rendere molto evidente quali tracce, o aree delle tracce, sono sovraccariche a causa dei miei carichi configurati di 2A per motore. I 2A per motore rappresentano la corrente massima che il driver può supportare, nonostante abbia menzionato nell'articolo precedente che sto pilotando un motore da 1A su ogni uscita. Non so quale possa essere il futuro di questa scheda, quindi vale la pena controllare alla massima capacità di corrente.

La mia impostazione finale mostra il grado più alto di rosso a 100A/mm2.

Cambiando a una capacità massima manuale di 100A/mm2, la mia scheda inizia a sembrare un po' diversa.

Dove sono finite le tracce?

Le tracce nere indicano dove il limite di corrente è al di fuori dell'intervallo specificato, e ciò rende immediatamente evidente che ci sono molteplici tracce sottodimensionate. Le tracce del motore sarebbero in pericolo di surriscaldamento e potenziale delaminazione a 2A per motore.

Cambiando i carichi nella rete a 1.2A, un po' più alto del mio carico massimo previsto, porta queste tracce al di sotto del limite massimo che ho menzionato prima. Si riscalderanno, ma non a un livello pericoloso.

Le tracce potrebbero essere scomparse a 2A ma sono decisamente presenti a 1.2A. Si riscalderanno, tuttavia, un po'.

Tuttavia, c'è un punto che rimane oscuro: intorno alla via per l'alimentazione di tensione dell'IC. Questa sezione necessiterà di una riprogettazione con una traccia più larga, o forse addirittura di un riempimento poligonale. Per determinare quale larghezza di traccia potrebbe essere più appropriata qui, mi rivolgerei al calcolatore online di cui ho parlato in precedenza per avere un buon punto di partenza. Per fare ciò, ho bisogno di sapere quanta corrente passerà su quella traccia e, non sorprendentemente, PDN Analyzer può scoprirlo immediatamente utilizzando lo strumento Sonda. Nella stessa scheda Visuale, puoi cliccare su Sonda e poi cliccare sull'area della scheda che ti interessa.

La posizione che abbiamo sondato nella rete VCC del strato superiore sta trasportando una corrente impressionante di 1.768A.

Questo mi indica che posso aspettarmi di vedere circa 1.768A sulla scheda, con una scheda in rame da 32um, una larghezza di traccia di 0.75mm sarebbe più appropriata dei 0.45mm attualmente presenti seguendo il layout PCB consigliato da Allegro nel datasheet.

Dato il layout della scheda qui, e lo spazio tra i pin dell'IC, un poligono sarà il modo più semplice per portare più rame a questo pin.

La scheda dopo aver aggiunto il poligono di rame alla rete VCC.

Dopo aver ridisegnato questa area della scheda, tutto ciò che devo fare in PDN Analyzer è cliccare nuovamente su Analizza per vedere i risultati della mia modifica.

Il riempimento di rame ha ridotto la densità di corrente intorno all'alimentazione di tensione dell'IC e ora tutte le tracce sembrano a posto.

Con la stessa scala di colori manuale applicata, è immediatamente evidente che il poligono aggiuntivo ha fatto miracoli per la densità di corrente intorno a quell'area della scheda, come ci si aspetterebbe. Ora è ben entro il margine di sicurezza.

Ora che ho confermato che la capacità di corrente delle tracce è sufficiente, è ancora necessario controllare i riempimenti di terra. Se avete seguito leggendo il primo articolo in cui è stata progettata la scheda di pilotaggio, potreste ricordare che avevamo alcuni tagli sul fondo della scheda per fornire una terra a stella per le resistenze di rilevamento della corrente come raccomandato nel datasheet. Voglio assicurarmi che ciò non influisca negativamente sulla capacità di corrente della scheda e, sul lato superiore, assicurare che le resistenze di rilevamento della corrente e il connettore di alimentazione abbiano collegamenti sufficientemente larghi senza aree ristrette nei poligoni.

Parte superiore della scheda dopo che il rame è stato rivelato.

Sul lato superiore, si può chiaramente vedere il percorso della corrente dall'area esposta del driver IC fino al pin del connettore di alimentazione. Ancora una volta, posso utilizzare lo strumento di prova per esaminare qualsiasi punto sul poligono per trovare la densità di corrente in un punto specifico della scheda.

Il punto più caldo sulla regione di rame del lato superiore è solo a 16,93A/mm2, che è circa un sesto del massimo di 100A/mm2.

Ora che sono soddisfatto della parte superiore della scheda, posso controllare i poligoni inferiori con le aree di taglio.

Il lato inferiore della scheda sembra tutto a posto anche!

Dato il divario nello slot che passa tra le resistenze di rilevamento della corrente e l'area esposta, non è una grande sorpresa che la densità di corrente sia ben entro i limiti accettabili. Tuttavia, essere in grado di visualizzare questo risultato è comunque interessante.

Questa analisi è solo l'inizio di ciò che è possibile fare con PDN Analyzer. Anche se mi sono concentrato solo sugli aspetti visivi e di corrente qui, le tabelle nelle altre schede meritano di essere esplorate. Mi piace controllare nella scheda dei Pin per assicurarmi che ogni pin, specialmente sui connettori, abbia una corrente che lo attraversa inferiore alle specifiche massime del produttore, nel caso in cui avessi selezionato un componente non appropriato, o la corrente sia più alta di quanto inizialmente previsto. Nella scheda delle Vias, mi piace ordinare la tabella per Densità di Corrente, il che mi permette di assicurarmi rapidamente che le densità di corrente più elevate siano entro margini accettabili. Se la densità di corrente è troppo alta, posso rapidamente aggiungere una via extra, o cambiarne la dimensione e riesaminare per vedere se la mia modifica l'ha portata entro le specifiche. Se imposti tolleranze accettabili per i livelli di tensione o corrente nella tua rete, le schede dei net possono mostrarti rapidamente se il net supera o fallisce i requisiti che hai impostato.

Ulteriore Ottimizzazione

Basandomi sulla mia analisi di questa scheda driver all'interno di PDN Analyzer, è probabilmente appropriato cambiare i valori del divisore resistivo per l'impostazione della corrente sul driver IC per assicurare che la corrente massima non possa essere impostata sopra 1.2A. Potrei anche cambiare le larghezze delle tracce, tuttavia 1.2A supera le mie necessità.

Potrei anche aggiungere ulteriori vie o rame in altre aree che hanno carichi più elevati.

Provalo Tu Stesso

Se hai PDN Analyzer, puoi scaricare questo progetto completamente configurato e simulato su GitHub. Se vuoi seguire e costruire l'analisi da solo, puoi scaricare il progetto prima di aggiungere PDN Analyzer al punto di conclusione dell'articolo precedente da questo commit. Questo ti permetterà di replicare questo semplice progetto e sperimentare con l'analisi di un circuito driver per motori di base.

Se non hai PDN Analyzer, spero che l'analisi di questo semplice progetto ti dia un'idea del motivo per cui mi sono innamorato di questo strumento di simulazione quando è stato aggiunto ad Altium. Che io stia progettando un semplice controllore per motori, alimentando carichi molto più grandi, o che abbia requisiti di tolleranza di tensione sensibili per circuiti più comuni, PDN Analyzer mi fa risparmiare così tanto tempo nell'analisi del layout e mi dà la fiducia che la scheda in rame finita che ricevo funzionerà come richiesto.

Vuoi scoprire di più su come Altium può aiutarti con il tuo prossimo design di PCB? Hai altre domande sugli analizzatori di driver per motori? Parla con un esperto di Altium o scopri di più su PDN Analyzer di Altium.