Analisi dell'integrità di alimentazione nel software di progettazione PCB

I problemi di integrità di alimentazione possono essere molti nei PCB moderni, in particolare nelle schede ad alta velocità che funzionano con velocità elevate. Questi sistemi richiedono una progettazione precisa dell'impedenza della PDN per garantire un'alimentazione stabile e costante in tutto il sistema. Senza considerare attentamente l'impedenza della PDN, si rischia di creare ondulazioni e rumore nella rete di distribuzione dell'alimentazione quando i segnali veloci cambiano stato. Con la commutazione di un maggior numero di segnali nei circuiti integrati di grandi dimensioni, il risultato è la possibilità di una maggiore instabilità dell'alimentazione e di interruzioni del sistema durante il funzionamento.

Alcuni progettisti potrebbero chiedersi cosa sia l'analisi dell'integrità di alimentazione (pcb power integrity analysis): è un insieme di metodi per comprendere in che modo i componenti assorbono energia e in che modo la struttura della scheda influisca sull'erogazione di alimentazione stabile. Altium Designer offre alcuni strumenti PCB importanti per l'analisi dell'integrità di alimentazione, tra cui la nuova estensione Power Analyzer di Keysight. Questo articolo fornirà una panoramica su come eseguire l'analisi dell'integrità di alimentazione in un PCB e su dove accedere a queste funzioni in Altium Designer.

Sfide per l'integrità di alimentazione in CC e CA

Alcuni prodotti funzionano ad alta tensione, ad alta velocità, ad alta corrente, ad alta frequenza o a tutte queste condizioni insieme e possono presentare una serie di problemi di integrità di segnale e di alimentazione durante il funzionamento. La power integrity analysis mira a identificare i problemi di funzionamento da due prospettive: CC e CA. Inoltre, l'analisi dell'integrità di alimentazione può essere eseguita in due fasi: nello schema elettrico PCB e nel layout PCB. Talvolta vengono chiamati degli esperti di simulazione per valutare un progetto prima della prototipazione o della produzione, al fine di identificare potenziali problemi di integrità di alimentazione nei domini CC e CA.

L'analisi dell'integrità di alimentazione comporta l'analisi della struttura e del comportamento elettrico della PDN in un PCB. Più precisamente, comporta il calcolo di determinate grandezze elettriche che possono essere indicative di problemi di integrità di alimentazione. In particolare, ci sono diverse grandezze che possono essere calcolate nella PDN utilizzando strumenti di simulazione, e che possono poi essere collegate a determinati problemi di integrità di alimentazione che si osservano in un PCB durante il funzionamento. Le grandezze da calcolare includono (a titolo esemplificativo):

• Parametri Z della PDN (auto-impedenza e impedenza di trasferimento) in CA e CC, o parametri S
• Resistenza CC e densità di corrente nei binari e nei piani
• Tensione e distribuzione corrente in tutto il layout PCB
• Risposta transitoria sulle piste di alimentazione osservata nel dominio temporale

Queste importanti grandezze matematiche nell'analisi dell'integrità di alimentazione possono essere calcolate negli schematici utilizzando modelli SPICE o IBIS, oppure possono essere calcolate nel PCB utilizzando un field solver elettromagnetico. Dopo aver calcolato le grandezze di interesse, queste dovrebbero essere confrontate con i valori target. 

Quali problemi di integrità di alimentazione possono verificarsi in un PCB?

Esistono diversi problemi di integrità di alimentazione che possono verificarsi in un PCB, tutti correlati all'elenco delle grandezze sopra indicate. Alcuni dei problemi comuni di integrità di alimentazione che possono verificarsi in un circuito stampato includono:

• Collasso massiccio della pista di alimentazione (ondulazione, vista come risposta transitoria) e ground bounce
• Emissioni irradiate dovute a disaccoppiamento debole e ondulazione
• Accoppiamento del rumore tra diverse regioni di un PCB
• Eccessiva dissipazione di potenza che produce calore

L'obiettivo della costruzione di una PDN è garantire che l'energia assorbita dai componenti di un PCB venga erogata con un'instabilità minima. Alcuni dei problemi di integrità di alimentazione sopra elencati vengono riscontrati come problemi di integrità del segnale (in particolare ground bounce) e problemi di EMI/EMC (accoppiamento del rumore ed emissioni). La matrice seguente mostra quali problemi di integrità di alimentazione sono collegati alle grandezze matematiche sopra elencate.

Per ottenere maggiori informazioni su questi fattori in una PDN e su come questi influiscono sulla stabilità dell'erogazione di alimentazione, leggi le seguenti risorse per comprendere appieno l'analisi dell'integrità di alimentazione.

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Integrità di alimentazione negli schematici

Gli schemi circuitali sono un buon punto di partenza per iniziare a modellare l'integrità di alimentazione CA in un layout PCB. In questo dominio, è possibile utilizzare simulazioni SPICE o simulazioni basate su IBIS per modellare la tua strategia di disaccoppiamento e stabilire se il tuo layout PCB idealizzato può supportare un'erogazione di alimentazione stabile, in particolare per circuiti integrati digitali veloci.

L'integrità di alimentazione a livello di schematico non tiene conto degli importanti fattori fisici del layout di un PCB che influiscono su di essa. Analizzare l'integrità di alimentazione negli schematici aiuta invece il progettista a sviluppare obiettivi di progettazione per la PDN, per garantire che l'erogazione di alimentazione sia il più stabile possibile. Ciò richiede la modellazione della risposta della PDN utilizzando componenti generici per rappresentare gli aspetti fisici del layout PCB. Alcuni di questi aspetti fisici includono:

• Modelli di condensatori di disaccoppiamento/bypass, che includono valori ESR e ESL
• Capacità dei piani, che in genere è dell'ordine di pF
• Induttanza di diffusione o induttanza della regione in cui esiste corrente nei layer del piano di alimentazione/massa
• Induttanza del via, sebbene questa sia normalmente inclusa nei modelli di condensatore di disaccoppiamento/bypass
• Topologia con più piste nella PDN
• Un elemento di commutazione che simula un flusso di bit in modo da poter osservare una risposta transitoria periodica

Un modello relativamente semplice che include solo elementi RLC è mostrato nel foglio schematico di esempio riportato di seguito. Questo esempio può essere utilizzato per stimare l'impedenza della PDN e la pendenza induttiva nello spettro di impedenza della PDN a diverse centinaia di MHz. Il modello può anche essere utilizzato per visualizzare direttamente l'ondulazione sulla PDN eseguendo una simulazione di analisi transitoria.

I blocchi di circuito RLC della serie precedente vengono utilizzati per modellare una rete di condensatori di disaccoppiamento che potrebbe essere collocata nella scheda. La sezione inferiore mostra le connessioni tra i layer piani e un pacchetto di componenti. Infine, il transistor viene utilizzato con una sorgente a impulsi per modellare la corrente assorbita nella rete. Le misurazioni di corrente e tensione nei punti di uscita possono essere utilizzate per determinare l'impedenza della PDN utilizzando la legge di Ohm.

Tutte le metodologie standard in una simulazione SPICE (sensibilità, Monte-Carlo, determinazione della risposta agli impulsi, ecc.). In base a questi risultati, è possibile determinare i valori target per gli elementi RLC nel modello SPICE. L'aspetto fisico primario che ciò determina è la capacità del piano, nonché il numero di condensatori di disaccoppiamento. Maggiori informazioni possono essere determinate una volta che il layout PCB è stato completato ed è pronto per la valutazione.

Integrità di alimentazione CC nel layout PCB

La resistenza CC in un circuito stampato dipende dalle dimensioni del piano di alimentazione e delle interconnessioni ed è il punto di partenza per comprendere l'integrità di alimentazione. Una volta affrontato questo aspetto di un circuito stampato, un progettista può adottare misure per garantire il raggiungimento degli obiettivi di impedenza target, al fine di prevenire problemi di integrità del segnale derivanti da un'erogazione di alimentazione instabile.

L'analisi dell'alimentazione CC inizia nel layout PCB e richiede la configurazione di una simulazione che mappi la distribuzione dell'alimentazione in diverse reti elettriche nel layout PCB. Ciò è rappresentato visivamente come un albero con diversi livelli di alimentazione, che mappa il flusso di alimentazione da un input di livello superiore fino al livello del dispositivo. La più recente estensione di Altium Designer per l'analisi dell'integrità di alimentazione è il Power Analyzer di Keysight. Questa utilità può configurare un albero di alimentazione in base alla netlist e alle informazioni sul progetto. Di seguito è riportato un esempio di albero di alimentazione.

Una volta configurato, questo albero di alimentazione può essere utilizzato per determinare la resistenza CC nella PDN. L'immagine seguente mostra un esempio di output di Power Analyzer in Altium Designer. Questa estensione fornisce calcoli dell'integrità di alimentazione all'interno dell'editor PCB in Altium Designer e i risultati vengono confrontati automaticamente con gli obiettivi di progettazione o i vincoli. Per implementare questo calcolo non sono necessari ulteriori strumenti di analisi e i risultati non devono essere confrontati manualmente con le regole di progettazione.

I risultati seguenti mostrano la corrente CC visualizzata sotto forma di mappa termica in una traccia di grandi dimensioni che passa tra due via. In particolare, lo strumento mostra che la corrente calcolata nei via collegati è 1,785 A. In base agli obiettivi operativi della progettazione e ai limiti di corrente operativa definiti negli standard IPC, è possibile stabilire se sia necessaria una modifica del progetto. Dopo aver apportato le modifiche, la simulazione può essere immediatamente rieseguita e i risultati possono essere esaminati per determinare se i problemi identificati sono stati risolti.

Se rimpiccioliamo le singole tracce o piste, è possibile vedere la distribuzione della corrente su un layer piano o su grandi interconnessioni. È possibile selezionare più punti su una pista di alimentazione ed esaminare la caduta di tensione o la densità di corrente, il tutto visualizzato sotto forma di mappa termica. Questa vista fornisce un modo semplice per stabilire quando la resistenza CC di una rete diventa troppo grande o quando c'è un rallentamento di corrente che produce un hotspot.

• Per maggiori informazioni su Power Analyzer di Keysight, leggi la documentazione tecnica

Analisi dell'integrità di alimentazione CA per la progettazione ad alta velocità

I circuiti stampati ad alta velocità si basano sull'esatta impedenza delle linee di trasmissione per garantire il corretto funzionamento del progetto, ma richiedono anche un'impedenza molto bassa della rete di distribuzione dell'alimentazione. I circuiti stampati per sistemi digitali ad alta velocità sono progettati tenendo conto di un'impedenza target. Lo stack-up PCB, i condensatori di disaccoppiamento selezionati e lo spessore del laminato PCB si fondono per determinare l'impedenza della PDN, la quale è destinata a essere progettata per soddisfare uno spettro di impedenza target.

Mantenere bassa l'impedenza della PDN è importante per garantire che i componenti ad alta velocità non creino ondulazioni della pista di alimentazione e ground bounce quando commutano. Se l'impedenza della PDN è sufficientemente bassa, questi effetti non si noteranno nel sistema. Una volta calcolata l'impedenza del piano nella PDN, è possibile determinare se l'ondulazione e il rumore della pista di alimentazione causeranno un'erogazione di alimentazione al di fuori dei limiti consentiti.

PCB power integrity analysis con gli strumenti di Altium Designer

Per aiutarti ad avere successo nell'analisi dell'integrità di alimentazione, Power Analyzer di Keysight e gli strumenti di simulazione esistenti in Altium Designer^® possono aiutarti a iniziare a valutare la funzionalità della tua scheda. Man mano che si rendono disponibili nuove funzionalità, saranno rilasciati altri aggiornamenti dell'estensione Power Analyzer, compresa l'analisi dell'integrità di alimentazione CA direttamente nell'editor PCB. Tieni d'occhio la pagina Novità per monitorare le nuove versioni delle funzionalità in Altium Designer.

• Tutto il necessario per: progettazione, produzione, layout, routing e simulazione è incluso in Altium Designer.

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• L'utilità Power Analyzer acquisisce i dati direttamente dal layer stack manager e dall'editor PCB per creare potenti simulazioni e fornisce rapidamente informazioni dettagliate ai progettisti per garantire l'integrità di alimentazione.

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• Quando sei pronto a condividere il tuo progetto con altri progettisti PCB o con il tuo produttore, Altium 365 ti consente di condividere istantaneamente i dati di progettazione e produzione del circuito stampato tramite Altium Designer o sul web.

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Altium si impegna a offrirti continuamente i migliori strumenti per l'analisi dell'integrità di alimentazione, tutti all'interno dello schematico e del layout PCB. Man mano che queste funzionalità verranno integrate nell'applicazione, le simulazioni di integrità di alimentazione più avanzate diventeranno accessibili all'interno dell'editor PCB. In aggiunta ai miglioramenti nell'editor PCB, altre funzionalità saranno rese disponibili ai collaboratori tramite la piattaforma Altium 365^™.

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