Il design guidato dalla simulazione può risolvere i problemi di segnale del tuo PCB e molto altro

Se lavori nel settore elettronico o nella ricerca, c'è la possibilità che le simulazioni siano una parte regolare della tua attività. I sistemi più semplici possono essere progettati con l'intuizione e simulati dopo che i progetti sono completati, ma i sistemi più avanzati che operano ad alte frequenze o con tassi di trasmissione dati molto elevati necessitano di una qualificazione prima e dopo che il layout della PCB è completato. Il software di simulazione deve assumere un ruolo più prominente nella progettazione delle PCB per molti sistemi avanzati.

Sfortunatamente, molti strumenti di simulazione non sono così intuitivi per la maggior parte dei progettisti poiché non sono stati creati per essere utilizzati dagli utenti del software di progettazione PCB. La situazione sta cambiando e questi sistemi stanno migliorando notevolmente in termini di usabilità, ma il loro utilizzo all'interno del processo di progettazione è ciò che rende gli strumenti di simulazione così potenti.

Cosa Esaminare nelle Simulazioni PCB

La progettazione guidata dalla simulazione per l'elettronica inizia creando un'interfaccia tra i tuoi strumenti di progettazione, il sistema di gestione dei dati e le applicazioni di simulazione. I team di progettazione elettronica professionali di oggi sono multifunzionali con esperienze che spaziano tra le discipline elettriche, meccaniche, termiche e di affidabilità. I team di progettazione hanno bisogno di sistemi che li aiutino a condividere rapidamente i dati di progettazione fisica, esportare modelli di simulazione ed eseguire simulazioni di valutazione del progetto.

Il processo di progettazione guidata dalla simulazione per le PCB si estende su tre ampie aree e segue un processo particolare:

1. Simulazioni dei circuiti
2. Simulazioni a livello di scheda
3. Simulazioni di assemblaggio

Il processo è iterativo, motivo per cui disegno frecce che puntano indietro ai passaggi precedenti. Qualsiasi problema identificato nei risultati delle simulazioni dei circuiti può costringerti a tornare agli schemi e modificare i tuoi progetti di circuito. Nella fase di simulazione della PCB, i risultati possono indicare modifiche necessarie nella circuitazione, nel layout della PCB o in entrambi. Questo può essere il caso con le simulazioni EMI, SI/PI e termiche; tutti questi risultati possono indicare cambiamenti necessari nei tuoi circuiti, che possono poi costringerti a fare modifiche nel layout della PCB.

Simulazioni dei circuiti (Incluso le linee di trasmissione!)

Gli utenti di SPICE conoscono bene le simulazioni dei circuiti. Un'ampia gamma di comportamenti importanti può essere esaminata e valutata nelle simulazioni SPICE, sia nel dominio del tempo che in quello della frequenza. Le simulazioni SPICE sono il pilastro dei progettisti di circuiti, e il basico

• Determinare se i circuiti analogici e di potenza forniscono la funzionalità prevista
• Utilizzare le aspettative di potenza nei circuiti per simulazioni successive
• Verificare le tolleranze dei componenti sui circuiti di precisione
• Verificare la funzionalità della logica specializzata in un circuito logico fenomenologico

Tutti questi compiti possono essere eseguiti nelle simulazioni SPICE, purché siano disponibili le definizioni dei modelli per i componenti. Ognuna delle aree sopra elencate potrebbe occupare lo spazio per un proprio articolo, quindi non approfondirò questi punti qui.

I sistemi che richiedono integrità del segnale digitale o simulazioni di segnali RF a livello di circuito o schema tendono ad essere molto più avanzati e richiedono un modello di circuito equivalente o una rete lineare che definisca il comportamento di quella struttura. Le simulazioni con queste strutture nei tuoi circuiti utilizzano parametri di rete, tipicamente parametri ABCD o un altro set di parametri di rete lineare che consente una semplice cascata tra componenti lineari.

1. Progetta una linea di trasmissione candidata o una struttura RF sul tuo stackup previsto
2. Simula le sue prestazioni, tipicamente utilizzando parametri S o funzioni di trasferimento
3. Itera il design per massimizzare gli obiettivi di prestazione
4. Una volta che le prestazioni sono accettabili, estrai un modello di rete lineare o un modello di circuito equivalente
5. Usa il modello estratto nelle tue simulazioni SPICE con gli altri tuoi componenti

I modelli di rete lineare per queste strutture possono essere estratti con un programma di simulazione come Keysight PathWave ADS, Simbeor, Ansys o CST Microwave. Di seguito è mostrato un esempio di rete lineare estratta determinata da un design di pacchetto su un PCB.

Rete lineare estratta per due pacchetti di componenti e il loro collegamento su un PCB. Immagine cortesia di Simberian.

Una volta che questa rete lineare o circuito equivalente estratto viene portato nel simulatore di circuiti, è possibile simulare le prestazioni del design di interconnessione previsto. Questo tipo di processo di simulazione è un approccio standard utilizzato per comprendere il comportamento delle interconnessioni su bus digitali veloci, come gli standard DDR, PCIe, MIPI, ecc. Una volta che il design previsto è qualificato, è possibile utilizzarlo nel layout del PCB insieme agli altri componenti.

Le simulazioni dei circuiti assumono un mondo perfetto, dove un circuito è isolato da tutti gli altri circuiti. Gli effetti reali che coinvolgono rumore, accoppiamento del segnale/diafonia e emissioni irradiate/condotte devono essere determinati a livello di PCB una volta che il layout è completato.

Simulazioni a Livello di Scheda

Una volta completato il layout del PCB, vengono eseguite simulazioni a livello di scheda per valutare interconnessioni importanti, alimentazione, EMI/EMC e temperatura. Non tutte le parti del PCB devono essere simulate; i circuiti più importanti che sono stati esaminati nelle simulazioni dei circuiti dovrebbero anche essere esaminati nelle simulazioni post-layout dove possibile. Ad esempio, questo potrebbe includere:

• Integrità del segnale: Simulazioni MoM/BEM per la verifica dell'impedenza e l'estrazione dei parametri di rete, simulazioni BER nei canali ad alta velocità, forme d'onda di riflessione e diaccoppiamento
• Integrità dell'alimentazione: Estrazione dell'impedenza della PDN, modellazione transitoria, mappatura della densità di corrente, con scansione dalle frequenze DC fino a quelle GHz
• Analisi EMI: Radiazione in campo vicino e lontano da interconnessioni ad alta velocità/alta frequenza, EMI da transitori, efficacia dello schermaggio e suscettibilità EMI possono essere esaminate
• Simulazioni termiche: Distribuzione della temperatura dovuta al riscaldamento Joule da componenti ad alta potenza e calore da fonti esterne, convezione naturale e forzata, mappatura della conducibilità termica

L'elenco delle specifiche simulazioni a livello di scheda che potrebbero essere eseguite è piuttosto lungo, ma gli obiettivi sono sempre gli stessi: assicurarsi che il posizionamento dei componenti e il design delle interconnessioni nel layout del PCB non influenzino le prestazioni del sistema come era stato qualificato nelle simulazioni dei circuiti. È importante confrontare i risultati pre-layout e post-layout per assicurarsi che il dispositivo non sia notevolmente influenzato dagli elementi inseriti nel layout del PCB.

Gran parte del tempo, ciò è relativo all'integrità del segnale, e questa area di progettazione riceve tipicamente una grande attenzione. Ecco alcuni esempi di risultati di simulazione che puoi generare dal tuo layout PCB di Altium:

• Identificazione dell'EMI in prossimità nel Network di Distribuzione di Potenza di un PCB
• Analisi del Crosstalk su Interfacce Bus Parallele FIFO e DDR4
• Individuazione di Violazioni dell'Impedenza DDR4 nella Progettazione di PCB ad Alta Velocità

Confronti di diagrammi ad occhio, simulazioni di parametri S e calcoli di impedenza sono alcuni degli strumenti principali utilizzati per qualificare gli interconnettori per l'integrità del segnale digitale.

Altre aree in cui le simulazioni post-layout sono molto importanti a livello di PCB sono l'integrità della potenza e l'integrità termica, entrambe relative rispettivamente alla funzionalità e all'affidabilità. Tuttavia, le cose possono cambiare ancora una volta che il progetto è inserito nel suo assemblaggio completato e nell'involucro/imballaggio previsto. Qui è dove è necessaria la collaborazione con un altro gruppo di ingegneri di simulazione per qualificare le prestazioni meccaniche e termiche, così come il potenziale per il fallimento EMC.

Simulazioni di Assemblaggio

Una volta che la scheda è completamente assemblata, le esigenze termiche possono cambiare in qualche modo, e la scheda potrebbe dover essere qualificata meccanicamente per garantire la sua affidabilità, la capacità di resistere agli shock o la capacità di resistere alle vibrazioni. Questi sono solo alcuni esempi dei punti meccanici da esaminare in un assemblaggio completato.

• Simulazioni meccaniche: Distribuzione dello stress che porta al fallimento a causa di shock meccanici, piegamento, vibrazione, test di caduta
• Affidabilità e durata: Probabilità di fallimento dovuta a cicli termici, shock termico/meccanico, ingresso di umidità e fatica da vibrazione; valutazione rispetto agli standard di affidabilità del settore
• Flusso d'aria e dissipazione del calore: All'interno del contenitore, il flusso d'aria deve tipicamente seguire un percorso specifico, e il contenitore può influenzare il flusso di calore lontano dalle parti centrali del dispositivo

Questi aspetti della qualificazione di un assemblaggio vengono eseguiti utilizzando solutori di campo più avanzati e non coinvolgono direttamente il software di progettazione e layout del PCB. Lo strumento di progettazione PCB che utilizzi dovrebbe fornire un file di esportazione meccanico o elettromeccanico compatibile che può essere utilizzato nella tua applicazione solutore di campo.

Per le simulazioni del flusso d'aria, è necessaria un'applicazione di co-simulazione CFD-termica, e ciò è tipicamente eseguito da uno specialista in multiphysics. Un esempio che coinvolge l'assemblaggio completato, completo di

EMI/EMC saranno influenzati anche dalla presenza di un involucro e di elementi meccanici nel prodotto, quindi vale la pena simulare anche questi aspetti. Ciò implica nuovamente l'utilizzo di un risolutore di campo elettromagnetico 3D che può risolvere le equazioni di Maxwell all'interno del tuo assemblaggio, e questo processo richiede una certa specializzazione per garantire che i risultati finali siano accurati. Questo è utile come forma di qualificazione prima che vengano eseguiti i test di pre-conformità del prodotto e potrebbe aiutarti a esaminare se dovrebbero essere implementate misure di schermatura a livello di assemblaggio aggiuntive prima di finalizzare un design.

Testa Sempre le Tue Simulazioni e il Tuo Design!

"Testare" una simulazione implica quantificare le impostazioni della simulazione rispetto a un modello o struttura corretto e noto. Ad esempio, se hai un modello di riferimento e una struttura simile al dispositivo che stai progettando, e conosci le prestazioni da test e misurazioni, puoi utilizzare questo per qualificare l'accuratezza del tuo approccio di simulazione e delle impostazioni di configurazione (stile della mesh, risoluzione, ecc.) nella tua applicazione di simulazione. L'obiettivo qui è evitare il problema garbage-in garbage-out (GIGO), dove i risultati della simulazione sono matematicamente corretti ma non riflettono accuratamente il tuo design specifico.

Il prossimo punto potrebbe sembrare ovvio, ma una qualificazione e dei test approfonditi sono molto più che semplicemente accendere il dispositivo per vedere se funziona. Se c'è una metrica di prestazione che hai simulato nel design, questa dovrebbe anche essere esaminata nei test e misurata se possibile. Il motivo è semplice: a volte le simulazioni non catturano (o non possono catturare) la situazione specifica nel tuo layout e assemblaggio. C'è anche la possibilità che la simulazione abbia sofferto del problema GIGO. Il problema GIGO è molto reale nelle simulazioni, ed è per questo che gli strumenti di simulazione devono essere qualificati rispetto a un riferimento noto e valido prima di applicarli a un nuovo design.

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