PCB 시뮬레이션: PCB 설계를 시뮬레이션하는 방법

모든 PCB는 대량 생산이 진행되기 전에 일정 수준의 검사를 거쳐야 합니다. 설계는 보통 제작 및 어셈블리 중에 전기 검사를 거치지만, 기판이 조립되고 나면 정량화하기 어려운 기계적 및 전기적 동작의 일부 전문화 된 영역이 있습니다.설계의 모든 측면을 테스트하는 대신 전기 회로 설계 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하면 생산 전에 PCB 보트 시뮬레이터에서 전기적 동작을 계산할 수 있습니다.

왜 모든 측면을 테스트하는 대신 PCB 설계 시뮬레이션 도구를 사용할까요? 특수 테스트 기판 및 고정 장치를 구축하거나 회로 테스터 프로그램을 사용하지 않고는 일부 전기적 특성을 테스트하기 어려운 경우가 종종 있습니다. 설계의 일부 측면을 테스트하는 데 드는 비용은 몇몇 설계자에게 너무 비싸게 느껴집니다. 예를 들어 고속 전송 회선에서 신호 동작을 상세히 측정하는 데 필요한 계측기에는 250,000 달러 이상이 들 수 있습니다. 설계 시뮬레이션 도구를 사용하면 설계자가 설계에서 측정해야 할 수 있는 것과 동일한 신호 동작을 계산할 수 있으며, 종종 PCB 레이아웃에서 직접 데이터를 사용하여 실제 환경에서 계산을 수행할 수 있습니다. 이 개요에서는 PCB 설계 및 회로 시뮬레이터 소프트웨어 내부와 외부 애플리케이션에서 Altium PCB 시뮬레이션 소프트웨어를 구축하고 실행하는 것과 관련된 몇 가지 중요한 사항을 살펴보겠습니다.

• 프런트 엔드 시뮬레이션 및 평가
• PCB 스택업 설계에서의 임피던스 계산
• PCB 레이아웃 및 라우팅 도중의 시뮬레이션
• 포스트 레이아웃 시뮬레이션
• 고급 PCB 시뮬레이션

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프런트 엔드 PCB 시뮬레이션 및 분석

PCB 시뮬레이션은 SPICE 시뮬레이션이 회로 설계의 일환으로 사용되는 설계 프로젝트의 회로도 캡처 단계에서 시작됩니다. SPICE 시뮬레이션은 시스템 수준의 전기적 동작을 평가하는 데 중요하지만, 설계 프로세스의 일환으로 회로 최적화에도 유용합니다. SPICE 시뮬레이션 패키지가 내장된 회로도 캡처 소프트웨어를 사용하면 전기적 동작을 평가하는 데 필요한 몇 가지 기본 시뮬레이션을 통해 생산성을 유지할 수 있습니다.

프런트 엔드 엔지니어링 및 시뮬레이션에 사용되는 SPICE 패키지는 다음과 같은 특정 분석을 수행하도록 설계되었습니다.

• DC 스윕: 입력 DC 전압이 일련의 값을 통해 스윕되고 다른 노드의 전압 및 전류가 모니터링됩니다.
• 과도현상 분석(또는 시간 영역 혼합 신호 시뮬레이션): 기본적인 시간 영역 시뮬레이션입니다.
• AC 스윕(또는 주파수 스윕): AC 신호의 주파수가 시간에 따라 달라집니다.
• 매개변수 스윕: 특정 컴포넌트 매개변수 세트가 다양한 값에 걸쳐 스윕됩니다.
• 극점-영점 분석: 안정성 조건 및 과도 진동 주파수를 단일 그래프로 시각화할 수 있습니다.

통합 SPICE 엔진이 있는 일부 회로도 캡처 프로그램은 노이즈 분석 및 열 분석과 같은 고급 시뮬레이션과 함께 사용할 수 있습니다.

• SPICE 시뮬레이션의 기본 사항과 작동 방식에 대해 자세히 알아보기

대부분의 설계자는 기본 선형 또는 비선형 회로를 분석하기 위해 SPICE를 사용하는 데 익숙할 것입니다. 하지만 부품에 SPICE 부회로 모델을 사용하는 것 뿐만 아니라 실제 부품을 검사하는 데에도 사용할 수도 있습니다. SPICE 모델은 입력-출력 관계 및 부품 입력의 논리적 조건을 기반으로 하여 부품 맞춤화 할 수 있습니다. 부품 제조업체는 이러한 모델을 제공하여 설계자가 다른 회로 소자와 함께 컴포넌트의 동작을 적절히 시뮬레이션 하도록 할 수 있습니다.

SPICE 시뮬레이션은 설계 프로세스의 여러 단계에서 중요한 회로의 전기적 동작을 검증하는 데 사용할 수 있습니다. SPICE 시뮬레이션은 설정 후 설계 프로세스의 각기 다른 단계에서 여러 번 실행할 수 있습니다. SPICE 시뮬레이션이 완료되고 나면 추가 검사 및 분석을 위해 데이터가 그래프화하여 표시됩니다. 종종 이 단계에서 신호 무결성 문제로 이어질 수 있는 전기적 동작이 식별될 수 있으며, 이 경우 PCB 레이아웃을 진행하기 전에 설계를 수정할 수 있습니다.

SPICE는 회로도 캡처 중 프런트 엔드 시뮬레이션에 가장 흔히 사용되는 반면, IBIS 모델 및 Multisim 모델과 같은 전기 회로 설계 시뮬레이션 소프트웨어의 다른 프런트 엔드 도구는 전기 회로, 부품 및 전체 시스템을 시뮬레이션하는 데 사용될 수 있습니다. 초기 설계는 완료 및 평가된 후에 새 PCB 레이아웃으로 전달되어 추가로 검토될 수 있습니다.

PCB 스택업 설계에서의 임피던스 계산

초기 회로도 세트가 생성되고 시뮬레이션 및 검토된 후에는 Bare 보드에 대한 스택업을 만들고 임피던스를 확인해야 합니다. PCB 스택업에서 고속 네트의 임피던스는 보통 95% 이상의 정확도로 확인해야 합니다. 여기서 목표는 제안된 스택을 사용하여 상호 연결이 목표 임피던스를 갖도록 하는 데 필요한 배선 폭을 확인하는 것입니다. 필요한 폭으로 배선의 크기를 조정하는 데 사용할 수 있는 공식이 있긴 하지만, 이러한 공식은 정확하지 않을 수 있습니다. 그리고 여러 신호 레이어에서 차동 쌍 및 단일 종단 배선의 임피던스를 확인하려면 더 정교한 시뮬레이션이 필요합니다.

고급 PCB 스택업 계산기는 유한 요소법, 모멘트 법 또는 유한 요소법을 사용하여 특정 주파수에서 배선의 임피던스를 확인합니다. 이러한 수치 계산은 특정 임피던스에 대해 필요한 배선 폭을 확인하는 프로세스를 자동화합니다. 대부분의 계산기는 IPC-2141의 오래된 공식을 사용하거나 목표 임피던스 값에 도달할 때까지 배선 폭 값을 수동으로 반복하게 만듭니다.

고주파수에서 임피던스를 확인하기 위해서는 스택업 편집기에서 몇 가지 중요한 매개변수를 사용해야 합니다.

• 카파 거칠기(Copper roughness): 이 매개변수는 제조 공정에만 해당되며, 배선에서 표면 효과 임피던스를 효과적으로 증가시킵니다.
• 유전 분산(Dielectric dispersion): 이 매개변수는 PCB 기판에서 빛의 속도와 손실이 어떻게 달라지는지 알려 줍니다.

PCB 설계 시뮬레이션 도구 내에 있는 최고의 PCB 임피던스 계산기 유틸리티는 임피던스가 매우 높은 정확도로 확인될 수 있도록 이러한 효과를 포함합니다. 특정 네트가 목표 임피던스(보통 50옴)를 갖는 데 필요한 배선 폭을 확인한 후에는 이를 PCB 라우팅 유틸리티에서 설계 규칙으로 설정할 수 있습니다.

PCB 레이아웃 및 라우팅 도중의 시뮬레이션

컴포넌트 배치가 완료되고 설계를 라우팅할 준비가 된 후에 회로 테스터 프로그램의 레이아웃 단계에서 설계를 확인하지 않으면 신호 무결성 문제가 발생할 수 있습니다. 모범 라우팅 사례를 따르면 되긴 하지만, 여전히 배치 결정 또는 라우팅 결정으로 인해 예상치 못한 일부 신호 무결성 문제가 발생할 수 있습니다. 이러한 잠재적인 문제는 설계가 완료된 단계가 아니라 라우팅 단계에서 식별 및 수정해야 합니다. 설계가 완료되기를 기다렸다가 신호 무결성 시뮬레이션을 실행하면 라우팅을 대규모로 다시 수정해야 하는 위험이 발생합니다. 하지만 PCB 레이아웃에서 몇 가지 간단한 설계 규칙 기반 시뮬레이션으로 이러한 문제를 피할 수 있습니다.

신호 무결성 엔진을 포함하는 최고의 PCB 레이아웃 및 라우팅 소프트웨어를 사용하면 설계가 끝날 때 고급 필드 솔버 프로그램을 사용하는 대신 라우팅한 곳의 신호에서 오버슈트 및 언더슈트를 검사할 수 있습니다. 이는 신호 동작에 영향을 줄 수 있는 실제 레이아웃의 여러 측면(즉, 와류 및 종단 부족)이 SPICE 시뮬레이션에서 수량화 될 수 없기 때문에 중요합니다. 최고의 라우팅 설계 시뮬레이션 도구를 사용하면 라우팅 도구의 일환으로 신호 무결성 요구 사항을 정의할 수 있습니다. 설계 소프트웨어는 PCB 기판 시뮬레이터 레이아웃을 만들 때 적합성을 자동으로 확인할 수 있습니다.

레이아웃 단계 중에 전기 회로 설계 시뮬레이션에서 검사해야 할 몇 가지 다른 중요한 시뮬레이션 측정 기준은 방사 및 크로스 토크 입니다. 이 두 가지는 모두 PCB 편집기 내부의 경량 2D 솔버 프로그램으로 평가할 수 있으며 결과는 시간 영역에서 그래프로 시각화할 수 있습니다. 이러한 기능은 임계 네트에 대한 간섭을 빠르게 식별하거나(크로스 토크 시뮬레이션) 상호 연결에서 종단의 필요성을 빠르게 확인하는 데 유용합니다. PCB 레이아웃 시뮬레이션에도 나타나는 SPICE의 중요한 기능 중 하나는 매개변수 스윕을 사용하여 가능한 종단 값을 반복하는 기능입니다. 이러한 결과는 비교를 위해 일련의 겹쳐진 그래프로 표시할 수 있습니다.

설계를 정리하고 신호 동작이 성능 측정 기준을 충족하도록 한 후에는 포스트 레이아웃 시뮬레이션을 수행하여 PCB 레이아웃에서 시스템 수준의 설계 결함을 식별해야 합니다.

포스트 레이아웃 시뮬레이션

PCB 레이아웃이 완료되고 나면 포스트 레이아웃 시뮬레이션을 사용하여 설계를 다시 검증해야 합니다. 이러한 시뮬레이션은 완료된 PCB 레이아웃 내에서 실행되어 완료된 설계가 기존 평가 측정 기준과 일치하는지 확인합니다. 이는 레이아웃 및 라우팅에 사용된 이전 시뮬레이션 세트를 다시 실행하는 것 만큼이나 간단할 수 있습니다. 추가 시뮬레이션을 사용하면 잠재적인 열 및 DC 전원 문제를 수치화 할 수 있습니다. 설계를 완전히 평가하는 데는 다른 포스트 레이아웃 시뮬레이션이 필요할 수 있지만, 이러한 시뮬레이션은 필드 솔버 애플리케이션으로 처리할 수 있습니다(아래 내용 참조).

포스트 레이아웃에서 평가해야 할 일부 중요한 측정 기준은 신호 무결성 측정 기준입니다. 이는 적절한 PCB 설계 및 회로 시뮬레이터 소프트웨어를 사용하는 경우 설계 규칙 및 라우팅 도구에 인코딩되어 있습니다. 최종 설계 규칙 검사의 일환으로 설계를 마지막으로 한 번 스캔하면 레이아웃을 완료하기 위한 최종 스프린트 중에 신호 무결성 문제(특히 오버슈트/언더슈트)가 생성되지 않도록 할 수 있습니다. 임계 네트가 포함된 파형 시뮬레이션도 수행하여 설계가 임피던스 제어 네트에서 낮은 크로스 토크와 최소한의 방사를 갖도록 해야 합니다.

완료된 PCB 레이아웃에서 수행해야 하는 간단하지만 중요한 한 가지 시뮬레이션은 설계의 PDN에서 수행하는 DC 전원 무결성 분석입니다. DC 전원 무결성은 저항 손실 없이 설계 전반에 전력이 전달되도록 하는 데 초점을 맞춥니다. 과도한 저항 손실은 높은 열 방사으로 이어지므로 높은 전류 밀도 및 전압 강하가 감지되는 설계 영역은 변경 대상이 될 수 있습니다. 일반적인 솔루션은 동박을 더 두껍게 만들거나 다각형 및 배선의 폭을 늘려 구리를 더 증설하는 것입니다.

위 이미지에 나와 있는 열 지도은 기판에 있는 전력 네트의 전류 밀도 분포를 보여줍니다. 이러한 네트는 여러 수준의 전류 밀도를 전달하며, 전류가 높은 영역은 레이아웃에서 높은 열이 생성될 수 있는 영역을 나타낼 수 있습니다. 이 영역은 최종 평가 및 종료를 위해 설계를 완료하기 전에 수정이 필요할 수 있습니다. 이 유형을 비롯한 기타 시뮬레이션을 사용하면 PCB 시뮬레이터 레이아웃에서 이와 같이 남아 있는 문제를 빠르게 식별하고 수정할 수 있습니다.

• 전원 무결성 분석에 대해 자세히 알아보기
• Altium Designer의 PDN Analyzer에 대해 자세히 알아보기

고급 PCB 시뮬레이션

위에서 간단히 설명한 시뮬레이션 작업은 모두 전기 회로 설계 시뮬레이션 소프트웨어 내에서 수행할 수 있습니다. 이러한 작업은 모두 설계가 완료되기 전에 최대한 평가 및 검증되도록 합니다. 목표는 최종 완료 설계 파일이 제출되기 전, 특히 설계가 생산에 투입되기 전에 오류를 발견하는 것입니다.

생산 전에 회로 테스터 프로그램이나 기타 PCB 시뮬레이터에서 설계를 완전히 시뮬레이션하는 것이 가장 좋지만, 설계에는 전체 시스템의 구성에 따라 달라지며 설계가 완료될 때까지 시뮬레이션할 수 없는 부분도 있습니다. 가장 눈에 잘 띄는 예로는 전원 무결성, EMI/EMC, 기계적 안정성 및 열 관리 등이 있죠. 이러한 설계 성능 영역은 이 물리적 현상을 좌우하는 미분 방정식을 풀 수 있는 '필드 솔버'라는 고급 애플리케이션으로 시뮬레이션해야 합니다. 복잡한 시스템에서는 여러 물리적 현상이 서로 연관되어 있어서 이러한 현상을 다중 물리 문제로 함께 시뮬레이션해야 합니다. 고급 PCB 설계 소프트웨어에는 시스템 수준의 물리적 현상을 평가하고 수치화 할 수 있도록 설계를 고급 시뮬레이션 애플리케이션으로 가져올 수 있는 유틸리티가 포함됩니다.

필드 솔버 애플리케이션으로 실행할 수 있는 몇 가지 중요한 시뮬레이션은 다음과 같습니다.

• PCB 레이아웃 전반의 기생성분
• 기생성분을 설명하는 네트워크 매개변수 시뮬레이션
• 근거리장 및 원거리장 EMI 시뮬레이션
• 인클로저에 포함되는 PCB 레이아웃에서의 열 발생 및 전달
• PCB 및 해당 인클로저 전반의 기류를 계산 및 시각화하는 CFD 시뮬레이션
• 특정 컴포넌트 및 상호 연결을 대상으로 하는 기계적 진동 및 피로도 측정 시뮬레이션

최고의 필드 솔버 애플리케이션은 PCB 설계 도구에서 내보낼 수 있는 PCB 레이아웃의 실제 모델과 함께 작동합니다. 수행할 수 있는 Altium 시뮬레이션 도구의 몇 가지 예시와 필드 솔버 시뮬레이션에서 배울 수 있는 내용을 확인하려면 아래 문서를 살펴보세요.

• PCB 레이아웃 내부의 임피던스 시뮬레이션에 대해 자세히 알아보기
• 근거리장 EMI/EMC 시뮬레이션에 대해 자세히 알아보기
• 네트 그룹과 관련된 크로스 토크 시뮬레이션에 대해 자세히 알아보기

Altium Designer^®의 완벽한 설계 기능 세트를 사용하면 PCB 컴포넌트 생성, 소싱, 관리 등을 쉽게 수행할 수 있습니다. 모든 Altium Designer 사용자는 프로젝트, 컴포넌트 데이터, 제조 데이터 및 기타 프로젝트 문서를 저장하고 공동 작업자와 공유할 수 있는 Altium 365^™ 클라우드 플랫폼의 전용 작업 영역에 액세스할 수 있습니다. 또한 Altium Designer는 널리 사용되는 MCAD 및 시뮬레이션 애플리케이션과 통합되어 인클로저 및 부품의 기계적 제약 조건을 고려하면서 시스템 설계에 접근할 수 있게 해 줍니다. 이는 최고의 전기 회로 설계 시뮬레이션 소프트웨어입니다.

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