모터 드라이버 PCB에서 PDN Analyzer 빠른 시작

이전에 단일 IC를 사용하여 간단한 DC 브러시 모터 컨트롤러를 설계하는 방법에 대해 게시한 적이 있습니다. 비교적 간단한 보드이지만, 두 모터가 드라이버의 채널당 정격 전류로 작동할 경우 최대 4암페어의 전류를 전달하게 됩니다. 이렇게 간단한 보드의 경우, 트레이스의 길이와 너비를 살펴보고 온라인 계산기(또는 약간의 수학)를 사용하여 트레이스의 전류 밀도를 계산하고 부하를 어떻게 처리할 수 있는지 확인할 수 있습니다. 그러나 더 복잡한 보드의 경우, 이 작업이 매우 빠르게 번거로워질 수 있습니다. 전류를 운반하는 폴리곤 푸어, 다양한 트레이스 너비, 트레이스를 따라 있는 구성 요소 또는 기타 복잡한 PCB 기능이 있는 경우, 보드가 수행해야 할 작업에 충분한지 계산하기가 더 어려워집니다.

구리 층에서의 전류 밀도를 시각화할 수 있다는 것은 더 최적의 설계 결정을 내리는 데 도움이 됩니다.

PDN Analyzer에 대해 정말 좋아하는 점은 복잡한 보드 설정에 약간의 작업이 필요하지만, 일단 설정하고 나면, 보드의 전류와 전압을 최적화할 수 있게 해주어 굉장히 빛나는 점입니다. 마이크로컨트롤러나 FPGA를 구동하는 것만으로도, PDN Analyzer를 사용하여 전류 밀도가 너무 높거나 트레이스의 전압 강하가 여유분을 초과하는 곳을 빠르게 시각화할 수 있습니다. 기술적 지식이 덜한 이해관계자들을 위해서도, 회로 보드의 시각적 지도를 빠르게 생성하여 잠재적 문제를 강조할 수 있게 해주며, 이를 통해 사양을 약간 변경해야 할 수도 있음(아마도 보드의 실제 면적을 더 확보함)을 알 수 있게 해주어 보드가 예상대로 작동하도록 보장합니다.

PDN Analyzer에 처음 접하는 분들을 위해, 도구 사용 방법을 배우는 방법으로 전력 네트워크를 설정하고 분석을 살펴볼 수 있는 보드를 다운로드하여 따라할 수 있도록 만들고 싶었습니다. Altium 문서에는 여러 시작하기 예제가 포함되어 있지만, 제가 만든 모터 컨트롤러 프로젝트는 훨씬 간단하며 보드의 모든 넷에 대한 전력 네트워크를 빠르게 설정할 수 있게 해줍니다. 이를 통해 시간이 촉박한 경우 더 빨리 시작할 수 있기를 바랍니다. 또한, 설치 및 라이선싱을 다루는 전체 PDN Analyzer 시작 가이드도 있습니다. 마지막으로, PDN Analyzer 문서

도 확인할 수 있습니다. 설정

PDN Analyzer를 시작하기 전에, 전력 네트워크 디자인에서 참조할 넷에 넷 이름을 추가하는 것이 좋습니다. 이렇게 하면 IC2_2와 같이 명명된 넷을 식별하는 데 의존하지 않고도 찾기가 훨씬 쉬워집니다.

Altium Designer에서 보여진 모터 드라이버 회로의 스키마

PDN 분석기를 열면 시작할 때 하나의 네트워크가 있는 새 솔루션으로 시작하게 됩니다. 네트워크를 보기 쉽게 하기 위해 PDN 분석기 창을 초기 시작 크기보다 조금 더 크게 확장하는 것이 좋습니다.

PDN 분석기에는 단일 네트워크가 있는 이름 없는 시뮬레이션이 있습니다.

다음으로, DC Nets 버튼을 클릭하여 전압을 설정하고 작업할 넷을 지정하고 싶어할 것입니다.

스키마틱의 넷에 대한 전압 수준을 설정하는 창이 나타납니다.

그런 다음 모든 넷을 선택하고 선택한 항목 추가를 클릭합니다. 찾고 있는 넷이 없는 경우 모든 넷을 필터링에 사용할 수 있도록 모든 넷 활성화 확인란을 클릭하여 모두 표시할 수 있습니다.

제가 H-브리지의 전력 네트워크 설정을 사용하는 방식은 첫눈에 조금 이상해 보일 수 있습니다. 공급원부터 지상까지의 전류 경로를 시뮬레이션하고자 하기 때문입니다. 기술적으로 부하는 모터 커넥터이지만, 시뮬레이션 목적으로는 이것이 특별히 도움이 되지 않습니다. 왜냐하면 전류는 드라이버 IC, 모터를 거쳐 다시 드라이버 IC로 흐르고, 그 후에야 전류 감지 저항을 통과하기 때문입니다—적어도 이 프로젝트에서 사용하는 Allegro A4954의 경우는 그렇습니다. 이를 처리하기 위해, 저는 네트워크의 부하를 전류 감지 저항(R6 및 R9가 CS1 및 CS2 네트에 연결됨)으로 설정하고, IC1 및 커넥터(J1 및 J2)를 각 네트 사이의 직렬 연결로 하여 모터로 흐르는 전류를 운반하는 각 네트를 통해 VCC 네트를 확장하고 있습니다.

우리는 R6, R9, 및 IC2를 부하로 구성하여 네트워크를 통한 전력 흐름을 설명했습니다.

완전성을 위해, 저는 낮은 전류 소모에도 불구하고 전압 조정기를 전압 조정기 부하로 추가했습니다. 그림 위에서 부하 1로 표시되었습니다. 전압 조정기를 부하로 추가하면 보드를 통한 전류 흐름을 올바르게 시뮬레이션할 수 있습니다. 부하를 추가할 때, 장치 속성 창 상단에서 장치 유형을 VRM (전압 조정 모듈)으로 설정할 수 있으며, 이를 통해 전압 조정기의 조정된 측면에 대한 새로운 네트워크를 생성할 수 있습니다. 출력 전압을 설정하는 것을 잊지 마세요!

전압 조정기 장치를 VRM으로 설정하고, VRM 단자를 지정하고, Vout 매개변수를 설정하여 전압 조정된 측면에 대한 네트워크를 생성했습니다.

3.3V 네트워크에서, 저는 가변저항을 시리즈 구성요소로 사용하여 회로도의 VREF 네트워크로 네트워크를 확장했습니다. 저는 시리즈 구성요소의 저항값을 가변저항이 사용 중일 수 있는 값으로 설정한 다음, 저항 분압기의 하단 다리에 대한 전류 소모를 저항 분압기를 통한 전류가 될 것으로 설정했습니다. 저항값이 상대적으로 낮다는 점에 유의하세요. 이 보드는 EMI가 참조 네트워크에 전압을 유도할 수 있는 산업 환경에서 사용되었으며, 이는 모터의 예상치 못한 동작을 유발할 수 있습니다.

3.3V 네트워크는 IC2, 전압 조절기에서 전류를 공급받고 저항 분압기의 하단 다리인 R2와 R4로 전류를 소모합니다.

전압 조절기 부하가 네트워크에 있으면, 우클릭하여 Add VRM to New Network를 선택함으로써 출력 네트워크를 생성할 수 있습니다.

네트워크 설정이 완료되면, Analyze 버튼을 클릭하여 네트워크를 시뮬레이션할 수 있습니다.

분석

PDN Analyzer는 고객이나 관리진에게 보고서를 제공할 때 멋진 시각적 효과를 제공하는 회로 보드를 넘어서, 다양한 흥미로운 분석을 즉시 제공합니다. 이 분석을 통해 실제 엔지니어링 결정을 신속하게 내리고, 설계와 잠재적 변경 사항을 분석하며, 외부 출력/입력에 대해 설정된 제한 사항을 함께 고려할 수 있습니다.

마이크로컨트롤러, FPGA, RF 모듈 또는 기타 전압에 민감한 장치를 공급하는 작업을 하고 있다면, PDN Analyzer는 민감한 부하에 도달하는 전압이 허용 오차 내에 유지될 수 있도록 트레이스 폭이 충분한지를 파악하는 과정을 크게 가속화할 수 있습니다. 하지만 이 프로젝트에서는 전압 분석을 살펴보지 않을 것입니다. 왜냐하면 저는 보드 주변을 이동하는 전류에만 관심이 있기 때문입니다. 이것은 모터 드라이버를 위한 상대적으로 얇은 트레이스를 가진 컴팩트한 디자인으로, 과열될 수도 있다고 우려하고 있습니다. 이 설계를 수동으로 확인하고 있다면, 주로 EEWeb과 같은 온라인 계산기 도구를 사용하여 트레이스별로 전류 용량을 계산하는 것이 주요 작업이 될 것입니다.

PDN Analyzer를 사용하면 수동으로 몇 개의 트레이스를 계산하는 데 걸리는 시간보다 전체 보드를 더 빠르게 분석할 수 있습니다. PDN Analyzer가 온도 상승이 아닌 전류 밀도를 출력하기 때문에, 안전한 전류 밀도가 무엇인지는 여전히 수동으로 확인해야 합니다. 공기 흐름, 인클로저, 주변 온도, 표면 코팅 등과 같은 요소들이 실제 세계에서 주어진 트레이스의 실제 온도 상승과 암페어 용량에 기여할 것이기 때문에, 전류 밀도는 의사 결정을 내리기에 더 실용적입니다. 이러한 보드의 경우, 100-120 A/mm^2를 위험할 정도로 높은 것으로 간주할 것입니다. 이는 보드에 있는 것과 같은 크기의 트레이스에서 정지 공기 중 주변 온도 대비 약 30°C의 온도 상승을 초래할 것이기 때문입니다. 트레이스를 안전하게 유지하기 위해, 고전류 네트워크에서는 60-75 A/mm^2의 전류 밀도가 허용될 수 있으며, 이는 주변 온도 대비 약 10°C의 온도 상승만을 초래해야 합니다.

각 네트워크의 하단에 있는 탭에는 설계의 정확성을 보장하는 데 매우 유용할 수 있는 분석 표가 포함되어 있습니다. 이러한 표는 위에서 언급한 마이크로컨트롤러 또는 FPGA 회로 시뮬레이션에 훨씬 더 유용할 것입니다. 그러나 이 모터 드라이브 분석기의 경우, Visual 표를 사용하면 설계를 훨씬 더 빠르게 검증할 수 있습니다. 저를 잘못 이해하지 마십시오, 표는 시뮬레이션할 수 있는 대부분의 보드에 정말 도움이 됩니다. 그러나 이 모터 컨트롤러의 경우, 전반적인 전력 통계보다는 실제 트레이스를 자세히 분석하는 것이 우리가 원하는 바입니다.

PDN Analyzer에 의해 계산된 전력 소비 표. 이미지를 새 탭에서 열어 명확하게 볼 수 있습니다.

Visual 탭에서 전류 밀도 버튼을 클릭한 다음 2D 버튼을 클릭하면 지상이 표시되지 않은 구성된 네트워크를 볼 수 있습니다(지상은 대부분 방해가 되지만 분석 후반부에 반드시 확인해야 합니다).

대부분의 트레이스는 높은 전류 밀도를 가지고 있지만, 우리가 원하는 단위로 밀도가 표시되지 않기 때문에 어떠한 결론도 내릴 수 없습니다.

이것은 현재 밀도를 백분율로 보여줍니다. 색상 스펙트럼이 비선형임에 유의하십시오. 색상 척도는 또한 레일별로 표시됩니다. 이 뷰에서는 여러 레일이 보이는데, 이로 인해 보드의 왼쪽에 세로로 놓인 3.3V 레일이 모터 트레이스와 비슷한 전류 수준을 운반하는 것처럼 보입니다. 왜냐하면 둘 다 각각의 레일의 전류 밀도의 거의 100%를 운반하기 때문입니다.

이것이 원하는 출력이 아니라면, 색상 척도를 여전히 자동으로 설정할 수 있지만, '표시됨'으로 설정하여 실제 전류 밀도를 표시하도록 변경할 수 있습니다.

또한, 수동 디스플레이로 이동하면, 내가 설정한 모터당 2A 부하로 과부하가 걸린 트레이스나 트레이스의 영역을 매우 명확하게 할 수 있습니다. 모터당 2A는 드라이버가 지원할 수 있는 최대 전류이며, 이전 기사에서 각 출력에 1A 모터를 구동하고 있다고 언급했음에도 불구하고 이렇게 설명합니다. 이 보드의 미래가 어떻게 될지 모르기 때문에, 전체 전류 용량에서 확인하는 것이 가치가 있습니다.

내 최종 설정은 100A/mm2에서 가장 높은 정도의 빨간색을 보여줍니다.

수동 최대 전류 용량을 100A/mm2로 변경하면, 내 보드가 조금 다르게 보이기 시작합니다.

트레이스는 어디로 갔나요?

지정된 범위를 벗어난 전류 제한이 있는 곳에는 검은색 트레이스가 있으며, 이는 여러 트레이스가 너무 작다는 것을 즉시 명확하게 합니다. 모터 트레이스는 모터 당 2A에서 과열 및 잠재적인 층 분리 위험에 처할 것입니다.

네트워크의 부하를 1.2A로 변경하면, 내가 예상한 최대 부하보다 약간 높게 설정하면 이러한 트레이스가 앞서 언급한 최대 한도 아래로 들어갑니다. 따뜻해지겠지만 위험한 수준까지는 아닙니다.

2A에서는 트레이스가 사라질 수 있지만 1.2A에서는 분명히 존재합니다. 그러나 약간 따뜻해질 것입니다.

그러나 여전히 해결되지 않은 한 가지 문제가 있습니다: IC의 전압 공급을 위한 비아 주변입니다. 이 부분은 더 큰 트레이스를 사용하거나 아마도 폴리곤 푸어로 재설계가 필요할 것입니다. 여기서 어떤 트레이스 폭이 더 적절할지 결정하기 위해, 앞서 언급한 온라인 계산기를 사용하여 좋은 출발점을 얻고자 합니다. 그렇게 하려면, 해당 트레이스에 흐를 전류량을 알아야 하며, 놀랍게도 PDN Analyzer는 Probe 도구를 사용하여 즉시 이를 파악할 수 있습니다. 같은 Visual 탭에서 Probe를 클릭한 다음 관심 있는 보드 영역을 클릭할 수 있습니다.

상단 레이어의 VCC 넷에서 프로브한 위치는 무려 1.768A의 전류를 운반하고 있습니다.

이는 보드에서 약 1.768A의 전류를 볼 수 있을 것으로 예상하게 합니다. 32um 구리 보드에서는 데이터시트의 Allegro가 권장하는 PCB 레이아웃을 따랐을 때 현재 존재하는 0.45mm보다 0.75mm 트레이스 폭이 더 적절할 것입니다.

여기 보드 레이아웃과 IC 핀 사이의 간격을 고려했을 때, 폴리곤이 이 핀에 더 많은 구리를 가져다주는 가장 쉬운 방법이 될 것입니다.

VCC 네트에 구리 폴리곤을 추가한 후의 보드입니다.

이 보드 영역을 재설계한 후, PDN Analyzer에서 다시 분석을 클릭하기만 하면 변경 사항의 결과를 볼 수 있습니다.

구리 푸어링은 IC의 전압 공급 주변의 전류 밀도를 줄였고, 모든 트레이스는 이제 괜찮아 보입니다.

동일한 수동 색상 스케일을 적용했을 때, 추가된 폴리곤이 보드 그 지역 주변의 전류 밀도에 대해 예상대로 큰 효과를 발휘했다는 것이 즉시 분명해집니다. 이제 안전한 범위 내에 있습니다.

트레이스의 전류 용량이 충분하다는 것을 확인했으므로, 이제 그라운드 푸어링도 확인해야 합니다. 첫 번째 기사에서 드라이버 보드가 설계된 것을 읽으며 따라왔다면, 데이터시트에서 권장하는 대로 현재 감지 저항기에 스타-그라운드를 제공하기 위해 보드 하단에 일부 컷아웃이 있었다는 것을 기억할 것입니다. 이것이 보드의 전류 용량에 부정적인 영향을 미치지 않도록 하고, 상단에서는 현재 감지 저항기와 전원 커넥터가 폴리곤 내 제한된 영역 없이 충분히 넓은 연결을 가지도록 하고 싶습니다.

구리가 드러난 후의 보드 상단.

상단에서, 드라이버 IC의 노출된 패드에서 전원 커넥터 핀까지의 전류 경로를 분명하게 볼 수 있습니다. 다시 한번, 폴리곤의 어느 지점에서든 특정 지점의 전류 밀도를 찾기 위해 Probe 도구를 사용할 수 있습니다.

상단 구리 영역에서 가장 뜨거운 지점은 16.93A/mm2에 불과하며, 이는 최대 100A/mm2의 약 여섯 분의 일입니다.

이제 보드 상단에 만족했으므로, 컷아웃 영역이 있는 하단 폴리곤을 확인할 수 있습니다.

보드의 하단도 모두 괜찮아 보입니다!

전류 감지 저항기와 노출된 패드 사이를 지나는 슬롯의 간격을 고려하면, 전류 밀도가 허용 가능한 한계 내에 잘 있음이 그다지 놀랍지 않습니다. 그럼에도 불구하고, 이 결과를 시각화할 수 있다는 것은 여전히 흥미롭습니다.

이 분석은 PDN Analyzer로 가능한 것들의 극히 일부에 불과합니다. 여기서는 시각적인 측면과 전류 측면에만 초점을 맞췄지만, 다른 탭의 표들을 살펴보는 것도 매우 가치가 있습니다. 저는 특히 커넥터에 있는 각 핀이 제조업체의 최대 사양보다 적은 전류를 통과시키고 있는지 확인하기 위해 Pins 탭을 확인하는 것을 좋아합니다. 만약 부적절한 부품을 선택했거나, 처음 예상했던 것보다 전류가 더 높은 경우에 대비해서입니다. Vias 탭에서는 전류 밀도별로 표를 정렬하는 것을 선호합니다. 이를 통해 가장 높은 전류 밀도가 허용 가능한 범위 내에 있는지 빠르게 확인할 수 있습니다. 만약 전류 밀도가 너무 높다면, 추가적인 비아를 빠르게 추가하거나 크기를 변경한 후 다시 분석하여 내 변경사항이 사양 내에 들어왔는지 확인할 수 있습니다. 네트워크에서 전압이나 전류 수준에 대한 허용 오차를 설정했다면, 넷 탭은 설정한 요구 사항을 네트가 통과하거나 실패하는지 빠르게 보여줄 수 있습니다.

추가 최적화

제가 PDN Analyzer에서 이 드라이버 보드를 분석한 바에 따르면, 드라이버 IC의 전류 설정을 위한 저항 분배기의 값을 변경하는 것이 적절할 것 같습니다. 이를 통해 최대 전류가 1.2A를 초과하지 않도록 할 수 있습니다. 트레이스 폭을 변경할 수도 있지만, 1.2A는 제 요구 사항을 초과합니다.

또한, 부하가 더 큰 다른 영역에 추가적인 비아나 구리를 추가할 수도 있습니다.

직접 시도해보세요

PDN Analyzer를 가지고 있다면, 완전히 구성되고 시뮬레이션된 이 프로젝트를 GitHub에서 다운로드할 수 있습니다. 분석을 직접 구축하고 따라가고 싶다면, 이전 기사의 결론 시점에서 PDN Analyzer를 추가하기 전의 프로젝트를 이 커밋에서 다운로드할 수 있습니다. 이를 통해 이 간단한 프로젝트를 복제하고 기본 모터 드라이버 회로를 분석하는 실험을 할 수 있습니다.

PDN Analyzer가 없다면, 이 간단한 프로젝트 분석이 왜 Altium에 추가되었을 때 이 시뮬레이션 도구에 반했는지에 대한 아이디어를 드릴 수 있기를 바랍니다. 단순한 모터 컨트롤러를 설계하는 경우, 훨씬 더 큰 부하를 공급하는 경우, 또는 더 일반적인 회로에 대해 민감한 전압 허용 오차 요구 사항이 있는 경우, PDN Analyzer는 레이아웃 분석에 드는 시간을 많이 절약해주며, 제가 받게 될 완성된 구리 보드가 요구 사항대로 작동할 것이라는 확신을 줍니다.

다음 PCB 설계에서 Altium이 어떻게 도움을 줄 수 있는지 더 알아보고 싶으신가요? 모터 드라이버 분석기에 대해 더 궁금한 점이 있으신가요? Altium의 전문가와 상담하세요 또는 Altium의 PDN Analyzer에 대해 더 알아보세요.