시뮬레이션 주도 설계는 PCB의 신호 문제 등을 해결할 수 있습니다

전자 산업이나 연구 분야에서 일한다면, 시뮬레이션이 일상의 일부일 가능성이 있습니다. 더 간단한 시스템은 직관을 통해 설계될 수 있으며 설계가 완료된 후에 시뮬레이션될 수 있지만, 고주파수에서 작동하거나 매우 높은 데이터 전송률을 필요로 하는 더 고급 시스템은 PCB 레이아웃이 완료되기 전후로 자격을 갖추어야 합니다. 시뮬레이션 소프트웨어는 많은 고급 시스템의 PCB 설계에서 더욱 중요한 역할을 해야 합니다.

불행히도, 많은 시뮬레이션 도구들은 PCB 설계 소프트웨어 사용자들이 사용하기 위해 만들어지지 않았기 때문에 대부분의 설계자들에게 직관적이지 않습니다. 하지만 이러한 시스템들은 사용성 측면에서 많이 개선되고 있으며, 설계 과정 내에서의 사용이 시뮬레이션 도구를 강력하게 만드는 것입니다.

PCB 시뮬레이션에서 검토할 사항

전자 제품의 시뮬레이션 주도 설계는 설계 도구, 데이터 관리 시스템, 시뮬레이션 애플리케이션 간의 인터페이스를 생성함으로써 시작됩니다. 오늘날의 전문 전자 설계 팀은 전기, 기계, 열, 신뢰성 분야에 걸쳐 경험이 있는 다기능 팀입니다. 설계 팀은 물리적 설계 데이터를 신속하게 공유하고, 시뮬레이션 모델을 내보내고, 설계 평가 시뮬레이션을 실행할 수 있는 시스템이 필요합니다.

PCB의 시뮬레이션 주도 설계 과정은 세 가지 넓은 영역을 아우르며 특정 과정을 따릅니다:

1. 회로 시뮬레이션
2. 보드 레벨 시뮬레이션
3. 조립 시뮬레이션

이 과정은 반복적이기 때문에, 이전 단계로 돌아가야 함을 나타내는 화살표를 그립니다. 회로 시뮬레이션 결과에서 발견된 문제는 회로 설계를 수정하기 위해 스키매틱으로 돌아가야 할 수 있습니다. PCB 시뮬레이션 단계에서, 결과는 회로, PCB 레이아웃 또는 둘 다에서 수정이 필요할 수 있음을 나타낼 수 있습니다. EMI 시뮬레이션, SI/PI, 열 시뮬레이션의 경우 이러한 결과가 회로에서 변경이 필요함을 나타낼 수 있으며, 이는 PCB 레이아웃 변경을 강제할 수 있습니다.

회로 시뮬레이션 (전송선 포함!)

SPICE 사용자는 회로 시뮬레이션에 대해 잘 알고 있습니다. SPICE 시뮬레이션에서는 시간 영역과 주파수 영역 모두에서 검토하고 평가할 수 있는 중요한 동작 범위가 매우 넓습니다. SPICE 시뮬레이션은 회로 설계자의 주축이며 기본

• 아날로그 및 전력 회로가 의도한 기능을 제공하는지 결정
• 후속 시뮬레이션을 위해 회로에서 전력 기대치 사용
• 정밀 회로에서 구성 요소 허용 오차 검증
• 현상학적 논리 회로에서 특수 논리 기능 검증

이러한 모든 작업은 구성 요소에 대한 모델 정의가 있을 경우 SPICE 시뮬레이션에서 수행할 수 있습니다. 위에 나열된 영역 중 어느 것이라도 자체 기사로 다룰 공간을 차지할 수 있으므로 여기서는 그러한 점들에 대해 자세히 다루지 않겠습니다.

디지털 신호 무결성이나 RF 신호 시뮬레이션을 회로 또는 스키마틱 수준에서 요구하는 시스템은 훨씬 더 고급이며 해당 구조의 동작을 정의하는 등가 회로 모델이나 선형 네트워크가 필요합니다. 회로 내 이러한 구조물과 함께 시뮬레이션을 수행할 때는 네트워크 매개변수, 일반적으로 ABCD 매개변수 또는 다른 선형 네트워크 매개변수 세트를 사용하여 선형 구성 요소 간에 간단한 연쇄를 가능하게 합니다.

1. 선택한 스택업에서 후보 전송선 또는 RF 구조를 설계하십시오.
2. S-매개변수 또는 전달 함수를 사용하여 성능을 시뮬레이션합니다.
3. 성능 목표를 최대화하기 위해 디자인을 반복합니다.
4. 성능이 수용 가능하면 선형 네트워크 모델 또는 등가 회로 모델을 추출합니다.
5. 추출된 모델을 SPICE 시뮬레이션에서 다른 구성 요소와 함께 사용합니다.

이러한 구조물에 대한 선형 네트워크 모델은 Keysight PathWave ADS, Simbeor, Ansys 또는 CST Microwave와 같은 시뮬레이션 프로그램으로 추출할 수 있습니다. PCB 상의 패키지 디자인에서 결정된 예제 추출 선형 네트워크는 아래에 나와 있습니다.

PCB 상의 두 구성 요소 패키지와 그들의 상호 연결에 대한 추출된 선형 네트워크. Simberian의 이미지 제공.

이 선형 네트워크 또는 동등한 추출 회로가 회로 시뮬레이터로 가져와지면, 의도한 상호 연결 디자인의 성능을 시뮬레이션할 수 있습니다. 이러한 유형의 시뮬레이션 과정은 DDR, PCIe, MIPI 표준 등과 같은 빠른 디지털 버스의 상호 연결 동작을 이해하기 위해 사용되는 표준 접근 방식입니다. 의도한 디자인이 검증되면, PCB 레이아웃에 다른 구성 요소와 함께 사용할 수 있습니다.

회로 시뮬레이션은 회로가 다른 모든 회로로부터 격리된 완벽한 세계를 가정합니다. 노이즈, 신호 결합/크로스토크, 방사/전도 방출과 같은 실제 효과는 레이아웃이 완료된 후 PCB 수준에서 결정해야 합니다.

보드 수준 시뮬레이션

PCB 레이아웃이 완료되면, 중요한 상호 연결, 전력, EMI/EMC, 온도를 평가하기 위해 보드 수준 시뮬레이션이 수행됩니다. PCB의 모든 부분을 시뮬레이션할 필요는 없으며, 회로 시뮬레이션에서 검토된 가장 중요한 회로는 가능한 경우 포스트 레이아웃 시뮬레이션에서도 검토되어야 합니다. 예를 들어, 이는 다음을 포함할 수 있습니다:

• 신호 무결성: 임피던스 검증 및 네트워크 파라미터 추출을 위한 MoM/BEM 시뮬레이션, 고속 채널에서의 BER 시뮬레이션, 반사 및 크로스토크 파형
• 전력 무결성: PDN 임피던스 추출, 과도 모델링, 전류 밀도 매핑, DC부터 GHz 주파수까지 스캔
• EMI 분석: 고속/고주파수 인터커넥트에서의 근거리 및 원거리 복사, 과도 현상에서의 EMI, 차폐 효과, EMI 감수성 검토 가능
• 열 시뮬레이션: 고전력 부품으로 인한 줄루 열 발생 및 외부 열원으로 인한 온도 분포, 자연 및 강제 대류, 열 전도성 매핑

수행 가능한 특정 보드 레벨 시뮬레이션 목록은 매우 길지만, 목표는 항상 동일합니다: PCB 레이아웃에 부품 배치와 인터커넥트 디자인이 회로 시뮬레이션에서 검증된 시스템의 성능에 영향을 주지 않도록 보장합니다. 레이아웃 전과 후의 결과를 비교하여 PCB 레이아웃에 배치된 요소들로 인해 장치가 크게 영향을 받지 않는지 확인하는 것이 중요합니다.

이것은 대부분 신호 무결성과 관련이 있으며, 이 설계 분야는 일반적으로 주요한 초점을 받습니다. 여기 Altium PCB 레이아웃에서 생성할 수 있는 예시 시뮬레이션 결과가 있습니다:

• PCB의 전력 분배 네트워크에서 근접 필드 EMI 식별하기
• FIFO 및 DDR4 병렬 버스 인터페이스에서 크로스토크 분석하기
• 고속 PCB 설계에서 DDR4 임피던스 위반 발견하기

디지털 신호 무결성을 위한 인터커넥트를 검증하는 주요 도구로는 아이 다이어그램 비교, S-파라미터 시뮬레이션, 임피던스 계산 등이 있습니다.

PCB 수준에서 사후 레이아웃 시뮬레이션이 매우 중요한 다른 분야는 전력 무결성과 열 무결성으로, 각각 기능성과 신뢰성과 관련이 있습니다. 그러나, 설계가 완성된 조립체와 의도된 외장/포장에 통합되면 상황은 다시 변할 수 있습니다. 이때 기계적 및 열 성능을 검증하고 EMC 실패 가능성을 평가하기 위해 다른 그룹의 시뮬레이션 엔지니어와 협력이 필요합니다.

조립 시뮬레이션

보드가 완전히 조립되면, 열 요구 사항이 다소 변경될 수 있으며, 보드가 신뢰성을 보장하고 충격이나 진동을 견딜 수 있는지 기계적으로 검증해야 할 수 있습니다. 이것은 완성된 조립체에서 검토해야 할 기계적 요소의 몇 가지 예입니다.

• 기계적 시뮬레이션: 기계적 충격, 굽힘, 진동, 낙하 시험으로 인한 스트레스 분포가 실패로 이어짐
• 신뢰성 및 수명: 열 사이클링, 열/기계적 충격, 수분 침투, 진동 피로로 인한 실패 확률; 산업 신뢰성 표준에 대한 평가
• 공기 흐름 및 열 분산: 인클로저 내에서, 공기 흐름은 일반적으로 특정 경로를 따라야 하며, 인클로저는 장치의 핵심 부품으로부터 열이 흐르는 것에 영향을 줄 수 있음

어셈블리를 자격을 갖추기 위한 이러한 측면은 더 고급 필드 솔버를 사용하여 수행되며, PCB 설계 및 레이아웃 소프트웨어와 직접적으로 관련되지 않습니다. 사용하는 PCB 설계 도구는 필드 솔버 애플리케이션에서 사용할 수 있는 호환 가능한 기계적 또는 전기-기계적 내보내기 파일을 제공해야 합니다.

공기 흐름 시뮬레이션의 경우, CFD-열 공동 시뮬레이션 애플리케이션이 필요하며, 이는 일반적으로 다물리학 전문가가 수행합니다. 완성된 어셈블리를 포함한 예시,

EMI/EMC는 제품에 존재하는 외장과 기계적 요소의 영향을 받기도 하므로, 이러한 점들을 시뮬레이션하는 것이 중요합니다. 이 과정은 또한 조립체 내부에서 맥스웰 방정식을 풀 수 있는 3D 전자기장 솔버를 포함하며, 최종 결과의 정확성을 보장하기 위해 일부 전문 지식이 필요합니다. 이는 제품 사전 준수 테스트를 수행하기 전에 자격을 부여하는 형태로 유용하며, 최종 설계를 확정하기 전에 추가적인 조립 수준 차폐 조치를 구현해야 하는지 검토하는 데 도움이 될 수 있습니다.

항상 시뮬레이션과 설계를 테스트하세요!

"시뮬레이션 테스트"는 시뮬레이션 설정을 알려진 정확한 모델이나 구조와 정량화하는 것을 포함합니다. 예를 들어, 설계 중인 장치와 유사한 참조 모델과 구조를 가지고 있고, 테스트 및 측정에서 성능을 알고 있다면, 이를 사용하여 시뮬레이션 접근 방식과 시뮬레이션 애플리케이션의 구성 설정(메시 스타일, 해상도 등)의 정확성을 검증할 수 있습니다. 여기서 목표는 시뮬레이션 결과가 수학적으로 정확하지만 특정 설계를 정확하게 반영하지 않는 쓰레기 입력 쓰레기 출력(GIGO)을 피하는 것입니다.

다음 지점은 당연해 보일 수 있지만, 철저한 자격 검증과 테스트는 단순히 장치를 켜서 작동하는지 확인하는 것 이상입니다. 설계에서 시뮬레이션한 성능 지표가 있다면, 가능한 한 테스트에서도 검토하고 측정해야 합니다. 이유는 간단합니다: 때때로 시뮬레이션은 특정 상황을 포착하지 못하거나(또는 포착할 수 없는) 레이아웃과 조립에서의 특정 상황을 포착하지 못할 수 있습니다. 또한 시뮬레이션이 GIGO 문제에 시달렸을 가능성도 있습니다. GIGO 문제는 시뮬레이션에서 매우 현실적이며, 이것이 새로운 설계에 적용하기 전에 시뮬레이션 도구를 알려진 좋은 참조에 대해 자격을 갖추어야 하는 이유입니다.

Altium Designer^®는 다양한 고급 설계 및 시뮬레이션 도구를 포함하여 SI/PI/EMI 문제를 진단하고 피할 수 있도록 도와주며, 보다 고급 필드 솔버를 사용하는 시뮬레이션 엔지니어에게 설계를 쉽게 전달할 수 있습니다. 이를 통해 다른 곳에서는 사용할 수 없는 시뮬레이션 주도 설계에 대한 포괄적인 접근 방식을 제공합니다. 이제 무료 체험판을 다운로드하여 Altium Designer가 귀하에게 적합한지 알아볼 수 있습니다. 시뮬레이션 주도 설계가 귀하에게 제공할 수 있는 훌륭한 이점에 대해 자세히 알아보려면, 오늘 Altium 전문가와 상담하세요.