Szybki start analizatora PDN na płytce PCB sterownika silnika

Wcześniej pisałem o projektowaniu prostego sterownika silnika prądu stałego z szczotkami przy użyciu pojedynczego układu scalonego. Chociaż jest to stosunkowo prosta płyta, będzie ona przesyłać maksymalny prąd 4 ampery, jeśli oba silniki będą pracować z pełną nominalną prądem na kanał sterownika. Dla tak prostej płytki, można po prostu spojrzeć na długość i szerokość ścieżek i użyć kalkulatora online (lub trochę matematyki), aby obliczyć gęstości prądu na ścieżkach i zobaczyć, jak poradzą sobie z obciążeniem. W przypadku bardziej skomplikowanych płyt, jednakże, może to stać się dość szybko uciążliwe. Jeśli masz poligony przewodzące prąd, mieszankę szerokości ścieżek, komponenty wzdłuż ścieżki lub inne skomplikowane cechy PCB, staje się trudniej obliczyć, czy płyta będzie wystarczająca do danego zadania.

Możliwość wizualizacji gęstości prądu na warstwie miedzianej pomaga podejmować bardziej optymalne decyzje projektowe.

To naprawdę uwielbiam w PDN Analyzer: wymaga trochę pracy przy konfiguracji dla skomplikowanej płyty, ale gdy już to zrobisz, błyszczy spektakularnie, pozwalając zoptymalizować twoją płytę obwodu pod kątem prądów i napięć na niej. Nawet jeśli chodzi tylko o zasilanie mikrokontrolera lub FPGA, możesz użyć PDN Analyzer, aby szybko zwizualizować, gdzie gęstości prądu są zbyt wysokie, lub spadek napięcia na ścieżce przekracza twoje marginesy. Dla mniej technicznych interesariuszy, pozwala również szybko stworzyć wizualną mapę płyty obwodu, aby podkreślić potencjalne problemy, co pozwala zobaczyć, dlaczego możesz potrzebować nieco zmienić specyfikacje (być może dając ci więcej miejsca na płycie), aby zapewnić, że płyta działa zgodnie z oczekiwaniami.

Jeśli jesteś nowy w PDN Analyzer, chciałem stworzyć płytkę, którą możesz pobrać i śledzić, aby skonfigurować sieć zasilania i przyjrzeć się analizie jako sposób na naukę korzystania z narzędzia. Dokumentacja Altium zawiera kilka przykładów rozpoczynania pracy, jednak projekt sterownika silnika, który zbudowałem, jest znacznie prostszy i pozwala szybko skonfigurować sieć zasilania dla każdej sieci na płytce, co mam nadzieję pozwoli Ci szybciej zacząć, jeśli masz niewiele czasu. Jest również pełny przewodnik rozpoczynania pracy z PDN Analyzer, który prowadzi przez instalację i licencjonowanie. Na koniec możesz również sprawdzić dokumentację PDN Analyzer.

Konfiguracja

Przed uruchomieniem PDN Analyzer, sugeruję najpierw dodać nazwy sieci do wszystkich sieci, które będziesz odnosić w projektowaniu sieci zasilania. To sprawia, że są one znacznie łatwiejsze do znalezienia, niż musieć polegać na identyfikacji sieci nazwanej czymś takim jak IC2_2!

Schemat układu sterownika silnika jak pokazano w Altium Designer

Gdy otworzysz PDN Analyzer, zaczniesz od nowego rozwiązania, które ma jedną sieć, aby Cię rozpocząć. Bardzo polecam rozszerzenie okna PDN Analyzer nieco większe niż początkowy rozmiar, aby łatwiej było przeglądać sieć.

PDN Analyzer ma nienazwaną symulację z Twoją pojedynczą siecią.

Następnie będziesz chciał kliknąć przycisk Sieci DC, aby ustawić napięcia i określić, z którymi sieciami będziesz pracować.

Pojawi się okno do ustawienia poziomów napięcia dla sieci w twoim schemacie.

Wtedy wybierz wszystkie sieci i kliknij Dodaj wybrane. Jeśli szukanej sieci brakuje, możesz zaznaczyć pole wyboru Włącz wszystkie sieci do filtrowania, aby wszystkie były widoczne.

Konfiguracja, której używam dla sieci zasilającej w mostku H, na pierwszy rzut oka wygląda nieco dziwnie, ponieważ chcemy symulować ścieżkę prądu od źródła aż do ziemi. Technicznie obciążeniem jest złącze silnika, jednak do celów symulacji nie jest to szczególnie pomocne, ponieważ prąd będzie przepływał przez układ scalony sterownika, silnik, a następnie z powrotem do układu scalonego sterownika, aby przejść przez rezystor pomiaru prądu - przynajmniej w przypadku Allegro A4954, z którego korzysta ten projekt. Aby sobie z tym poradzić, ustawiam obciążenie sieci na rezystory pomiaru prądu (R6 i R9 podłączone do sieci CS1 i CS2) i rozszerzam sieć VCC przez każdą sieć, która przewodzi prąd do silnika z IC1 i złączami (J1 i J2) jako połączenia szeregowe między każdą siecią.

Opisaliśmy przepływ mocy przez naszą sieć z R6, R9 i IC2 skonfigurowanymi jako obciążenia.

Dla pełności, dodałem również regulator napięcia jako obciążenie regulatora napięcia, pokazane jako Obciążenie 1 na powyższym rysunku, pomimo jego niskiego poboru prądu. Dodawanie regulatorów napięcia jako obciążenia pozwala na prawidłową symulację przepływu prądu przez płytę. Dodając obciążenie, możesz ustawić Typ Urządzenia na VRM (Moduł Regulatora Napięcia) na górze okna Właściwości Urządzenia, co następnie pozwoli Ci wygenerować nową sieć dla regulowanej strony regulatora napięcia. Nie zapomnij ustawić napięcia wyjściowego!

Ustawiłem urządzenie regulatora napięcia na VRM, określiłem zaciski VRM i ustawiłem parametr Vout, aby wygenerować sieć dla strony z regulowanym napięciem.

Na sieci 3,3V rozszerzyłem sieć do sieci VREF na schemacie, używając potencjometru jako elementu szeregowego. Ustawiłem wartość oporu elementu szeregowego na wartość, która mogłaby być wartością używaną dla potencjometru, a następnie ustawiłem pobór prądu dla dolnej nogi dzielnika rezystancyjnego na wartość, jaką prąd miałby przez niego przepływać w dzielniku napięcia rezystancyjnym. Należy zauważyć, że wartości rezystorów są stosunkowo niskie, ponieważ ta płyta była w środowisku przemysłowym, gdzie EMI mogło indukować napięcia na sieciach referencyjnych i potencjalnie powodować nieoczekiwane zachowanie silnika.

Sieć 3,3V pobiera prąd z IC2, regulatora napięcia, i wprowadza go do R2 i R4, które są dolnymi nogami dzielników napięcia rezystancyjnych.

Po dodaniu obciążenia regulatora napięcia do sieci, możesz kliknąć prawym przyciskiem myszy, aby wygenerować sieć wyjściową, wybierając Dodaj VRM do Nowej Sieci.

Po skonfigurowaniu sieci, możesz kliknąć przycisk Analizuj, aby zasymulować sieć.

Analiza

PDN Analyzer oferuje wiele interesujących analiz, które są dostępne od ręki, poza świetnymi wizualizacjami na płytce drukowanej, które sprawiają, że raporty dla klientów lub zarządu wyglądają tak dobrze. Analiza, którą zapewnia, pozwala szybko podejmować realne decyzje inżynierskie oraz analizować projekt i potencjalne zmiany, które mogą być konieczne do wprowadzenia, wraz z ograniczeniami nałożonymi na zewnętrzne wyjścia/wejścia.

Jeśli pracujesz z dostarczaniem mikrokontrolerów, FPGA, modułów RF lub innych urządzeń wrażliwych na napięcie, PDN Analyzer może znacznie przyspieszyć proces ustalania, czy szerokości ścieżek są wystarczające, aby napięcia docierające do wrażliwego obciążenia pozostały w tolerancji. W tym projekcie jednak nie będę analizować napięcia, ponieważ interesuje mnie tylko prąd przepływający przez płytę. To kompaktowy projekt z dość cienkimi ścieżkami dla sterownika silnika, który, obawiam się, może potencjalnie przegrzewać się. Gdybym sprawdzał ten projekt ręcznie, głównie obliczałbym zdolność przenoszenia prądu ścieżka po ścieżce, używając narzędzia kalkulatora online, takiego jak to z EEWeb.

Dzięki PDN Analyzer mogę przeanalizować całą płytę w krótszym czasie, niż zajęłoby mi ręczne obliczenie zaledwie kilku ścieżek. Ponieważ PDN Analyzer podaje gęstości prądów zamiast wzrostu temperatury, nadal musimy ręcznie sprawdzać, jaka może być bezpieczna gęstość prądu. Gęstość prądu jest bardziej praktyczna do podejmowania decyzji, ponieważ czynniki takie jak przepływ powietrza, obudowa, temperatura otoczenia, powłoka powierzchniowa i wiele innych będą przyczyniać się do rzeczywistego wzrostu temperatury i przepustowości danej ścieżki w rzeczywistym świecie. Dla płyty takiej jak ta, uznałbym 100-120 A/mm2 za krytycznie wysokie, ponieważ to spowoduje wzrost temperatury o około 30°C powyżej temperatury otoczenia w nieruchomym powietrzu na ścieżkach tej samej wielkości co na płycie. Aby ścieżka była bezpieczna, gęstość prądu 60-75 A/mm2 byłaby akceptowalna na ścieżkach o wysokim prądzie, ponieważ powinno to prowadzić do wzrostu temperatury tylko o około 10°C powyżej temperatury otoczenia.

Karty na dole dla każdej sieci zawierają tabele analiz, które mogą być bardzo pomocne w zapewnieniu poprawności projektu. Te tabele będą znacznie bardziej użyteczne dla symulacji układów mikrokontrolera lub FPGA, o których wspomniano powyżej, jednak dla analizatora napędu silnika tabela wizualna pozwoli na szybszą weryfikację projektu. Nie zrozumcie mnie źle, tabele są naprawdę pomocne dla większości płyt, które możecie symulować, jednak w przypadku tego kontrolera silnika chcemy analizować szczegółowo rzeczywiste ścieżki, a nie tylko ogólne statystyki mocy.

Tabele zużycia energii obliczone przez PDN Analyzer. Otwórz obraz w nowej karcie, aby zobaczyć go wyraźnie.

Na karcie Wizualizacja, kliknięcie przycisku Gęstość prądu, a następnie przycisku 2D pokaże skonfigurowaną sieć bez wyświetlania ziemi (ziemia w większości przypadków przeszkadza, ale zdecydowanie powinna być sprawdzona później w analizie).

Większość ścieżek ma wysoką gęstość prądu, ale nie możemy wyciągnąć żadnych wniosków, ponieważ gęstości nie są pokazane w jednostkach, które chcemy.

Pokazuje to gęstość prądu w procentach. Należy zauważyć, że spektrum kolorów jest nieliniowe. Skala kolorów jest również pokazana na każdej szynie, w tym widoku mamy widoczne wiele szyn, co sprawia, że szyna 3,3V po lewej stronie płytki, biegnąca pionowo, wygląda na to, że przewodzi podobny poziom prądu co ścieżki silnika, ponieważ obie przewodzą prawie 100% gęstości prądu swoich odpowiednich szyn.

Jeśli to nie jest wynik, którego szukasz, możesz zmienić skalę kolorów na automatyczną, ale ustawić ją na „Wyświetlane”, co pokaże rzeczywiste gęstości prądu.

Ponadto, przechodząc na wyświetlanie ręczne, mogę bardzo wyraźnie pokazać, które ścieżki lub obszary ścieżek są przeciążone przez moje skonfigurowane obciążenia 2A na silnik. 2A na silnik to maksymalny prąd, jaki sterownik może obsłużyć, pomimo wspomnienia w poprzednim artykule, że napędzam silnik 1A na każdym wyjściu. Nie wiem, jakie będzie przyszłość tej płytki, więc warto sprawdzić przy pełnej zdolności prądowej.

Moje ostateczne ustawienie pokazuje najwyższy stopień czerwieni przy 100A/mm2.

Zmieniając ręcznie maksymalną dopuszczalną gęstość prądu na 100A/mm2, moja płyta zaczyna wyglądać nieco inaczej.

Gdzie podziały się ścieżki?

Czarne ścieżki to te, gdzie limit prądu wykracza poza określony zakres, co od razu wskazuje, że wiele ścieżek jest zbyt cienkich. Ścieżki silników byłyby w niebezpieczeństwie przegrzania i potencjalnego delaminowania przy 2A na silnik.

Zmiana obciążeń w sieci na 1,2A, nieco powyżej mojego oczekiwanego maksymalnego obciążenia, sprawia, że te ścieżki mieszczą się w wcześniej wspomnianym maksymalnym limicie. Staną się ciepłe, ale nie na niebezpiecznym poziomie.

Ścieżki mogą zniknąć przy 2A, ale są bardzo dobrze widoczne przy 1,2A. Jednakże, staną się trochę ciepłe.

Jest jednak jeden punkt, który nadal pozostaje problematyczny: obszar wokół przelotki dla zasilania napięciem układu scalonego. Ta sekcja będzie wymagać przeprojektowania z użyciem szerszej ścieżki, a może nawet wlewu poligonowego. Aby określić, jaką szerokość ścieżki byłoby tutaj bardziej odpowiednie, zwróciłbym się do wspomnianego wcześniej kalkulatora online, aby uzyskać dobry punkt wyjścia. Aby to zrobić, muszę wiedzieć, jaki prąd będzie płynął przez tę ścieżkę, i nic dziwnego, że PDN Analyzer może to natychmiast ustalić, używając narzędzia Probe. Na tej samej karcie Visual możesz kliknąć Probe, a następnie kliknąć na obszarze płytki, który Cię interesuje.

Miejsce, które zbadaliśmy w sieci VCC górnej warstwy, przewodzi aż 1,768A prądu.

To mówi mi, że mogę spodziewać się około 1,768A na płytce, przy płytce miedzianej 32um, szerokość ścieżki 0,75mm byłaby bardziej odpowiednia niż obecnie obecna 0,45mm, zgodnie z zalecanym układem PCB Allegro w karcie katalogowej.

Biorąc pod uwagę układ płytki tutaj i odstępy między pinami układu scalonego, poligon będzie najłatwiejszym sposobem, aby dodać więcej miedzi do tego pinu.

Płytka po dodaniu poligonu miedzianego do sieci VCC.

Po przeprojektowaniu tej części płytki, wszystko co muszę zrobić w PDN Analyzer, to ponownie kliknąć Analizuj, aby zobaczyć wyniki mojej zmiany.

Wylewanie miedzi zmniejszyło gęstość prądu wokół zasilania napięciowego układu scalonego i teraz wszystkie ścieżki wyglądają dobrze.

Przy zastosowaniu tej samej ręcznej skali kolorów, od razu widać, że dodatkowy poligon zdziałał cuda dla gęstości prądu w tej części płytki, jak można się było spodziewać. Jest teraz zdecydowanie w bezpiecznym marginesie.

Teraz, kiedy potwierdziłem, że zdolność prądowa ścieżek jest wystarczająca, należy jeszcze sprawdzić wylewki masowe. Jeśli śledziłeś pierwszy artykuł, w którym zaprojektowano płytę sterownika, możesz pamiętać, że mieliśmy kilka wycięć na dole płytki, aby zapewnić gwiazdowe uziemienie dla rezystorów pomiaru prądu, jak zalecano w karcie katalogowej. Chcę się upewnić, że nie wpłynie to negatywnie na zdolność prądową płytki, a z góry upewnić się, że rezystory pomiaru prądu i złącze zasilające mają wystarczająco szerokie połączenia bez żadnych ograniczonych obszarów w poligonach.

Górna strona płytki po odsłonięciu miedzi.

Na górnej stronie wyraźnie widać ścieżkę prądu od odsłoniętej płytki układu sterownika do pinu złącza zasilania. Ponownie mogę użyć narzędzia Probe, aby przyjrzeć się dowolnemu punktowi na poligonie i znaleźć gęstość prądu w konkretnym punkcie płytki.

Najgorętszy punkt na górnej stronie regionu miedzianego to tylko 16,93A/mm2, co stanowi około jedną szóstą maksymalnej wartości 100A/mm2.

Teraz, gdy jestem zadowolony z górnej części płytki, mogę sprawdzić dolne poligony z obszarami wycięć.

Dolna strona płytki również wygląda dobrze!

Biorąc pod uwagę przerwę w szczelinie między rezystorami pomiaru prądu a odsłoniętą płytką, nie jest zaskoczeniem, że gęstość prądu mieści się w dopuszczalnych granicach. Niemniej jednak, możliwość wizualizacji tego wyniku jest nadal interesująca.

Ta analiza to dopiero początek możliwości, jakie oferuje PDN Analyzer. Chociaż skupiłem się tutaj tylko na aspektach wizualnych i prądowych, warto również zagłębić się w tabele na innych zakładkach. Lubię sprawdzać zakładkę Pins, aby upewnić się, że przez każdy pin, zwłaszcza w złączach, przepływa mniej prądu niż maksymalne specyfikacje producenta, na wypadek gdybym wybrał nieodpowiednią część, lub gdy prąd jest wyższy niż początkowo zakładałem. W zakładce Vias lubię sortować tabelę według Gęstości Prądu, co pozwala mi szybko upewnić się, że najwyższe gęstości prądu mieszczą się w akceptowalnych marginesach. Jeśli gęstość prądu jest zbyt wysoka, mogę szybko dodać dodatkową przeplotkę (via) lub zmienić jej rozmiar i ponownie przeanalizować, aby zobaczyć, czy moja zmiana spowodowała, że spełnia ona normy. Jeśli ustawisz akceptowalne tolerancje dla napięć lub poziomów prądu w swojej sieci, zakładki sieci mogą szybko pokazać, czy sieć spełnia, czy nie spełnia wymagań, które ustawiłeś.

Dalsza optymalizacja

Na podstawie mojej analizy tej płytki sterownika w PDN Analyzer, prawdopodobnie odpowiednie byłoby zmienienie wartości dzielnika rezystancyjnego dla ustawienia prądu na układzie scalonym sterownika, aby zapewnić, że maksymalny prąd nie może być ustawiony powyżej 1,2A. Mógłbym również zmienić szerokości ścieżek, jednak 1,2A przekracza moje wymagania.

Mogę również dodać dodatkowe przelotki lub miedź w innych obszarach, które mają wyższe obciążenia.

Wypróbuj Sam

Jeśli masz PDN Analyzer, możesz pobrać ten projekt w pełni skonfigurowany i zasymulowany z GitHuba. Jeśli chcesz śledzić i budować analizę samodzielnie, możesz pobrać projekt przed dodaniem PDN Analyzer w momencie zakończenia poprzedniego artykułu z tego commita. Pozwoli Ci to na replikację tego prostego projektu i eksperymentowanie z analizą podstawowego obwodu sterownika silnika.

Jeśli nie masz PDN Analyzer, mam nadzieję, że analiza tego prostego projektu da Ci pomysł, dlaczego zakochałem się w tym narzędziu symulacyjnym, gdy zostało dodane do Altium. Niezależnie od tego, czy projektuję prosty sterownik silnika, zasilam znacznie większe obciążenia, czy mam wrażliwe wymagania dotyczące tolerancji napięcia dla bardziej powszechnych obwodów, PDN Analyzer oszczędza mi tak dużo czasu na analizie układu i daje mi pewność, że otrzymana płyta miedziana będzie działać zgodnie z wymaganiami.

Chcesz dowiedzieć się więcej o tym, jak Altium może pomóc Ci w następnym projekcie PCB? Masz więcej pytań na temat analizatorów sterowników silników? Porozmawiaj z ekspertem w Altium lub dowiedz się więcej o PDN Analyzer od Altium.