Projektowanie sterowane symulacją może rozwiązać problemy z sygnałem Twojej PCB i nie tylko

Jeśli pracujesz w branży elektronicznej lub w dziedzinie badań, istnieje szansa, że symulacje są regularną częścią Twojego życia. Prostsze systemy można projektować intuicyjnie i symulować po zakończeniu projektów, ale bardziej zaawansowane systemy pracujące na wysokich częstotliwościach lub bardzo wysokich prędkościach transmisji danych wymagają kwalifikacji przed i po ukończeniu układu PCB. Oprogramowanie do symulacji musi odgrywać bardziej znaczącą rolę w projektowaniu PCB dla wielu zaawansowanych systemów.

Niestety, wiele narzędzi symulacyjnych nie jest tak intuicyjnych dla większości projektantów, ponieważ nie zostały stworzone z myślą o użytkownikach oprogramowania do projektowania PCB. Sytuacja się zmienia i te systemy stają się znacznie lepsze pod względem użyteczności, ale to ich wykorzystanie w procesie projektowym sprawia, że narzędzia symulacyjne są tak potężne.

Na co zwrócić uwagę w symulacjach PCB

Projektowanie napędzane symulacjami w elektronice zaczyna się od stworzenia interfejsu między Twoimi narzędziami projektowymi, systemem zarządzania danymi i aplikacjami symulacyjnymi. Dzisiejsze profesjonalne zespoły projektowe w dziedzinie elektroniki są wielofunkcyjne z doświadczeniem obejmującym dziedziny elektryczne, mechaniczne, termiczne i niezawodnościowe. Zespoły projektowe potrzebują systemów, które pomagają im szybko udostępniać dane fizycznego projektu, eksportować modele symulacyjne i przeprowadzać symulacje oceny projektu.

Proces projektowania napędzanego symulacjami dla PCB obejmuje trzy szerokie obszary i podąża za określonym procesem:

1. Symulacje obwodów
2. Symulacje na poziomie płytki
3. Symulacje montażu

Proces jest iteracyjny, dlatego rysuję strzałki wskazujące z powrotem do poprzednich kroków. Każdy problem zidentyfikowany w wynikach symulacji obwodów może zmusić Cię do powrotu do schematów i modyfikacji projektów obwodów. Na etapie symulacji PCB wyniki mogą wskazywać na konieczność modyfikacji w układach elektronicznych, rozmieszczeniu PCB lub w obu. Może tak być w przypadku symulacji EMI, SI/PI oraz termicznych; wszystkie te wyniki mogą wskazywać na konieczność zmian w twoich obwodach, co z kolei może zmusić Cię do dokonania zmian w układzie PCB.

Symulacje obwodów (w tym linii transmisyjnych!)

Użytkownicy SPICE dobrze wiedzą, co to są symulacje obwodów. W symulacjach SPICE można zbadać i ocenić szeroki zakres ważnych zachowań, zarówno w dziedzinie czasu, jak i częstotliwości. Symulacje SPICE są podstawą pracy projektantów obwodów, a podstawowe

• Określenie, czy obwody analogowe i zasilające zapewniają zamierzoną funkcjonalność
• Użycie oczekiwań mocy w obwodach dla późniejszych symulacji
• Weryfikacja tolerancji komponentów w precyzyjnych obwodach
• Weryfikacja funkcjonalności specjalistycznej logiki w fenomenologicznym obwodzie logicznym

Wszystkie te zadania mogą być wykonane w symulacjach SPICE, pod warunkiem że dostępne są definicje modeli dla komponentów. Każdy z wymienionych wyżej obszarów mógłby zająć miejsce na własny artykuł, więc nie będę tutaj wchodził w te kwestie.

Systemy wymagające integralności sygnału cyfrowego lub symulacji sygnałów RF na poziomie obwodu lub schematu są zazwyczaj znacznie bardziej zaawansowane i wymagają równoważnego modelu obwodu lub liniowej sieci definiującej zachowanie tej struktury. Symulacje z tymi strukturami w twoich obwodach używają parametrów sieci, zwykle parametrów ABCD lub innego zestawu parametrów liniowej sieci, co pozwala na proste łączenie między liniowymi komponentami.

1. Zaprojektuj kandydującą linię transmisyjną lub strukturę RF na twoim przewidzianym układzie warstw
2. Symuluj jej wydajność, zwykle używając parametrów S lub funkcji transferu
3. Iteruj projekt, aby maksymalizować cele wydajności
4. Gdy wydajność jest akceptowalna, wyodrębnij liniowy model sieci lub równoważny model obwodu
5. Użyj wyodrębnionego modelu w twoich symulacjach SPICE z innymi komponentami

Modele liniowej sieci dla tych struktur mogą być wyodrębnione za pomocą programu symulacyjnego takiego jak Keysight PathWave ADS, Simbeor, Ansys, lub CST Microwave. Poniżej pokazano przykład wyodrębnionej liniowej sieci określonej na podstawie projektu opakowania na PCB.

Wyekstrahowana liniowa sieć dla dwóch obudów komponentów i ich połączeń na PCB. Zdjęcie dzięki uprzejmości Simberian.

Po wprowadzeniu tej liniowej sieci lub równoważnego wyekstrahowanego obwodu do symulatora obwodów, można symulować wydajność zamierzonego projektu połączeń. Ten typ procesu symulacji jest standardowym podejściem używanym do zrozumienia zachowania połączeń na szybkich magistralach cyfrowych, takich jak standardy DDR, PCIe, MIPI itp. Gdy zamierzony projekt zostanie zakwalifikowany, możesz go użyć w swoim układzie PCB wraz z innymi komponentami.

Simulacje obwodów zakładają idealny świat, gdzie obwód jest izolowany od wszystkich innych obwodów. Rzeczywiste efekty związane z szumem, sprzężeniem sygnałów/crosstalkiem oraz emisjami promieniowanymi/przewodzonymi muszą być określone na poziomie PCB po zakończeniu układu.

Simulacje na poziomie płyty

Po zakończeniu układu PCB, wykonuje się symulacje na poziomie płyty, aby ocenić ważne połączenia, zasilanie, EMI/EMC oraz temperaturę. Nie wszystkie części PCB muszą być symulowane; najważniejsze obwody, które były badane w symulacjach obwodów, powinny również być badane w symulacjach po układzie, gdzie jest to możliwe. Na przykład, mogłoby to obejmować:

• Integralność sygnału: Symulacje MoM/BEM do weryfikacji impedancji i ekstrakcji parametrów sieci, symulacje BER w szybkich kanałach, fale odbicia i przeplotu
• Integralność zasilania: Ekstrakcja impedancji PDN, modelowanie przejściowe, mapowanie gęstości prądu, z skanowaniem od częstotliwości DC do GHz
• Analiza EMI: Promieniowanie bliskiego i dalekiego pola od szybkich/wysokoczęstotliwościowych połączeń, EMI od przejść, skuteczność ekranowania i podatność na EMI mogą być badane
• Symulacje termiczne: Rozkład temperatury spowodowany ogrzewaniem Joule'a od komponentów wysokiej mocy i ciepła ze źródeł zewnętrznych, konwekcja naturalna i wymuszona, mapowanie przewodności cieplnej

Lista konkretnych symulacji na poziomie płytki jest dość długa, ale cele są zawsze takie same: zapewnić, że umieszczenie części i projektowanie połączeń w układzie PCB nie wpływa na wydajność systemu, jak zostało to zakwalifikowane w symulacjach obwodów. Ważne jest, aby porównać wyniki przed i po układzie, aby upewnić się, że urządzenie nie jest znacząco wpływane przez elementy umieszczone w układzie PCB.

Często dotyczy to integralności sygnału, a ten obszar projektowania zwykle otrzymuje dużą uwagę. Oto przykładowe wyniki symulacji, które możesz wygenerować z układu PCB w Altium:

• Identyfikacja bliskiego pola EMI w sieci dystrybucji zasilania PCB
• Analiza Crosstalk na interfejsach równoległych FIFO i DDR4
• Wykrywanie naruszeń impedancji DDR4 w szybkich projektach PCB

Porównania diagramów oka, symulacje parametrów S oraz obliczenia impedancji to niektóre z głównych narzędzi używanych do kwalifikacji połączeń międzyukładowych pod kątem integralności sygnału cyfrowego.

Inne obszary, w których symulacje po układzie są bardzo ważne na poziomie PCB, to integralność zasilania i integralność termiczna, które obie odnoszą się odpowiednio do funkcjonalności i niezawodności. Jednak sytuacja może się jeszcze zmienić, gdy projekt zostanie umieszczony w jego ostatecznym montażu i zamierzonej obudowie/opakowaniu. Tutaj potrzebna jest współpraca z inną grupą inżynierów symulacji, aby zakwalifikować wydajność mechaniczną i termiczną, jak również potencjalne ryzyko awarii EMC.

Symulacje montażu

Po pełnym zmontowaniu płyty, zapotrzebowanie termiczne może się nieco zmienić, a płyta może wymagać kwalifikacji mechanicznej, aby zapewnić jej niezawodność, zdolność do wytrzymania wstrząsów lub zdolność do wytrzymania wibracji. To tylko kilka przykładów mechanicznych aspektów do zbadania w gotowym montażu.

• Symulacje mechaniczne: Rozkład naprężeń prowadzący do awarii spowodowanej wstrząsem mechanicznym, zginaniem, wibracjami, testami upuszczania
• Niezawodność i żywotność: Prawdopodobieństwo awarii spowodowane cyklem termicznym, wstrząsem termiczno-mechanicznym, przenikaniem wilgoci i zmęczeniem wibracyjnym; ocena w oparciu o branżowe standardy niezawodności
• Przepływ powietrza i rozpraszanie ciepła: W obudowie przepływ powietrza zazwyczaj musi podążać określoną ścieżką, a obudowa może wpływać na odprowadzanie ciepła od kluczowych części urządzenia

Te aspekty kwalifikowania zespołu są realizowane przy użyciu bardziej zaawansowanych solverów polowych i nie wiążą się bezpośrednio z oprogramowaniem do projektowania i układania PCB. Narzędzie do projektowania PCB, którego używasz, powinno zapewniać kompatybilny plik eksportowy mechaniczny lub elektromechaniczny, który może być używany w aplikacji do rozwiązywania problemów polowych.

Do symulacji przepływu powietrza potrzebna jest aplikacja do współsymulacji CFD-termicznej, a zazwyczaj wykonuje ją specjalista ds. multiphysics. Przykład z udziałem ukończonego zespołu, kompletnego z

EMI/EMC będą również wpływane przez obecność obudowy i elementów mechanicznych w produkcie, dlatego warto również symulować te punkty. Ponownie wiąże się to z użyciem 3D rozwiązującego równania Maxwella w twoim zespole, i ten proces wymaga pewnej specjalizacji, aby zapewnić dokładność końcowych wyników. Jest to użyteczne jako forma kwalifikacji przed wykonaniem testów pre-zgodności produktu i może pomóc zbadać, czy jakiekolwiek dodatkowe środki ekranowania na poziomie montażu powinny być wdrożone przed finalizacją projektu.

Zawsze Testuj Swoje Symulacje i Projekt!

"Testowanie" symulacji polega na kwantyfikacji ustawień symulacji względem znanego, poprawnego modelu lub struktury. Na przykład, jeśli masz model referencyjny i strukturę, która jest podobna do urządzenia, które projektujesz, i znasz wyniki z testów i pomiarów, możesz użyć tego do kwalifikacji dokładności twojego podejścia do symulacji oraz ustawień konfiguracyjnych (styl siatki, rozdzielczość itp.) w twojej aplikacji do symulacji. Celem tutaj jest uniknięcie sytuacji "śmieci na wejściu, śmieci na wyjściu" (GIGO), gdzie wyniki symulacji są matematycznie poprawne, ale nie odzwierciedlają dokładnie twojego konkretnego projektu.

Następny punkt może wydawać się oczywisty, ale dokładna kwalifikacja i testowanie to znacznie więcej niż tylko uruchomienie urządzenia, aby sprawdzić, czy działa. Jeśli istnieje metryka wydajności, którą symulowałeś w projekcie, powinna być również zbadana w testach i zmierzona, jeśli to możliwe. Powód jest prosty: czasami symulacje nie oddają (lub nie mogą oddać) konkretnej sytuacji w twoim układzie i montażu. Istnieje również możliwość, że symulacja cierpiała na problem GIGO. Problem GIGO jest bardzo realny w symulacjach, dlatego narzędzia symulacyjne muszą być kwalifikowane względem znanych dobrych referencji przed ich zastosowaniem w nowym projekcie.

Altium Designer zawiera różnorodne zaawansowane narzędzia projektowe i symulacyjne, które mogą pomóc Ci zdiagnozować i uniknąć problemów SI/PI/EMI, a także łatwo przekazać projekt inżynierom symulacji korzystającym z bardziej zaawansowanych rozwiązań polowych. To daje Ci kompleksowe podejście do projektowania napędzanego symulacją, którego nie znajdziesz nigdzie indziej. Teraz możesz pobrać darmową wersję próbną i sprawdzić, czy Altium Designer jest odpowiedni dla Ciebie. Aby dowiedzieć się więcej o wielkich korzyściach, jakie może Ci zaoferować projektowanie napędzane symulacją, porozmawiaj z ekspertem Altium już dziś.