Análise Rápida do PDN em uma PCB de Driver de Motor

Anteriormente, eu publiquei sobre desenhar um controlador simples de motor DC com escovas usando um único CI. Embora seja uma placa relativamente simples, ela ainda estará transferindo uma corrente máxima de 4 amperes se ambos os motores estiverem funcionando na corrente nominal máxima por canal do driver. Para uma placa tão simples quanto esta, você poderia simplesmente olhar para o comprimento e largura das trilhas e usar uma calculadora online (ou um pouco de matemática) para descobrir as densidades de corrente nas trilhas e ver como elas lidariam com a carga. No entanto, para placas mais complexas, isso pode se tornar bastante tedioso muito rapidamente. Se você tem preenchimentos de polígonos que conduzem corrente, uma mistura de larguras de trilhas, componentes ao longo da trilha, ou outras características complexas de PCB, torna-se mais difícil calcular se a placa será suficiente para a tarefa em mãos.

Ser capaz de visualizar a densidade de corrente em uma camada de cobre ajuda você a tomar decisões de design mais otimizadas.

É isso que eu realmente amo no PDN Analyzer: leva um pouco de trabalho para configurar em uma placa complexa, mas uma vez que você fez isso, ele brilha espetacularmente ao permitir que você otimize sua placa de circuito para as correntes e tensões presentes nela. Mesmo que seja apenas para alimentar um microcontrolador ou um FPGA, você pode usar o PDN Analyzer para visualizar rapidamente onde as densidades de corrente são muito altas, ou a queda de tensão em um traço está excedendo suas margens. Para as partes interessadas menos técnicas, ele também permite que você crie rapidamente um mapa visual da placa de circuito para destacar problemas potenciais, permitindo que você veja por que pode precisar ajustar as especificações um pouco (talvez dando-lhe mais espaço na placa) para garantir que a placa funcione conforme esperado.

Se você é novo no PDN Analyzer, eu queria criar uma placa que você pudesse baixar e acompanhar para configurar a rede de alimentação e olhar para a análise como uma maneira de aprender a usar a ferramenta. A documentação do Altium contém vários exemplos de introdução, no entanto, o projeto do controlador de motor que construí é muito mais simples e permite que você configure rapidamente a rede de alimentação para cada rede na placa, o que espero que permita que você comece muito mais rápido se estiver com pouco tempo. Há também o guia completo de introdução ao PDN Analyzer que passa pela instalação e licenciamento. Finalmente, você também pode conferir a documentação do PDN Analyzer.

Configuração

Antes de iniciar o PDN Analyzer, sugiro que você primeiro adicione nomes de redes a quaisquer redes que você estará referenciando no design da rede de alimentação. Isso torna muito mais fácil encontrá-las, em vez de ter que confiar em identificar uma rede nomeada algo como IC2_2!

O esquemático do circuito do controlador de motor conforme mostrado no Altium Designer

Ao abrir o PDN Analyzer, você começará com uma nova solução que possui uma única rede para começar. Eu recomendo fortemente expandir a janela do seu PDN Analyzer um pouco mais do que o tamanho inicial de partida para facilitar a visualização da rede.

O PDN Analyzer possui uma simulação sem nome com sua única rede.

Em seguida, você vai querer clicar no botão Redes DC para configurar as tensões e especificar com quais redes você estará trabalhando.

A janela para configurar os níveis de tensão para as redes no seu esquemático aparecerá.

Então, selecione todas as redes e clique em Adicionar Selecionadas. Se a rede que você está procurando estiver faltando, você pode clicar na caixa de seleção Habilitar todas as redes para filtragem para torná-las todas visíveis.

A configuração que uso para a rede de alimentação em uma Ponte H parece um pouco estranha à primeira vista, pois queremos simular o caminho da corrente desde a fonte até o terra. Tecnicamente, a carga é o conector do motor, no entanto, para fins de simulação, isso não é particularmente útil, pois a corrente estará fluindo através do CI do driver, do motor e então de volta ao CI do driver para passar pelo resistor de detecção de corrente — pelo menos com o Allegro A4954 que este projeto está usando. Para lidar com isso, estou definindo a carga da rede como sendo os resistores de detecção de corrente (R6 e R9 conectados às redes CS1 e CS2), e estendendo a rede VCC através de cada rede que carrega corrente para o motor com IC1 e os conectores (J1 e J2) como as conexões em série entre cada rede.

Descrevemos o fluxo de energia através da nossa rede com R6, R9 e IC2 configurados como cargas.

Para completude, também adicionei o regulador de tensão como uma carga de regulador de tensão, mostrado como Carga 1 na figura acima, apesar de seu baixo consumo de corrente. Adicionar reguladores de tensão como uma carga permite simular corretamente o fluxo de corrente através da placa. Ao adicionar uma carga, você pode definir o Tipo de Dispositivo para VRM (Módulo Regulador de Tensão) no topo da janela de Propriedades do Dispositivo, o que permitirá gerar uma nova rede para o lado regulado do regulador de tensão. Não esqueça de definir a tensão de saída!

Configurei o dispositivo regulador de tensão para VRM, especifiquei os terminais do VRM e defini o parâmetro Vout para gerar uma rede para o lado regulado pela tensão.

Na rede de 3,3V, estendi a rede até as redes VREF no esquemático usando o potenciômetro como o componente em série. Defini a resistência do componente em série para o que poderia ser um valor em uso para o pot, e então defini o consumo de corrente para a perna inferior do divisor resistivo para o que seria a corrente através dele pelo divisor de tensão resistivo. Note que os valores dos resistores são relativamente baixos, pois esta placa estava em um ambiente industrial onde EMI poderia induzir tensões nas redes de referência e potencialmente causar comportamentos inesperados do motor.

A rede de 3,3V fornece corrente a partir do IC2, o regulador de tensão, e a consome em R2 e R4, que são as pernas inferiores dos divisores de tensão resistivos.

Uma vez que a carga do regulador de tensão está na rede, você pode clicar com o botão direito nele para gerar a rede de saída selecionando Adicionar VRM à Nova Rede.

Uma vez que você tenha configurado a rede, você pode clicar no botão Analisar para simular a rede.

Análise

O PDN Analyzer possui uma série de análises interessantes disponíveis, além dos ótimos visuais na placa de circuito que fazem os relatórios para clientes ou gestão parecerem tão bons. A análise que ele fornece permite que você rapidamente faça decisões de engenharia reais e analise o design e possíveis mudanças que podem precisar ser implementadas, juntamente com os limites colocados em saídas/entradas externas.

Se você está trabalhando com o fornecimento de microcontroladores, FPGAs, módulos RF ou outros dispositivos sensíveis à tensão, o PDN Analyzer pode acelerar significativamente o processo de descobrir se as larguras das trilhas são suficientes para que as tensões que chegam à carga sensível permaneçam dentro da tolerância. Neste projeto, no entanto, não estarei olhando para a análise de tensão, pois estou interessado apenas na corrente movendo-se pela placa. É um design compacto com trilhas relativamente finas para um driver de motor que estou preocupado que possa potencialmente superaquecer. Se eu estivesse verificando este design manualmente, eu estaria principalmente calculando a capacidade de corrente trilha por trilha com uma ferramenta de calculadora online como a do EEWeb.

Com o PDN Analyzer, posso analisar toda a placa em menos tempo do que levaria para calcular apenas um par de trilhas manualmente. Como o PDN Analyzer fornece densidades de corrente em vez de aumento de temperatura, ainda precisamos verificar manualmente o que pode ser uma densidade de corrente segura. A densidade de corrente é mais prática para tomar decisões, pois fatores como fluxo de ar, invólucro, temperatura ambiente, revestimento superficial e muitos outros contribuirão para o aumento real da temperatura e a capacidade de corrente de uma trilha específica no mundo real. Para uma placa como esta, eu consideraria 100-120 A/mm2 como criticamente alto, pois isso levaria a um aumento de temperatura de cerca de 30°C acima do ambiente em ar parado em trilhas do mesmo tamanho que as da placa. Para manter uma trilha segura, uma densidade de corrente de 60-75 A/mm2 seria aceitável em redes de alta corrente, pois isso deverá levar a um aumento de temperatura de apenas cerca de 10°C acima do ambiente.

As abas na parte inferior de cada rede contêm tabelas de análise que podem ser muito úteis para garantir a sanidade do seu projeto. Essas tabelas serão muito mais úteis para a simulação de circuitos de microcontroladores ou FPGA mencionada acima, no entanto, para este analisador de acionamento de motor, a tabela Visual permitirá a validação do projeto muito mais rapidamente. Não me entenda mal, as tabelas são realmente úteis para a grande maioria das placas que você pode simular, no entanto, para este controlador de motor, queremos estar analisando os traços reais em detalhes em vez de apenas estatísticas gerais de potência.

Tabelas de consumo de energia calculadas pelo PDN Analyzer. Abra a imagem em uma nova aba para vê-la claramente.

Na aba Visual, clicar no botão Densidade de Corrente e depois no botão 2D mostrará sua rede configurada sem a exibição do terra (o terra geralmente atrapalha, mas definitivamente deve ser verificado mais tarde na análise).

A maioria dos traços tem densidades de corrente altas, mas não podemos fazer deduções, pois as densidades não são mostradas nas unidades que desejamos.

Isto está mostrando a densidade de corrente como uma porcentagem. Note que o espectro de cores é não linear. A escala de cores também é mostrada por trilho, nesta visão temos vários trilhos visíveis, o que faz com que o trilho de 3,3V no lado esquerdo da placa, correndo verticalmente, pareça estar carregando um nível de corrente similar ao das trilhas do motor, já que ambos carregam quase 100% da densidade de corrente de seus respectivos trilhos.

Se este não é o resultado que você está procurando, você pode mudar a escala de cores para continuar sendo automática, mas configurá-la para 'Exibida' em vez disso, o que mostrará as densidades de corrente reais.

Além disso, ao ir para a exibição Manual, posso tornar muito óbvio quais trilhas, ou áreas das trilhas, estão sobrecarregadas pelas minhas cargas configuradas de 2A por motor. Os 2A por motor é a corrente máxima que o driver pode suportar, apesar de mencionar no artigo anterior que estou dirigindo um motor de 1A em cada saída. Não sei qual pode ser o futuro desta placa, então vale a pena verificar na capacidade máxima de corrente.

Minha configuração final mostra o maior grau de vermelho em 100A/mm2.

Ao alterar para uma capacidade máxima manual de 100A/mm2, minha placa começa a parecer um pouco diferente.

Onde foram parar os traços?

Os traços pretos são onde o limite de corrente está fora do intervalo especificado, e isso torna imediatamente óbvio que existem vários traços que estão subdimensionados. Os traços do motor estariam em perigo de superaquecimento e potencial delaminação a 2A por motor.

Alterar as cargas na rede para 1.2A, um pouco acima da minha carga máxima esperada, traz esses traços para dentro do limite máximo que mencionei anteriormente. Eles vão aquecer, mas não a um nível perigoso.

Os traços podem ter desaparecido a 2A, mas estão muito presentes a 1.2A. No entanto, eles vão aquecer um pouco.

No entanto, há um ponto que ainda está obscuro: ao redor da via para a alimentação de tensão do CI. Esta seção precisará de um redesenho com um traço maior, ou talvez até mesmo um preenchimento poligonal. Para determinar qual largura de traço poderia ser mais apropriada aqui, eu recorreria ao calculador online que mencionei anteriormente para me dar um bom ponto de partida. Para fazer isso, preciso saber quanto de corrente vai estar nesse traço, e não surpreendentemente, o PDN Analyzer pode descobrir isso instantaneamente usando a ferramenta de Sonda. Na mesma aba Visual, você pode clicar em Sonda e depois clicar na área da placa que lhe interessa.

A localização que sondamos na rede VCC da camada superior está carregando impressionantes 1.768A de corrente.

Isso me diz que posso esperar ver cerca de 1.768A na placa, com uma placa de cobre de 32um, uma largura de traço de 0.75mm seria mais apropriada do que os 0.45mm que estão presentes atualmente seguindo o layout de PCB recomendado pela Allegro na ficha técnica.

Dado o layout da placa aqui, e o espaçamento entre os pinos do CI, um polígono será a maneira mais fácil de levar mais cobre a este pino.

A placa após adicionar o polígono de cobre à rede VCC.

Após redesenhar esta área da placa, tudo o que preciso fazer no PDN Analyzer é clicar em Analisar novamente para ver os resultados da minha mudança.

O derramamento de cobre reduziu a densidade de corrente ao redor do fornecimento de tensão do CI e todas as trilhas parecem estar bem agora.

Com a mesma escala de cores manual aplicada, é imediatamente aparente que o polígono adicional fez maravilhas para a densidade de corrente naquela área da placa, como se esperava. Agora está bem dentro da margem de segurança.

Agora que confirmei que a capacidade de corrente das trilhas é suficiente, ainda é necessário verificar os derramamentos de terra. Se você acompanhou a leitura do primeiro artigo onde a placa de driver foi projetada, pode se lembrar que tínhamos alguns recortes na parte inferior da placa para fornecer um terra estrela para os resistores de medição de corrente conforme recomendado na folha de dados. Quero garantir que isso não afetará negativamente a capacidade de corrente da placa, e no lado superior e garantir que os resistores de medição de corrente e o conector de energia tenham conexões suficientemente largas sem áreas restritas nos polígonos.

Lado superior da placa após o cobre ter sido revelado.

No lado superior, você pode ver claramente o caminho da corrente do pad exposto do CI de driver até o pino do conector de energia. Novamente, posso usar a ferramenta de Sonda para olhar qualquer ponto no polígono para encontrar a densidade de corrente em um ponto específico da placa.

O ponto mais quente na região de cobre do lado superior está apenas a 16,93A/mm2, o que é cerca de um sexto do máximo de 100A/mm2.

Agora que estou satisfeito com o topo da placa, posso verificar os polígonos inferiores com as áreas recortadas.

O lado inferior da placa também parece estar todo bem!

Dado o espaço no slot passando entre os resistores de medição de corrente e o pad exposto, não é de se surpreender que a densidade de corrente esteja bem dentro dos limites aceitáveis. No entanto, ser capaz de visualizar esse resultado ainda é interessante.

Esta análise é apenas o começo do que é possível com o PDN Analyzer. Embora eu tenha focado apenas nos aspectos visuais e de corrente aqui, as tabelas nas outras abas valem a pena explorar. Eu gosto de verificar a aba de Pinos para garantir que cada pino, especialmente em conectores, tenha menos corrente fluindo através dele do que as especificações máximas do fabricante, caso eu tenha selecionado uma peça inadequada, ou a corrente seja maior do que eu inicialmente esperava. Na aba de Vias, eu gosto de ordenar a tabela por Densidade de Corrente, o que me permite rapidamente garantir que as maiores densidades de corrente estejam dentro das margens aceitáveis. Se a densidade de corrente for muito alta, posso rapidamente adicionar uma via extra, ou mudar seu tamanho e re-analisar para ver se minha alteração a trouxe para dentro da especificação. Se você configurar tolerâncias aceitáveis para tensões ou níveis de corrente na sua rede, as abas de rede podem rapidamente mostrar se a rede passa ou falha nos requisitos que você definiu.

Otimização Adicional

Com base na minha análise desta placa de driver dentro do PDN Analyzer, provavelmente é apropriado alterar os valores do divisor resistivo para a configuração de corrente no circuito integrado do driver para garantir que a corrente máxima não possa ser ajustada acima de 1.2A. Eu também poderia mudar as larguras das trilhas, no entanto, 1.2A excede minhas necessidades.

Também poderia adicionar vias adicionais ou cobre em outras áreas que têm cargas mais altas.

Experimente Você Mesmo

Se você tem o PDN Analyzer, pode baixar este projeto totalmente configurado e simulado no GitHub. Se você quiser acompanhar e construir a análise por conta própria, pode baixar o projeto antes de adicionar o PDN Analyzer no ponto de conclusão do artigo anterior a partir deste commit. Isso permitirá que você replique este projeto simples e experimente analisar um circuito básico de driver de motor.

Se você não tem o PDN Analyzer, espero que a análise deste projeto simples lhe dê uma ideia de por que me apaixonei por esta ferramenta de simulação quando foi adicionada ao Altium. Seja projetando um controlador de motor simples, alimentando cargas muito maiores ou tendo requisitos de tolerância de tensão sensíveis para circuitos mais comuns, o PDN Analyzer me economiza tanto tempo na análise do layout e me dá confiança de que a placa de cobre acabada que recebo irá funcionar conforme necessário.

Gostaria de saber mais sobre como o Altium pode ajudá-lo com seu próximo design de PCB? Você tem mais perguntas sobre analisadores de driver de motor? Fale com um especialista na Altium ou descubra mais sobre o PDN Analyzer da Altium.