O Design Impulsionado por Simulação Pode Resolver os Problemas de Sinal da Sua PCB e Mais

Se você trabalha na indústria eletrônica ou em pesquisa, há uma chance de que simulações façam parte regular da sua rotina. Sistemas mais simples podem ser projetados com intuição e simulados após os designs serem completados, mas sistemas mais avançados operando em altas frequências ou com taxas de dados muito altas precisam de qualificação antes e depois de um layout de PCB estar completo. O software de simulação tem que assumir um papel mais proeminente no design de PCB para muitos sistemas avançados.

Infelizmente, muitas ferramentas de simulação não são tão intuitivas para a maioria dos designers, pois não foram construídas para serem usadas por usuários de software de design de PCB. A maré está mudando e esses sistemas estão ficando muito melhores em termos de usabilidade, mas o uso deles dentro do processo de design é o que torna as ferramentas de simulação tão poderosas.

O que Examinar em Simulações de PCB

O design orientado por simulação para eletrônicos começa criando uma interface entre suas ferramentas de design, sistema de gerenciamento de dados e aplicações de simulação. As equipes profissionais de design eletrônico de hoje são multifuncionais com experiência abrangendo disciplinas elétricas, mecânicas, térmicas e de confiabilidade. As equipes de design precisam de sistemas que os ajudem a compartilhar rapidamente dados de design físico, exportar modelos de simulação e executar simulações de avaliação de design.

O processo de design orientado por simulação para PCBs abrange três áreas amplas e segue um processo particular:

1. Simulações de circuitos
2. Simulações a nível de placa
3. Simulações de montagem

O processo é iterativo, o que é o motivo pelo qual eu desenho setas apontando de volta para os passos anteriores. Qualquer problema identificado nos resultados das simulações de circuitos pode forçar você a voltar aos esquemáticos e modificar seus projetos de circuito. No estágio de simulação da PCB, os resultados podem indicar modificações necessárias na circuitaria, no layout da PCB ou em ambos. Isso pode ser o caso com simulações de EMI, SI/PI e simulações térmicas; todos esses resultados podem indicar mudanças necessárias em seus circuitos, o que então pode forçá-lo a fazer alterações no layout da PCB.

Simulações de Circuitos (Incluindo Linhas de Transmissão!)

Usuários de SPICE sabem tudo sobre simulações de circuitos. Uma ampla gama de comportamentos importantes pode ser examinada e avaliada em simulações SPICE, tanto no domínio do tempo quanto no domínio da frequência. As simulações SPICE são a base dos projetistas de circuitos, e o básico

• Determinar se circuitos analógicos e de potência fornecem a funcionalidade pretendida
• Usar expectativas de potência em circuitos para simulações posteriores
• Verificar tolerâncias de componentes em circuitos de precisão
• Verificar a funcionalidade de lógica especial em um circuito lógico fenomenológico

Todas essas tarefas podem ser realizadas em simulações SPICE, desde que as definições de modelo para os componentes estejam disponíveis. Qualquer uma das áreas listadas acima poderia ocupar espaço para seu próprio artigo, então não entrarei nesses pontos aqui.

Sistemas que requerem integridade de sinal digital ou simulações de sinal RF no nível de circuito ou esquemático tendem a ser muito mais avançados e eles requerem um modelo de circuito equivalente ou rede linear definindo o comportamento dessa estrutura. Simulações com essas estruturas em seus circuitos usam parâmetros de rede, tipicamente parâmetros ABCD ou outro conjunto de parâmetros de rede linear que permite a cascata simples entre componentes lineares.

1. Desenhe uma linha de transmissão candidata ou estrutura RF na sua montagem pretendida
2. Simule seu desempenho, tipicamente usando parâmetros S ou funções de transferência
3. Itere o design para maximizar os alvos de desempenho
4. Uma vez que o desempenho seja aceitável, extraia um modelo de rede linear ou modelo de circuito equivalente
5. Use o modelo extraído em suas simulações SPICE com seus outros componentes

Modelos de rede linear para essas estruturas podem ser extraídos com um programa de simulação como Keysight PathWave ADS, Simbeor, Ansys ou CST Microwave. Um exemplo de rede linear extraída determinada a partir de um design de pacote em uma PCB é mostrado abaixo.

Rede linear extraída para dois pacotes de componentes e suas interconexões em uma PCB. Imagem cortesia de Simberian.

Uma vez que essa rede linear ou circuito equivalente extraído é trazido para o seu simulador de circuitos, você pode simular o desempenho do seu design de interconexão pretendido. Esse tipo de processo de simulação é uma abordagem padrão usada para entender o comportamento de interconexões em barramentos digitais rápidos, como os padrões DDR, PCIe, MIPI, etc. Uma vez que o design pretendido é qualificado, você pode usá-lo em seu layout de PCB junto com seus outros componentes.

As simulações de circuito assumem um mundo perfeito, onde um circuito é isolado de todos os outros circuitos. Efeitos reais envolvendo ruído, acoplamento de sinal/crosstalk e emissões irradiadas/conduzidas precisam ser determinados no nível da PCB uma vez que o layout esteja concluído.

Simulações no Nível da Placa

Uma vez que o layout da PCB está completo, simulações no nível da placa são realizadas para avaliar interconexões importantes, potência, EMI/EMC e temperatura. Nem todas as partes da PCB precisam ser simuladas; os circuitos mais importantes que foram examinados nas simulações de circuito também devem ser examinados em simulações pós-layout quando possível. Por exemplo, isso poderia incluir:

• Integridade de sinal: Simulações MoM/BEM para verificação de impedância e extração de parâmetros de rede, simulações BER em canais de alta velocidade, formas de onda de reflexão e diafonia
• Integridade de energia: Extração de impedância da rede de distribuição de energia, modelagem transitória, mapeamento de densidade de corrente, com varredura de frequências de DC a GHz
• Análise de EMI: Radiação de campo próximo e campo distante de interconexões de alta velocidade/alta frequência, EMI de transientes, eficácia de blindagem e susceptibilidade a EMI podem ser examinadas
• Simulações térmicas: Distribuição de temperatura devido ao aquecimento Joule de componentes de alta potência e calor de fontes externas, convecção natural e forçada, mapeamento de condutividade térmica

A lista de simulações específicas em nível de placa que podem ser realizadas é bastante longa, mas os objetivos são sempre os mesmos: garantir que o posicionamento de partes e designs de interconexão no layout da PCB não afete o desempenho do seu sistema como foi qualificado em simulações de circuito. É importante comparar os resultados pré-layout e pós-layout para garantir que o dispositivo não seja grandemente afetado pelos elementos inseridos no layout da PCB.

Grande parte do tempo, isso se relaciona à integridade do sinal, e essa área de design geralmente recebe grande foco. Aqui estão exemplos de resultados de simulação que você pode gerar a partir do seu layout de PCB no Altium:

• Identificando EMI de campo próximo na Rede de Distribuição de Energia de um PCB
• Analisando Crosstalk em Interfaces de Barramento Paralelo FIFO e DDR4
• Identificando Violações de Impedância DDR4 em Design de PCB de Alta Velocidade

Comparativos de diagrama de olho, simulações de parâmetros-S e cálculos de impedância são algumas das principais ferramentas usadas para qualificar interconexões para integridade de sinal digital.

Outras áreas em que simulações pós-layout são muito importantes no nível do PCB são integridade de energia e integridade térmica, ambas relacionadas à funcionalidade e confiabilidade, respectivamente. No entanto, as coisas podem mudar novamente uma vez que o design é colocado em sua montagem completa e embalagem/invólucro pretendido. É aqui que a colaboração com outro grupo de engenheiros de simulação é necessária para qualificar o desempenho mecânico e térmico, bem como o potencial para falha de EMC.

Simulações de Montagem

Uma vez que a placa está totalmente montada, as demandas térmicas podem mudar um pouco, e a placa pode precisar ser qualificada mecanicamente para garantir sua confiabilidade, capacidade de resistir a choques ou capacidade de resistir a vibração. Estes são apenas alguns exemplos dos pontos mecânicos a examinar em uma montagem completa.

• Simulações mecânicas: Distribuição de tensão que leva à falha devido a choque mecânico, flexão, vibração, testes de queda
• Confiabilidade e vida útil: Probabilidade de falha devido a ciclagem térmica, choque térmico/mecânico, infiltração de umidade e fadiga por vibração; avaliação contra padrões de confiabilidade da indústria
• Fluxo de ar e dissipação de calor: No invólucro, o fluxo de ar tipicamente deve seguir um caminho específico, e o invólucro pode impactar o fluxo de calor para longe das partes centrais do dispositivo

Estes aspectos de qualificação de uma montagem são realizados usando solucionadores de campo mais avançados e eles não envolvem diretamente o seu software de design e layout de PCB. A ferramenta de design de PCB que você usa deve fornecer um arquivo de exportação mecânico ou eletromecânico compatível que pode ser usado no seu aplicativo solucionador de campo.

Para simulações de fluxo de ar, é necessária uma aplicação de co-simulação CFD-térmica, e isso é tipicamente realizado por um especialista em múltiplas físicas. Um exemplo envolvendo a montagem completa, completa com

A EMI/EMC também será afetada pela presença de uma caixa e elementos mecânicos no produto, portanto, vale a pena simular esses pontos também. Isso novamente envolve um solucionador de campo eletromagnético 3D que pode resolver as equações de Maxwell dentro da sua montagem, e esse processo requer alguma especialização para garantir que os resultados finais sejam precisos. Isso é útil como uma forma de qualificação antes de realizar os testes de pré-conformidade do produto e pode ajudá-lo a examinar se quaisquer medidas adicionais de blindagem no nível da montagem devem ser implementadas antes de finalizar um design.

Sempre Teste Suas Simulações e Seu Design!

"Testar" uma simulação envolve quantificar as configurações da simulação contra um modelo ou estrutura corretos e conhecidos. Por exemplo, se você tem um modelo de referência e uma estrutura que é semelhante ao dispositivo que está projetando, e você conhece o desempenho a partir de testes e medições, você pode usar isso para qualificar a precisão da sua abordagem de simulação e as configurações de configuração (estilo de malha, resolução, etc.) na sua aplicação de simulação. O objetivo aqui é evitar o problema de entrada-lixo saída-lixo (GIGO), onde os resultados da simulação são matematicamente corretos, mas não refletem com precisão o seu design específico.

Este próximo ponto pode parecer óbvio, mas a qualificação e os testes completos são muito mais do que apenas ligar o dispositivo para ver se funciona. Se há uma métrica de desempenho que você simulou no design, ela também deve ser examinada nos testes e medida, se possível. A razão é simples: às vezes, as simulações não capturam (ou não podem capturar) a situação específica no seu layout e montagem. Há também a possibilidade de que a simulação sofreu do problema GIGO. O problema GIGO é muito real em simulações, e é por isso que as ferramentas de simulação precisam ser qualificadas contra uma referência conhecida como boa antes de aplicá-las a um novo design.

Altium Designer inclui uma variedade de ferramentas avançadas de design e simulação que podem ajudá-lo a diagnosticar e evitar problemas de SI/PI/EMI, e você pode facilmente passar seu design para engenheiros de simulação usando solucionadores de campo mais avançados. Isso oferece uma abordagem abrangente ao design orientado por simulação que não está disponível em nenhum outro lugar. Agora você pode baixar uma versão de avaliação gratuita e descobrir se o Altium Designer é adequado para você. Para saber mais sobre os grandes benefícios que o design orientado por simulação pode oferecer, fale com um especialista da Altium hoje.