Основы моделирования печатных плат

Каждая плата должна пройти определенные этапы контроля, прежде чем ее можно будет запустить в массовое производство. Изделия обычно проходят электрические испытания во время изготовления и сборки, но есть некоторые специализированные области механических и электрических параметров, которые трудно определить количественно во время испытаний после сборки платы. Вместо испытаний каждого элемента конструкции можно использовать инструменты моделирования печатных плат для расчета их электрических характеристик ещё до начала производства.

Зачем использовать инструменты моделирования плат вместо реальных испытаний? Часто бывает так, что некоторые электрические характеристики трудно измерить без создания специализированных испытательных плат и оснастки. Для некоторых разработчиков проводить испытания определенных элементов конструкции оказывается слишком дорого. Например, приборы, необходимые для комплексного измерения сигнала в высокоскоростной линии передачи, могут стоить как минимум 250000 долларов. Инструменты моделирования позволяют разработчикам рассчитать тот же режим сигнала, который необходимо было бы измерять на реальном изделии, в приближенных к реальности условиях с данными, полученными непосредственно из топологии. В этом обзоре мы рассмотрим некоторые важные моменты, связанные с построением и запуском моделирования плат, как внутри вашего программного обеспечения для проектирования плат, так и в сторонних приложениях.

• Предварительное моделирование и оценка
• Расчет импеданса для стека печатной платы
• Моделирование во время компоновки и трассировки платы
• Моделирование после завершения компоновки
• Продвинутое моделирование печатных плат

Предварительное моделирование и оценка

Моделирование печатной платы начинается на этапе определения схемы проекта, где модели с использованием имитаторов электрических цепей (SPICE) являются частью компонентов схемы. SPICE модели важны не только для оценки электрических характеристик на уровне системы, они также полезны для оптимизации схем во время процесса проектирования. Программное обеспечение для вводов описания схем со встроенным пакетом средств моделирования SPICE может помочь вам сохранить эффективность, когда вам нужно провести симуляцию некоторых основных режимов работы, необходимых для оценки электрических характеристик проекта.

Пакеты SPICE, которые используются для предварительного проектирования и моделирования, предназначены для выполнения определенных типов анализа:

• Анализ амплитудно-фазовой частотной характеристики, при котором входное напряжение постоянного тока проходит через серию значений, а напряжение и ток в других узлах отслеживаются
• Анализ переходных процессов или моделирование смешанных сигналов во временной области. Это фундаментальное моделирование во временной области
• Анализ по переменному току или частотный анализ, при котором частота сигнала переменного тока изменяется во времени
• Анализ параметров, при котором анализируется связь между режимами электрической цепи и набором параметров, которые принимают значения, заданные в определенных диапазонах.
• Анализ полюсов и нулей, где условия стабильной работы и частоты переходных процессов могут быть визуализированы на одном графике

Некоторые программы для ввода и описания схем со встроенными модулями SPICE можно использовать для выполнения более сложных симуляций, таких как анализ шума и термический анализ.

• Подробнее о SPICE моделях и о том, как они работают (статья на английском языке)

Многие разработчики, вероятно, знакомы с использованием системы SPICE для анализа основных линейных или нелинейных схем, но их также можно использовать для исследования реальных компонентов, если для компонента доступна SPICE модель. SPICE модели могут быть специально написаны для компонентов на основе связей ввода-вывода и логических условий на входе компонентов. Эти модели могут быть предоставлены производителями компонентов, чтобы разработчик мог правильно моделировать характеристики компонента при его работе в составе схемы.

Моделирование SPICE можно использовать на разных этапах процесса проектирования для определения электрических характеристик ответственных схем. После настройки режима моделирования SPICE, его можно запускать несколько раз на разных этапах процесса проектирования. После завершения моделирования SPICE данные можно отобразить на графиках для дальнейшего исследования и анализа. Электрические характеристики, изменения которых могут привести к проблемам с целостностью сигнала, часто можно определить на этом этапе, что дает возможность изменить конструкцию перед тем, как вернуться к разработке платы.

Хотя SPICE чаще всего используется для предварительного моделирования при создании схемы, другие инструменты предварительного моделирования, такие как IBIS и Multisim модели, могут использоваться для моделирования электрических схем, компонентов и даже целых систем. После завершения первоначального проекта и его анализа, эти модели можно будет использовать для симуляции работы других проектов.

Расчет импеданса для стека печатной платы

После создания, моделирования и оценки схемы проекта, приходит время создать пустую плату определить стек слоев и профили импеданса. Импеданс высокоскоростных цепей в стеке вашей печатной платы должен быть точно определен, зачастую с точностью более 95%. Цель — взять предложенный стек и использовать его для определения ширины проводника, необходимой для обеспечения требуемого целевого импеданса линии передачи. Хотя есть формулы, которые можно использовать для определения размеров проводников требуемой ширины, эти формулы могут быть неточными, и для определения импеданса несимметричных трасс и дифференциальных пар на разных сигнальных слоях потребуется более сложное моделирование.

В профессиональных калькуляторах стека печатных плат используется расчет по методу граничных элементов или расчета по методу моментов. Эти численные расчеты автоматизируют процесс определения ширины трассы, необходимой для конкретного профиля импеданса. Большинство калькуляторов вынуждают пользователя использовать устаревшую формулу из IPC-2141 или требуют, чтобы вы вручную подбирали значения ширины трассы, пока не достигнете целевого значения импеданса.

Вот некоторые важные параметры, которые ваш редактор стека должен учитывать при определении профиля импеданса на высоких частотах:

• Коэффициент шероховатости меди (статья на английском языке): этот параметр зависит от производственного процесса и эффективным образом увеличивает импеданс за счет скин-эффекта на проводнике.
• Диэлектрическая дисперсия (статья на английском языке): этот параметр показывает, как меняются скорость света и потери в материале печатной платы.

Инструменты проектирования печатных плат определенно должны иметь в своем арсенале точный калькулятор импеданса, для того чтобы импеданс мог быть определен с очень высокой точностью. После определения ширины проводников конкретных цепей для достижения целевого импеданса (обычно 50 Ом), ее можно установить в качестве правила проектирования в инструменте для выполнения топологии платы.

Моделирование во время компоновки и трассировки платы

После завершения размещения компонентов и подготовки проекта к выполнению топологии можно получить проблемы с целостностью сигнала, если проект не проверялся на этапе компоновки. Даже если вы используете передовые методы выполнения топологии, все же возможно, что ваши решения, при выполнении компоновки и топологии, могут привести к проблемам с целостностью сигналов. Эти потенциальные проблемы необходимо идентифицировать и исправлять на этапе разработки топологии, а не после завершения проектирования. Ожидание завершения проектирования для запуска процесса моделирования целостности сигнала создает риск того, что потребуется выполнить большое количество циклов повторной разводки платы, но этого можно избежать с помощью некоторых простых моделей с использованием правил проектирования.

Передовое программное обеспечение для проектирования печатных плат будет включать в себя модуль проверки целостности сигналов, который позволит вам проверить, насколько точно вы выполнили требования при разводке платы, вместо того чтобы использовать более продвинутый инструмент анализа на готовом проекте. Это важно, поскольку многие аспекты реальной трассировки, которые могут повлиять на характеристики сигнала, а именно паразитные компоненты и отсутствие оконечной нагрузки, не могут быть посчитаны при моделировании с помощью SPICE. Используя лучшие инструменты для выполнения трассировки, вы можете учесть требования к целостности сигнала, а ваша САПР может автоматически проверять соответствие этим требованиям при создании топологии.

Некоторые из других важных параметров моделирования, которые следует учитывать при моделировании платы на этапе трассировки, это отражения и перекрестные помехи. Оба этих параметра могут быть оценены с помощью облегченного 2D-анализатора внутри редактора плат, а результаты могут быть показаны на графике во временной области. Эти функции отлично подходят для быстрого определения помех в критических цепях (моделирование перекрестных помех) или быстрого определения потребности в оконечной нагрузке на линии. Одна важная особенность SPICE, которая также проявляется при моделировании топологии платы, — это возможность использовать развертку параметров для итерации возможных значений оконечной нагрузки. Для сравнения, эти результаты могут быть отображены с помощью серии наложенных кривых.

После выполнения проверки проекта на обеспечение соответствия характеристик сигнала требуемым показателям производительности, следует выполнить посттопологический анализ для выявления системных дефектов в конструкции платы.

Посттопологический анализ

После того как разводка платы завершена, пора снова провести анализ проекта, используя функцию посттопологического анализа. Симуляции такого типа выполняются с использованием завершенной топологии, чтобы гарантировать соответствие конечной конструкции заданным параметрам. Можно просто повторно выполнить запуск предыдущего набора моделей, использованных при разводке платы, а так же использовать дополнительные модели для количественной оценки потенциальных проблем с тепловыми режимами или с питанием от постоянного тока. Существуют и другие виды посттопологического анализа, которые могут потребоваться для полной оценки проекта, их можно провести с помощью специализированных приложений.

Некоторые из важных параметров, которые необходимо оценить после выполнения трассировки, — это показатели целостности сигнала, которые содержатся в ваших правилах проектирования и инструментах трассировки, если вы используете правильное программное обеспечение для проектирования плат. Как часть окончательной проверки на соблюдение правил проектирования, проект можно проверить ещё раз, чтобы убедиться в том что на заключительном этапе трассировки не было создано новых проблем целостности сигналов (в частности соответствие параметров требованиям исходных данных). Также следует провести моделирование формы сигнала критических цепей, чтобы гарантировать что в конструкции низкий уровень перекрестных помех и минимальные отражения в цепях с контролируемым импедансом.

Один простой, но важный анализ, который следует выполнять для готовой топологии, — это анализ целостности питания по постоянному току в цепях питания вашей конструкции. Целостность питания по постоянному току гарантирует передачу питания во все участки проекта без потерь мощности. Чрезмерные потери мощности приводят к высокому рассеиванию тепла, поэтому области проекта в которых отмечается высокая плотность тока и падение напряжения следует пересмотреть и внести соответствующие изменения. Типичное решение — это увеличить количество меди, сделав медную фольгу толще или увеличить ширину полигонов и проводников.

"Тепловая" картина, показанная на изображении выше, отображает распределение плотности тока в электрических цепях на плате. В этих цепях разные значения плотности тока, и области с высоким значением могут указывать на участки топологии в которых может случиться перегрев. Эти участки, возможно, потребуется изменить, прежде чем проект можно будет отправить для окончательной оценки и утверждения. Этот и другие типы анализов позволяют быстро выявить и исправить любую из оставшихся проблем, связанных с топологией платы.

• Подробнее об анализе целостности питания. (статья на английском языке)
• Подробнее о PDN Alalyzer в Altium Designer. (демонстрация на английском языке)

Более продвинутое моделирование печатных плат

Все описанные выше задачи по моделированию могут выполняться в программном обеспечении для проектирования печатных плат. Все эти задачи включают в себя проверку проекта и обеспечение максимального соответствия требованиям исходных данных до его завершения. Цель - убедиться в том, что исправлены все ошибки, прежде чем проект будет отправлен на утверждение, и особенно до того, как проект будет отправлен на производство.

Несмотря на то, в идеале необходимо полное моделирование проекта до начала производства, некоторые параметры проекта зависят от конструкции системы и не могут быть смоделированы до завершения проектирования. Некоторые из наиболее ярких примеров это анализ целостности питания, анализ на электромагнитные помехи/электромагнитную совместимость, механическую надежность и терморегуляцию. Эти характеристики проекта необходимо моделировать с помощью более продвинутых приложений, называемых анализаторами полей, которые могут решать дифференциальные уравнения отражающие суть этих физических явлений. В сложных системах множество физических явлений взаимосвязаны, и их необходимо моделировать совместно в качестве мультифизических задач. Продвинутое программное обеспечение для проектирования печатных плат будет содержать утилиты, позволяющие импортировать проект в эти более специализированные приложения для моделирования, чтобы можно было оценивать и количественно определять физические явления на системном уровне.

Из списка важных типов анализов, которые можно выполнить с помощью анализатора полей, стоит отметить:

• Определение паразитных параметров топологии платы
• Моделирование параметров связей, которые могут считаться паразитными
• Моделирование электромагнитных помех в ближнем и дальнем полях
• Тепловыделение и перенос тепла в топологии ПП, а так же на корпус изделия
• Газодинамическое моделирование для расчета и визуализации воздушного потока через печатную плату и корпус изделия
• Моделирование вибрационных и усталостных нагрузок для конкретных компонентов и межсоединений.

Хорошее приложение для моделирования будет использовать реалистичную модель топологии вашей платы, которую вы сможете экспортировать из своей САПР. Если вы хотите увидеть некоторые примеры анализов и их результатов, которые вы сможете получить используя моделирования в специализированных приложениях, то советуем ознакомиться со статьями ниже.

• Подробнее о моделировании импеданса для топологии платы (статья на английском языке)
• Подробнее об анализе электромагнитных помех/электромагнитной совместимости в ближнем поле (статья на английском языке)
• Подробнее о моделировании перекрестных помех с участием групп цепей (статья на английском языке)

Процессы создания, подбора, контроля компонентов и многого другого стали проще благодаря полному набору инструментов проектирования в Altium Designer^®. Каждый пользователь Altium Designer имеет доступ к выделенному рабочему пространству в Altium 365^™, где можно хранить проекты, данные о компонентах, производственные данные и любую другую проектную документацию, а также делиться ими с коллегами. Altium Designer также интегрируется с популярными приложениями MCAD и моделирования, что дает вам возможность подходить к проектированию систем с учетом механических параметров вашего корпуса и компонентов.

Мы лишь поверхностно рассмотрели некоторые возможности Altium Designer на Altium 365. Чтобы начать использование бесплатной пробной версии Altium Designer + Altium 365 свяжитесь с нами altium.ru@altium.com.