Быстрый старт анализатора PDN на печатной плате драйвера мотора

Ранее я писал о разработке простого контроллера для щеточного постоянного тока, используя однокристальную схему. Несмотря на то, что это относительно простая плата, она все же будет передавать максимальный ток в 4 ампера, если оба мотора работают на полную номинальную мощность канала драйвера. Для такой простой платы вы могли бы просто посмотреть на длину и ширину дорожек и использовать онлайн-калькулятор (или немного математики), чтобы вычислить плотности тока на дорожках и увидеть, как они справятся с нагрузкой. Однако для более сложных плат это может быстро стать довольно утомительным. Если у вас есть заливки полигонов, которые проводят ток, различные ширины дорожек, компоненты вдоль дорожки или другие сложные особенности печатной платы, становится сложнее рассчитать, будет ли плата достаточной для предстоящей задачи.

Возможность визуализировать плотность тока на медном слое помогает принимать более оптимальные проектные решения.

Вот что мне действительно нравится в PDN Analyzer: настройка для сложной платы требует некоторых усилий, но как только вы это сделаете, он блестяще показывает себя, позволяя вам оптимизировать вашу плату для токов и напряжений на ней. Даже если речь идет лишь о питании микроконтроллера или FPGA, вы можете использовать PDN Analyzer, чтобы быстро визуализировать места, где плотность тока слишком высока, или падение напряжения на дорожке превышает ваши допуски. Для менее технически подкованных заинтересованных сторон он также позволяет быстро создать визуальную карту платы, чтобы выделить потенциальные проблемы, позволяя вам понять, почему вам может потребоваться немного изменить спецификации (возможно, предоставив вам больше места на плате), чтобы обеспечить ожидаемую работу платы.

Если вы новичок в использовании PDN Analyzer, я хотел создать плату, которую вы могли бы скачать и использовать для настройки сети питания и анализа в качестве способа научиться использовать инструмент. В документации Altium содержится несколько примеров для начинающих, однако проект контроллера двигателя, который я построил, намного проще и позволяет вам быстро настроить сеть питания для каждой сети на плате, что, как я надеюсь, позволит вам начать работу гораздо быстрее, если у вас ограниченное время. Также есть полное руководство для начинающих по PDN Analyzer, в котором рассматриваются установка и лицензирование. Наконец, вы также можете ознакомиться с документацией PDN Analyzer.

Настройка

Перед началом работы с PDN Analyzer я предлагаю сначала добавить имена сетей к любым сетям, которые вы будете использовать в дизайне сети питания. Это делает их намного проще для поиска, вместо того чтобы полагаться на идентификацию сети с именем вроде IC2_2!

Схема схемы управления двигателем, как показано в Altium Designer

Когда вы открываете PDN Analyzer, вы начнете с нового решения, которое имеет одну сеть для начала работы. Я настоятельно рекомендую увеличить окно PDN Analyzer чуть больше начального размера, чтобы упростить просмотр сети.

PDN Analyzer имеет неименованную симуляцию с вашей единственной сетью.

Далее, вам нужно будет нажать на кнопку DC Nets, чтобы настроить напряжения и указать, с какими сетями вы будете работать.

Появится окно для настройки уровней напряжения для сетей в вашей схеме.

Затем выберите все сети и нажмите Добавить выбранные. Если сеть, которую вы ищете, отсутствует, вы можете активировать флажок Включить все сети для фильтрации, чтобы сделать их все видимыми.

Настройка, которую я использую для сети питания на H-мосте, на первый взгляд выглядит немного странно, поскольку мы хотим симулировать путь тока от источника питания через весь путь до земли. Технически, нагрузкой является разъем мотора, однако для целей симуляции это не особенно полезно, поскольку ток будет течь через драйвер IC, мотор, а затем обратно к драйверу IC, чтобы пройти через резистор измерения тока — по крайней мере, с Allegro A4954, который используется в этом проекте. Чтобы справиться с этим, я устанавливаю нагрузку сети как резисторы измерения тока (R6 и R9, подключенные к сетям CS1 и CS2), и продлеваю сеть VCC через каждую сеть, которая передает ток к мотору с IC1 и разъемами (J1 и J2) как последовательные соединения между каждой сетью.

Мы описали поток питания через нашу сеть с R6, R9 и IC2, настроенными как нагрузки.

Для полноты я также добавил регулятор напряжения как нагрузку регулятора напряжения, показанную как Нагрузка 1 на рисунке выше, несмотря на его низкое потребление тока. Добавление регуляторов напряжения в качестве нагрузки позволяет вам правильно симулировать ток через плату. При добавлении нагрузки вы можете установить Тип устройства в VRM (Модуль регулятора напряжения) в верхней части окна Свойства устройства, что позволит вам сгенерировать новую сеть для регулируемой стороны регулятора напряжения. Не забудьте установить выходное напряжение!

Я установил устройство регулятора напряжения как VRM, указал клеммы VRM и установил параметр Vout для генерации сети для стороны с регулируемым напряжением.

На сети 3.3V я расширил сеть до сетей VREF на схеме, используя потенциометр в качестве последовательного компонента. Я установил сопротивление последовательного компонента на значение, которое может быть использовано для потенциометра в рабочем состоянии, а затем установил ток через нижнюю ногу делителя напряжения в соответствии с током через него через резистивный делитель напряжения. Обратите внимание, что значения резисторов относительно низкие, так как эта плата находилась в промышленной среде, где ЭМИ могло индуцировать напряжения на сетях ссылок и потенциально вызывать неожиданное поведение от мотора.

Сеть 3.3V получает ток от IC2, регулятора напряжения, и отдает его на R2 и R4, которые являются нижними ногами резистивных делителей напряжения.

Как только нагрузка регулятора напряжения подключена к сети, вы можете щелкнуть правой кнопкой мыши по ней, чтобы сгенерировать выходную сеть, выбрав Добавить VRM в новую сеть.

После настройки сети вы можете нажать кнопку Анализ, чтобы симулировать сеть.

Анализ

PDN Analyzer предлагает множество интересных аналитических данных, помимо отличной визуализации на печатной плате, которая делает отчеты для клиентов или руководства действительно привлекательными. Предоставляемый анализ позволяет быстро принимать реальные инженерные решения и анализировать дизайн и потенциальные изменения, которые могут потребоваться, а также ограничения, налагаемые на внешние выходы/входы.

Если вы работаете с поставками микроконтроллеров, FPGA, RF-модулей или других чувствительных к напряжению устройств, PDN Analyzer может значительно ускорить процесс определения, достаточны ли ширины дорожек для того, чтобы напряжения, достигающие чувствительной нагрузки, оставались в пределах допустимых значений. Однако в этом проекте я не буду смотреть на анализ напряжения, поскольку меня интересует только ток, циркулирующий по плате. Это компактный дизайн с относительно тонкими дорожками для драйвера мотора, который, как мне беспокоит, потенциально может перегреваться. Если бы я проверял этот дизайн вручную, я бы в первую очередь рассчитывал способность дорожек передавать ток отдельно для каждой дорожки с помощью онлайн-калькулятора, например, того, что предлагает EEWeb.

С помощью PDN Analyzer я могу анализировать всю плату за меньшее время, чем мне потребовалось бы для ручного расчета всего лишь пары дорожек. Поскольку PDN Analyzer выдает плотности тока вместо повышения температуры, нам все еще нужно вручную определять, какая плотность тока может быть безопасной. Плотность тока более практична для принятия решений, поскольку такие факторы, как воздушный поток, корпус, окружающая температура, покрытие поверхности и многие другие, будут влиять на фактическое повышение температуры и допустимую нагрузку данной дорожки в реальных условиях. Для платы, подобной этой, я бы считал плотность тока в 100-120 А/мм2 критически высокой, поскольку это приведет к повышению температуры примерно на 30°C выше окружающей в неподвижном воздухе на дорожках такого же размера, как на плате. Чтобы дорожка оставалась безопасной, плотность тока в 60-75 А/мм2 будет приемлемой на линиях с высоким током, поскольку это должно привести к повышению температуры всего на около 10°C выше окружающей.

Вкладки внизу для каждой сети содержат таблицы анализа, которые могут быть очень полезны для проверки корректности вашего проекта. Эти таблицы будут гораздо более полезны для симуляции схем микроконтроллеров или FPGA, упомянутых выше, однако для анализатора привода мотора визуальная таблица позволит быстрее проверить правильность проекта. Не поймите меня неправильно, таблицы действительно полезны для подавляющего большинства плат, которые вы можете симулировать, однако для этого контроллера мотора мы хотим анализировать фактические трассы в деталях, а не просто общую статистику по мощности.

Таблицы потребления энергии, рассчитанные с помощью PDN Analyzer. Откройте изображение в новой вкладке, чтобы увидеть его четко.

На вкладке "Визуальный анализ", нажав кнопку "Плотность тока", а затем кнопку "2D", вы увидите вашу настроенную сеть без отображения земли (земля в основном мешает, но ее определенно следует проверить позже в анализе).

Большинство трасс имеют высокую плотность тока, но мы не можем сделать никаких выводов, поскольку плотности не показаны в единицах, которые нам нужны.

Это показывает плотность тока в процентах. Обратите внимание, что цветовой спектр нелинейный. Цветовая шкала также показана для каждой шины, в этом виде у нас видны несколько шин, что заставляет шину 3.3V с левой стороны платы, идущую вертикально, выглядеть так, как будто она переносит уровень тока, похожий на ток в дорожках мотора, поскольку обе они переносят почти 100% плотности тока своей соответствующей шины.

Если это не тот результат, который вы ищете, вы можете изменить цветовую шкалу на автоматическую, но установить её на «Отображаемую», что покажет фактические плотности тока.

Кроме того, перейдя к ручному отображению, я могу очень ясно показать, какие дорожки или участки дорожек перегружены из-за моей настройки нагрузки в 2А на мотор. 2А на мотор - это максимальный ток, который может поддерживать драйвер, несмотря на упоминание в предыдущей статье о том, что я использую мотор на 1А на каждом выходе. Я не знаю, что будет с этой платой в будущем, поэтому стоит проверить при полной токовой нагрузке.

Моя последняя настройка показывает наивысшую степень красного при 100А/мм2.

Изменив максимальную токовую нагрузку вручную на 100А/мм2, моя плата начинает выглядеть немного иначе.

Куда исчезли дорожки?

Черные дорожки показывают, что предел тока выходит за указанный диапазон, и это сразу же делает очевидным, что есть несколько дорожек, размер которых недостаточен. Дорожки мотора могут перегреваться и потенциально отслаиваться при 2А на мотор.

Изменение нагрузок в сети на 1.2А, немного выше моей ожидаемой максимальной нагрузки, приводит эти дорожки в пределы максимума, о котором я упоминал ранее. Они будут нагреваться, но не до опасного уровня.

Дорожки могут исчезнуть при 2А, но они очень даже присутствуют при 1.2А. Однако, они будут немного нагреваться.

Однако есть один момент, который все еще вызывает вопросы: вокруг переходного отверстия для питания микросхемы. Этот участок потребует переработки с использованием более широкой дорожки или, возможно, даже заливки полигоном. Чтобы определить, какая ширина дорожки здесь будет более подходящей, я бы обратился к онлайн-калькулятору, о котором упоминал ранее, чтобы получить хорошую отправную точку. Для этого мне нужно знать, какой ток будет протекать по этой дорожке, и, неудивительно, PDN Analyzer может мгновенно выяснить это с помощью инструмента Probe. На той же вкладке Visual вы можете нажать Probe, а затем кликнуть на интересующую вас область платы.

Место, которое мы исследовали в сети VCC верхнего слоя, пропускает огромный ток в 1.768А.

Это говорит мне, что я могу ожидать видеть на плате примерно 1.768А, с медной платой 32um, ширина дорожки 0.75мм будет более подходящей, чем 0.45мм, которая в настоящее время присутствует, следуя рекомендуемой компоновке печатной платы Allegro в техническом описании.

Учитывая компоновку платы здесь и расстояние между выводами микросхемы, полигон будет самым простым способом добавить больше меди к этому выводу.

Плата после добавления медного полигона к сети VCC.

После переработки этой области платы, все, что мне нужно сделать в PDN Analyzer, это снова нажать на кнопку Анализ, чтобы увидеть результаты моих изменений.

Медный залив уменьшил плотность тока вокруг источника питания микросхемы, и теперь все дорожки выглядят нормально.

С применением той же ручной шкалы цветов сразу становится очевидно, что дополнительный полигон сделал чудеса для плотности тока в этой области платы, как и ожидалось. Теперь это вполне в пределах безопасного значения.

Теперь, когда я подтвердил, что текущая емкость дорожек достаточна, все же необходимо проверить заливки земли. Если вы следили за чтением первой статьи, где была разработана плата драйвера, вы можете помнить, что у нас были вырезы на нижней стороне платы, чтобы обеспечить звездообразное заземление для резисторов измерения тока, как рекомендовано в техническом описании. Я хочу убедиться, что это не окажет негативного влияния на текущую емкость платы, и на верхней стороне убедиться, что у резисторов измерения тока и у силового разъема достаточно широкие соединения без каких-либо ограниченных областей в полигонах.

Верхняя сторона платы после того, как медь была обнажена.

На верхней стороне вы можете четко видеть путь тока от открытой площадки драйвера ИС до контактной площадки разъема питания. Опять же, я могу использовать инструмент Probe, чтобы посмотреть на любую точку полигона и найти плотность тока в конкретной точке платы.

Самая горячая точка на верхней медной области составляет всего 16,93А/мм2, что примерно в шесть раз меньше максимума в 100А/мм2.

Теперь, когда я доволен верхней частью платы, я могу проверить нижние полигоны с вырезанными областями.

Нижняя сторона платы тоже выглядит отлично!

Учитывая зазор в слоте между резисторами тока и открытой площадкой, неудивительно, что плотность тока находится в пределах приемлемых норм. Тем не менее, возможность визуализировать этот результат все еще интересна.

Этот анализ лишь затрагивает возможности PDN Analyzer. Хотя я сосредоточился только на визуальных аспектах и токах, таблицы на других вкладках также заслуживают внимания. Мне нравится проверять вкладку Pins, чтобы убедиться, что через каждый контакт, особенно на разъемах, протекает меньше тока, чем максимально допустимо по спецификациям производителя, на случай если я выбрал не подходящую деталь, или ток оказался выше, чем я изначально ожидал. На вкладке Vias мне нравится сортировать таблицу по плотности тока, что позволяет мне быстро убедиться, что самые высокие плотности тока находятся в приемлемых пределах. Если плотность тока слишком высока, я могу быстро добавить дополнительное переходное отверстие или изменить его размер и повторно проанализировать, чтобы увидеть, привело ли мое изменение к соответствию спецификациям. Если вы установите приемлемые допуски для напряжений или уровней тока в вашей сети, вкладки сети могут быстро показать вам, соответствует ли сеть установленным вами требованиям.

Дальнейшая оптимизация

На основе моего анализа этой платы драйвера в PDN Analyzer, вероятно, целесообразно изменить значения резистивного делителя для настройки тока на микросхеме драйвера, чтобы гарантировать, что максимальный ток не может быть установлен выше 1.2A. Я также мог бы изменить ширину дорожек, однако 1.2A превышает мои требования.

Я также мог бы добавить дополнительные переходные отверстия или медь в других областях, где нагрузки выше.

Попробуйте сами

Если у вас есть PDN Analyzer, вы можете скачать этот проект, полностью настроенный и симулированный на GitHub. Если вы хотите следовать за процессом и построить анализ самостоятельно, вы можете скачать проект до добавления PDN Analyzer на момент завершения предыдущей статьи из этого коммита. Это позволит вам воспроизвести этот простой проект и экспериментировать с анализом базовой схемы драйвера мотора.

Если у вас нет PDN Analyzer, надеюсь, анализ этого простого проекта даст вам представление о том, почему я влюбился в этот инструмент моделирования, когда он был добавлен в Altium. Будь то проектирование простого контроллера мотора, питание гораздо больших нагрузок или необходимость соблюдения чувствительных требований к напряжению для более обычных схем, PDN Analyzer экономит мне столько времени на анализе размещения и дает мне уверенность в том, что полученная медная плата будет работать как требуется.

Хотите узнать больше о том, как Altium может помочь вам с вашим следующим проектом печатной платы? У вас есть дополнительные вопросы о анализаторах драйверов моторов? Обратитесь к эксперту Altium или узнайте больше о PDN Analyzer от Altium.