Проектирование, управляемое моделированием, может решить проблемы сигналов вашей печатной платы и не только

Если вы работаете в электронной промышленности или занимаетесь исследованиями, вероятно, симуляции являются неотъемлемой частью вашей жизни. Простые системы можно разрабатывать интуитивно и симулировать после завершения проектирования, но более сложные системы, работающие на высоких частотах или с очень высокими скоростями передачи данных, требуют проверки до и после завершения разработки печатной платы. Программное обеспечение для симуляции должно играть более важную роль в проектировании печатных плат для многих передовых систем.

К сожалению, многие инструменты симуляции не так интуитивно понятны для большинства дизайнеров, поскольку они не были созданы для использования пользователями программного обеспечения для проектирования печатных плат. Однако ситуация меняется, и эти системы становятся гораздо удобнее в использовании, но их применение в процессе проектирования делает инструменты симуляции такими мощными.

На что обратить внимание в симуляциях печатных плат

Проектирование на основе симуляции для электроники начинается с создания интерфейса между вашими инструментами проектирования, системой управления данными и приложениями для симуляции. Сегодняшние профессиональные команды по проектированию электроники являются многофункциональными с опытом, охватывающим электрические, механические, тепловые и надежностные дисциплины. Командам проектировщиков нужны системы, которые помогают им быстро обмениваться данными физического проектирования, экспортировать модели симуляции и проводить симуляции оценки проекта.

Процесс проектирования на основе симуляции для печатных плат охватывает три широкие области и следует определенному процессу:

1. Симуляции схем
2. Симуляции на уровне платы
3. Симуляции сборки

Процесс является итеративным, поэтому я рисую стрелки, указывающие обратно к предыдущим шагам. Любая проблема, выявленная в результате симуляции схемы, может заставить вас вернуться к схемам и изменить ваши проекты схем. На этапе симуляции ПП, результаты могут указывать на необходимость изменений в схемотехнике, компоновке ПП или и том и другом. Это может быть случай с симуляциями ЭМС, СИ/ПИ и тепловыми симуляциями; все эти результаты могут указывать на необходимость изменений в ваших схемах, что, в свою очередь, может заставить вас внести изменения в компоновку ПП.

Симуляции схем (включая линии передачи!)

Пользователи SPICE знают все о симуляциях схем. Огромный диапазон важных характеристик может быть исследован и оценен в симуляциях SPICE, как во временной, так и в частотной области. Симуляции SPICE являются основой для проектировщиков схем, и основные

• Определить, обеспечивают ли аналоговые и силовые схемы предполагаемую функциональность
• Использовать ожидания мощности в схемах для последующих симуляций
• Проверить допуски компонентов на точных схемах
• Проверить функциональность специальной логики в феноменологической логической схеме

Все эти задачи могут быть выполнены в симуляциях SPICE, при условии наличия определений моделей для компонентов. Любая из перечисленных выше областей могла бы занять место для отдельной статьи, поэтому я не буду углубляться в эти моменты здесь.

Системы, требующие целостности цифровых сигналов или симуляций радиочастотных сигналов на уровне схемы или электрической схемы, обычно гораздо более сложны и требуют эквивалентной схемы модели или линейной сети, определяющей поведение этой структуры. Симуляции с этими структурами в ваших схемах используют параметры сети,обычно параметры ABCD или другой набор параметров линейной сети, который позволяет простое каскадирование между линейными компонентами.

1. Спроектируйте кандидата на роль линии передачи или радиочастотной структуры на вашем предполагаемом стеке
2. Симулируйте его производительность, обычно используя S-параметры или функции передачи
3. Итерируйте дизайн для максимизации целевых показателей производительности
4. Как только производительность станет приемлемой, извлеките линейную сетевую модель или эквивалентную схему модели
5. Используйте извлеченную модель в ваших симуляциях SPICE с другими компонентами

Линейные сетевые модели для этих структур могут быть извлечены с помощью программы симуляции, такой как Keysight PathWave ADS, Simbeor, Ansys или CST Microwave. Пример извлеченной линейной сетевой модели, определенной из конструкции упаковки на печатной плате, показан ниже.

Извлеченная линейная сеть для двух компонентов пакетов и их соединений на печатной плате. Изображение предоставлено Simberian.

Как только эта линейная сеть или эквивалентная извлеченная схема будет внесена в ваш симулятор схем, вы сможете симулировать производительность вашего предполагаемого дизайна соединений. Такой тип процесса симуляции является стандартным подходом, используемым для понимания поведения соединений на быстрых цифровых шинах, таких как стандарты DDR, PCIe, MIPI и т.д. Как только предполагаемый дизайн будет квалифицирован, вы можете использовать его в вашей компоновке печатной платы вместе с другими компонентами.

Симуляции схем предполагают идеальный мир, где схема изолирована от всех других схем. Реальные эффекты, включающие шум, связь сигналов/перекрестные помехи и излучаемые/проводимые эмиссии, необходимо определять на уровне печатной платы после завершения компоновки.

Симуляции на уровне платы

После завершения компоновки печатной платы выполняются симуляции на уровне платы для оценки важных соединений, питания, EMI/EMC и температуры. Не все части печатной платы требуют симуляции; наиболее важные схемы, которые были исследованы в симуляциях схем, также должны быть исследованы в симуляциях после компоновки, где это возможно. Например, это может включать:

• Целостность сигнала: Симуляции методом моментов/граничных элементов для проверки импеданса и извлечения параметров сети, симуляции BER в высокоскоростных каналах, формы волн отражения и перекрестных помех
• Целостность питания: Извлечение импеданса PDN, моделирование переходных процессов, картирование плотности тока с сканированием от постоянного до гигагерцовых частот
• Анализ ЭМП: Излучение ближнего и дальнего поля от высокоскоростных/высокочастотных соединений, ЭМП от переходных процессов, эффективность экранирования и восприимчивость к ЭМП могут быть исследованы
• Тепловые симуляции: Распределение температуры из-за джоулева нагрева от компонентов высокой мощности и тепла от внешних источников, естественная и принудительная конвекция, картирование теплопроводности

Список конкретных симуляций на уровне платы, которые могут быть выполнены, довольно длинен, но цели всегда одни и те же: убедиться, что размещение деталей и проектирование соединений на печатной плате не влияют на производительность вашей системы, как это было подтверждено в симуляциях схемы. Важно сравнить результаты до и после размещения, чтобы убедиться, что устройство не сильно пострадало от элементов, размещенных на печатной плате.

Большую часть времени это связано с целостностью сигнала, и этому аспекту проектирования обычно уделяется основное внимание. Вот примеры результатов симуляции, которые вы можете получить из вашей компоновки печатной платы в Altium:

• Выявление ближнего поля ЭМП в сети распределения питания печатной платы
• Анализ перекрестных помех на параллельных интерфейсах FIFO и DDR4
• Обнаружение нарушений импеданса DDR4 в высокоскоростном дизайне печатных плат

Сравнение диаграмм глазков, симуляции S-параметров и расчеты импеданса являются одними из основных инструментов, используемых для квалификации соединений с точки зрения целостности цифровых сигналов.

Другие области, где постлейаутные симуляции очень важны на уровне печатной платы, это целостность питания и тепловая целостность, каждая из которых связана соответственно с функциональностью и надежностью. Однако ситуация может снова измениться, когда дизайн будет помещен в его окончательную сборку и предполагаемый корпус/упаковку. Здесь требуется сотрудничество с другой группой инженеров-симуляторщиков для квалификации механических и тепловых характеристик, а также потенциала отказа из-за ЭМС.

Симуляции сборки

Как только плата полностью собрана, тепловые требования могут несколько измениться, и плату может потребоваться квалифицировать механически, чтобы обеспечить ее надежность, способность выдерживать удары или способность выдерживать вибрацию. Это лишь несколько примеров механических аспектов, которые следует рассмотреть в завершенной сборке.

• Механические симуляции: Распределение напряжений, приводящее к отказу из-за механического удара, изгиба, вибрации, испытаний на падение
• Надежность и срок службы: Вероятность отказа из-за термического циклирования, термо/механического удара, проникновения влаги и усталости от вибрации; оценка в соответствии с отраслевыми стандартами надежности
• Поток воздуха и рассеивание тепла: В корпусе поток воздуха обычно должен следовать определенному пути, и корпус может влиять на отвод тепла от основных частей устройства

Эти аспекты квалификации сборки выполняются с использованием более продвинутых решателей поля и не вовлекают непосредственно ваше программное обеспечение для проектирования и разметки ПП. Инструмент проектирования ПП, который вы используете, должен предоставлять совместимый механический или электромеханический файл экспорта, который может быть использован в вашем приложении решателя поля.

Для симуляций потока воздуха требуется приложение для совместной CFD-термической симуляции, и это обычно выполняется специалистом по мультифизике. Пример, включающий завершенную сборку, полностью с

EMI/EMC также будет зависеть от наличия корпуса и механических элементов в продукте, поэтому стоит также симулировать эти аспекты. Это снова влечет за собой использование 3D решателя электромагнитного поля, который может решать уравнения Максвелла внутри вашей сборки, и этот процесс требует некоторой специализации, чтобы обеспечить точность конечных результатов. Это полезно как форма квалификации перед проведением предварительного соответствия продукта тестированию и может помочь вам определить, следует ли реализовать дополнительные меры экранирования на уровне сборки перед окончательным завершением дизайна.

Всегда тестируйте ваши симуляции и ваш дизайн!

"Тестирование" симуляции включает в себя количественную оценку настроек симуляции по сравнению с известной правильной моделью или структурой. Например, если у вас есть эталонная модель и структура, которая похожа на устройство, которое вы разрабатываете, и вы знаете производительность из испытаний и измерений, вы можете использовать это для подтверждения точности вашего подхода к симуляции и настроек конфигурации (стиль сетки, разрешение и т.д.) в вашем приложении для симуляции. Здесь цель - избежать ситуации "мусор на входе - мусор на выходе" (GIGO), когда результаты симуляции математически верны, но они не точно отражают ваш конкретный дизайн.

Этот следующий момент может показаться очевидным, но тщательная квалификация и тестирование - это гораздо больше, чем просто включение устройства, чтобы увидеть, работает ли оно. Если есть показатель производительности, который вы симулировали в дизайне, его также следует исследовать в тестах и измерить, если возможно. Причина проста: иногда симуляции не улавливают (или не могут уловить) конкретную ситуацию в вашей компоновке и сборке. Также существует вероятность, что симуляция страдала от проблемы GIGO. Проблема GIGO в симуляциях очень реальна, и поэтому инструменты симуляции нужно квалифицировать по отношению к известному хорошему эталону перед их применением к новому дизайну.

Altium Designer включает в себя разнообразие передовых инструментов дизайна и симуляции, которые могут помочь вам диагностировать и избегать проблем SI/PI/EMI, и вы можете легко передать ваш дизайн инженерам-симуляторам, использующим более продвинутые решатели полей. Это дает вам комплексный подход к дизайну, управляемому симуляцией, который недоступен нигде больше. Теперь вы можете скачать бесплатную пробную версию и узнать, подходит ли Altium Designer для вас. Чтобы узнать больше о том, какие великолепные преимущества может предложить дизайн, управляемый симуляцией, поговорите с экспертом Altium уже сегодня.