Hướng dẫn Nhanh về PDN Analyzer trên PCB của Động cơ Điều khiển

Trước đây, tôi đã đăng về thiết kế một bộ điều khiển động cơ DC có chổi đơn giản sử dụng một IC duy nhất. Mặc dù đây là một bảng mạch tương đối đơn giản, nó vẫn sẽ truyền tải một dòng điện tối đa 4 ampe nếu cả hai động cơ đều hoạt động ở dòng điện định mức tối đa cho mỗi kênh của bộ điều khiển. Đối với một bảng mạch đơn giản như thế này, bạn có thể đơn giản chỉ cần nhìn vào chiều dài và chiều rộng của đường dẫn và sử dụng một máy tính trực tuyến (hoặc một chút toán học) để tính toán mật độ dòng điện trên các đường dẫn và xem chúng sẽ đối phó với tải như thế nào. Tuy nhiên, đối với các bảng mạch phức tạp hơn, việc này có thể trở nên khá mệt mỏi một cách nhanh chóng. Nếu bạn có các lớp đổ đa giác chứa dòng điện, sự kết hợp của các chiều rộng đường dẫn, linh kiện dọc theo đường dẫn, hoặc các đặc điểm PCB phức tạp khác, việc tính toán xem bảng mạch có đủ khả năng cho nhiệm vụ đang xem xét hay không trở nên khó khăn hơn.

Khả năng hình dung mật độ dòng điện trên một lớp đồng giúp bạn đưa ra các quyết định thiết kế tối ưu hơn.

Đây là điều tôi thực sự yêu thích về PDN Analyzer: nó đòi hỏi một chút công sức để thiết lập cho một bảng mạch phức tạp, nhưng một khi bạn đã làm điều đó, nó tỏa sáng một cách ngoạn mục bằng cách cho phép bạn tối ưu hóa bảng mạch của mình cho các dòng điện và điện áp trên đó. Ngay cả khi chỉ để cấp nguồn cho một vi điều khiển hoặc một FPGA, bạn có thể sử dụng PDN Analyzer để nhanh chóng hình dung nơi mật độ dòng điện quá cao, hoặc sự sụt giảm điện áp trên một đường dẫn vượt quá giới hạn của bạn. Đối với những người dùng kém kỹ thuật hơn, nó cũng cho phép bạn nhanh chóng tạo ra một bản đồ trực quan của bảng mạch để làm nổi bật các vấn đề tiềm ẩn, cho phép bạn thấy tại sao bạn có thể cần phải thay đổi thông số kỹ thuật một chút (có thể là cung cấp thêm không gian cho bảng mạch) để đảm bảo bảng mạch hoạt động như mong đợi.

Nếu bạn mới làm quen với PDN Analyzer, tôi muốn tạo một bảng mạch mà bạn có thể tải về và theo dõi để thiết lập mạng lưới nguồn và xem phân tích như một cách để học cách sử dụng công cụ này. Tài liệu của Altium chứa một số ví dụ bắt đầu, tuy nhiên, dự án điều khiển động cơ mà tôi xây dựng đơn giản hơn nhiều và cho phép bạn nhanh chóng thiết lập mạng lưới nguồn cho mọi mạch trên bảng, điều này tôi hy vọng sẽ giúp bạn bắt đầu nhanh hơn nếu bạn đang gấp thời gian. Cũng có đầy đủ hướng dẫn bắt đầu với PDN Analyzer bao gồm cả việc cài đặt và cấp phép. Cuối cùng, bạn cũng có thể xem tài liệu PDN Analyzer.

Thiết lập

Trước khi bắt đầu PDN Analyzer, tôi đề xuất bạn nên thêm tên mạch cho bất kỳ mạch nào mà bạn sẽ tham chiếu trong thiết kế mạng lưới nguồn. Điều này làm cho chúng dễ tìm hơn, thay vì phải dựa vào việc xác định một mạch được đặt tên như là IC2_2!

Sơ đồ của mạch điều khiển động cơ như được hiển thị trong Altium Designer

Khi bạn mở PDN Analyzer, bạn sẽ bắt đầu với một giải pháp mới có một mạng duy nhất để bắt đầu. Tôi rất khuyên bạn nên mở rộng cửa sổ PDN Analyzer ra một chút lớn hơn so với kích thước ban đầu để việc xem mạng dễ dàng hơn.

PDN Analyzer có một mô phỏng không tên với mạng duy nhất của bạn.

Tiếp theo, bạn sẽ muốn nhấp vào nút DC Nets để thiết lập các mức điện áp và chỉ định các mạng mà bạn sẽ làm việc.

Cửa sổ để thiết lập các mức điện áp cho các mạng trong sơ đồ của bạn sẽ xuất hiện.

Sau đó, chọn tất cả các mạng và nhấp vào Thêm Đã Chọn. Nếu mạng bạn đang tìm kiếm bị thiếu, bạn có thể nhấp vào hộp kiểm Kích hoạt tất cả các mạng để lọc để làm cho chúng tất cả hiển thị.

Cấu hình tôi sử dụng cho mạng lưới điện của H-Bridge có vẻ hơi lạ lẫm khi nhìn vào lần đầu, vì chúng ta muốn mô phỏng dòng điện từ nguồn cung cấp đi qua tất cả mọi thứ đến mặt đất. Về mặt kỹ thuật, tải là kết nối động cơ, tuy nhiên, cho mục đích mô phỏng, điều này không thực sự hữu ích vì dòng điện sẽ chảy qua IC điều khiển, động cơ, và sau đó quay trở lại IC điều khiển để đi qua điện trở cảm biến dòng điện - ít nhất là với Allegro A4954 mà dự án này đang sử dụng. Để xử lý điều này, tôi đặt tải của mạng lưới là các điện trở cảm biến dòng (R6 và R9 được kết nối với các mạng CS1 và CS2), và mở rộng mạng VCC qua mỗi mạng dẫn dòng điện đến động cơ với IC1 và các kết nối (J1 và J2) như là các kết nối nối tiếp giữa mỗi mạng.

Chúng tôi đã mô tả dòng điện qua mạng lưới của chúng tôi với R6, R9, và IC2 được cấu hình như là các tải.

Để đảm bảo tính đầy đủ, tôi cũng đã thêm bộ điều chỉnh điện áp như một tải của bộ điều chỉnh điện áp, được hiển thị như là Tải 1 trong hình ở trên, mặc dù nó có dòng điện rút ra thấp. Việc thêm bộ điều chỉnh điện áp như một tải cho phép bạn mô phỏng chính xác dòng điện chảy qua bảng mạch. Khi thêm một tải, bạn có thể thiết lập Loại Thiết Bị là VRM (Mô-đun Điều Chỉnh Điện Áp) ở phía trên cửa sổ Thuộc Tính Thiết Bị, điều này sẽ cho phép bạn tạo một mạng lưới mới cho phía được điều chỉnh điện áp của bộ điều chỉnh điện áp. Đừng quên thiết lập điện áp đầu ra!

Tôi đã thiết lập thiết bị điều chỉnh điện áp thành VRM, chỉ định các cực của VRM, và thiết lập tham số Vout để tạo một mạng lưới cho phía được điều chỉnh điện áp.

Trên mạch 3.3V, tôi đã mở rộng mạng lưới ra các mạch VREF trong sơ đồ sử dụng biến trở như là thành phần nối tiếp. Tôi đã thiết lập giá trị điện trở của thành phần nối tiếp thành giá trị có thể sử dụng cho biến trở, và sau đó thiết lập dòng điện rút ra cho chân dưới của bộ chia điện trở thành dòng điện qua nó thông qua bộ chia điện áp điện trở. Lưu ý rằng các giá trị điện trở tương đối thấp, vì bảng mạch này ở trong môi trường công nghiệp nơi EMI có thể gây ra điện áp trên các mạch tham chiếu và có thể gây ra hành vi không mong muốn từ động cơ.

Mạng 3.3V lấy dòng điện từ IC2, bộ điều chỉnh điện áp, và chảy vào R2 và R4, là chân dưới của bộ chia điện áp điện trở.

Một khi tải bộ điều chỉnh điện áp được kết nối vào mạng, bạn có thể nhấp chuột phải vào nó để tạo ra mạng lưới đầu ra bằng cách chọn Thêm VRM vào Mạng Mới.

Sau khi bạn thiết lập mạng lưới, bạn có thể nhấp vào nút Phân tích để mô phỏng mạng lưới.

Phân tích

PDN Analyzer có rất nhiều phân tích thú vị sẵn có, ngoài những hình ảnh tuyệt vời trên bảng mạch giúp báo cáo cho khách hàng hoặc quản lý trông rất ấn tượng. Phân tích mà nó cung cấp cho phép bạn nhanh chóng đưa ra các quyết định kỹ thuật thực sự và phân tích thiết kế cũng như các thay đổi tiềm năng có thể cần được thực hiện cùng với các giới hạn đặt ra cho các đầu ra/nhập bên ngoài.

Nếu bạn đang làm việc với việc cung cấp vi điều khiển, FPGA, mô-đun RF, hoặc các thiết bị nhạy cảm với điện áp khác, PDN Analyzer có thể đáng kể tăng tốc độ quá trình xác định xem chiều rộng dấu vết có đủ cho điện áp đến tải nhạy cảm để giữ trong giới hạn chấp nhận được hay không. Tuy nhiên, trong dự án này, tôi sẽ không xem xét phân tích điện áp vì tôi chỉ quan tâm đến dòng điện di chuyển xung quanh bảng mạch. Đó là một thiết kế gọn nhẹ với các dấu vết tương đối mảnh cho một trình điều khiển động cơ mà tôi lo lắng có thể sẽ quá nóng. Nếu tôi kiểm tra thiết kế này theo cách thủ công, tôi chủ yếu sẽ tính toán khả năng chịu dòng của từng dấu vết với một công cụ máy tính trực tuyến như cái từ EEWeb.

Với PDN Analyzer, tôi có thể phân tích toàn bộ bảng mạch trong thời gian ít hơn so với việc tôi tính toán thủ công chỉ vài đường dẫn. Vì PDN Analyzer cung cấp mật độ dòng điện thay vì tăng nhiệt độ, chúng tôi vẫn cần phải xem xét thủ công xem mật độ dòng điện nào có thể an toàn. Mật độ dòng điện thực tế hơn cho việc đưa ra quyết định, vì các yếu tố như luồng không khí, vỏ bọc, nhiệt độ môi trường xung quanh, lớp phủ bề mặt và nhiều yếu tố khác sẽ góp phần vào sự tăng nhiệt độ thực tế và khả năng chịu dòng của một đường dẫn cụ thể trong thế giới thực. Đối với một bảng mạch như thế này, tôi sẽ coi mật độ dòng điện 100-120 A/mm2 là nguy kịch cao, vì điều này sẽ dẫn đến việc tăng khoảng 30°C nhiệt độ so với môi trường xung quanh trong không khí đứng yên trên các đường dẫn cùng kích thước với những đường dẫn trên bảng mạch. Để giữ cho một đường dẫn an toàn, một mật độ dòng điện 60-75 A/mm2 sẽ được chấp nhận trên các mạng dòng điện cao, vì điều này chỉ nên dẫn đến việc tăng nhiệt độ khoảng 10°C so với môi trường xung quanh.

Các tab ở phía dưới cho mỗi mạng lưới chứa các bảng phân tích có thể rất hữu ích để đảm bảo tính hợp lý của thiết kế của bạn. Những bảng này sẽ hữu ích hơn nhiều cho việc mô phỏng mạch vi điều khiển hoặc FPGA được đề cập ở trên, tuy nhiên, đối với bộ phân tích ổ đĩa động cơ này, bảng Visual sẽ cho phép xác nhận thiết kế nhanh chóng hơn nhiều. Đừng hiểu lầm, các bảng thực sự rất hữu ích cho đa số các bảng mạch bạn có thể mô phỏng, tuy nhiên, đối với bộ điều khiển động cơ này, chúng tôi muốn phân tích các dấu vết thực tế một cách chi tiết hơn là chỉ xem xét tổng quan về thống kê công suất.

Bảng tiêu thụ công suất được tính toán bởi PDN Analyzer. Mở hình ảnh trong một tab mới để xem rõ ràng.

Trên tab Visual, nhấp vào nút Mật độ Dòng điện sau đó nút 2D sẽ hiển thị mạng lưới bạn đã cấu hình mà không hiển thị mặt đất (mặt đất phần lớn làm phiền, nhưng chắc chắn nên được kiểm tra sau trong phân tích).

Hầu hết các dấu vết có mật độ dòng điện cao nhưng chúng ta không thể rút ra bất kỳ kết luận nào vì mật độ không được hiển thị trong các đơn vị chúng ta muốn.

Đây hiển thị mật độ dòng điện dưới dạng phần trăm. Lưu ý rằng phổ màu không tuyến tính. Thang màu cũng được hiển thị theo từng đường ray, trong góc nhìn này chúng ta có nhiều đường ray khác nhau được hiển thị, điều này khiến cho đường ray 3.3V ở phía bên trái của bảng chạy theo chiều dọc trông giống như nó đang mang một mức dòng điện tương tự như các đường dẫn của động cơ, vì chúng đều mang gần như 100% mật độ dòng điện tương ứng của đường ray của chúng.

Nếu đây không phải là kết quả bạn đang tìm kiếm, bạn có thể thay đổi thang màu để vẫn tự động, nhưng thiết lập nó thành ‘Hiển thị’, điều này sẽ hiển thị mật độ dòng điện thực tế.

Hơn nữa, bằng cách chuyển sang hiển thị Thủ công, tôi có thể làm cho nó rất rõ ràng những đường dẫn, hoặc khu vực của các đường dẫn bị quá tải bởi tải 2A cho mỗi động cơ mà tôi đã cấu hình. 2A cho mỗi động cơ là dòng điện tối đa mà trình điều khiển có thể hỗ trợ, mặc dù đã đề cập trong bài viết trước rằng tôi đang điều khiển một động cơ 1A trên mỗi đầu ra. Tôi không biết tương lai của bảng mạch này sẽ ra sao, vì vậy việc kiểm tra ở công suất dòng điện tối đa là đáng giá.

Cài đặt cuối cùng của tôi hiển thị mức độ đỏ cao nhất ở 100A/mm2.

Khi thay đổi giới hạn dòng điện tối đa theo cách thủ công lên 100A/mm2, bảng mạch của tôi bắt đầu trông hơi khác.

Đường dẫn đi đâu mất rồi?

Đường dẫn màu đen là nơi giới hạn dòng điện nằm ngoài phạm vi đã chỉ định, và điều này làm cho việc có nhiều đường dẫn không đủ kích thước trở nên rõ ràng ngay lập tức. Các đường dẫn đến động cơ sẽ có nguy cơ quá nhiệt và có khả năng bong tróc ở mức 2A cho mỗi động cơ.

Thay đổi tải trong mạng lưới thành 1.2A, một chút cao hơn tải tối đa mà tôi mong đợi, đưa những đường dẫn này dưới giới hạn tối đa mà tôi đã đề cập trước đó. Chúng sẽ nóng lên, nhưng không đến mức nguy hiểm.

Đường dẫn có thể biến mất ở 2A nhưng chúng hoàn toàn hiện diện ở 1.2A. Tuy nhiên, chúng sẽ hơi nóng lên một chút.

Tuy nhiên, vẫn còn một điểm chưa rõ ràng: xung quanh lỗ via cho nguồn điện của IC. Phần này sẽ cần được thiết kế lại với một đường dẫn lớn hơn, hoặc thậm chí là một đa giác đổ. Để xác định chiều rộng đường dẫn nào có thể phù hợp hơn ở đây, tôi sẽ quay lại với công cụ tính toán trực tuyến mà tôi đã đề cập trước đó để có một điểm xuất phát tốt. Để làm điều đó, tôi cần biết có bao nhiêu dòng điện sẽ chạy trên đường dẫn đó, và không ngạc nhiên, PDN Analyzer có thể ngay lập tức xác định điều đó bằng cách sử dụng công cụ Probe. Trên cùng một tab Visual, bạn có thể nhấp vào Probe và sau đó nhấp vào khu vực của bảng mạch bạn quan tâm.

Vị trí chúng tôi đã thăm dò trong mạng VCC của lớp trên cùng đang mang một dòng điện khổng lồ là 1.768A.

Điều này cho tôi biết tôi có thể mong đợi thấy khoảng 1.768A trên bảng mạch, với một bảng mạch đồng 32um, một chiều rộng đường dẫn 0.75mm sẽ phù hợp hơn so với 0.45mm hiện tại từ việc tuân theo khuyến nghị bố trí PCB của Allegro trong bảng dữ liệu.

Xét về bố cục bảng mạch ở đây, và khoảng cách giữa các chân IC, một đa giác sẽ là cách dễ nhất để đưa thêm đồng vào chân này.

Bảng mạch sau khi thêm đa giác đồng vào mạng VCC.

Sau khi thiết kế lại khu vực này của bảng mạch, tất cả những gì tôi cần làm trong PDN Analyzer là nhấp vào Analyze một lần nữa để xem kết quả của sự thay đổi của mình.

Việc đổ đồng đã giảm mật độ dòng điện xung quanh nguồn cấp điện của IC và tất cả các đường mạch giờ đây đều trông ổn.

Với cùng một thang màu thủ công được áp dụng, ngay lập tức có thể thấy rằng đa giác bổ sung đã làm điều kỳ diệu cho mật độ dòng điện xung quanh khu vực đó của bảng mạch, như bạn mong đợi. Nó nằm trong giới hạn an toàn bây giờ.

Giờ đây, sau khi tôi đã xác nhận khả năng chịu dòng của các đường mạch là đủ, việc đổ đất vẫn cần được kiểm tra. Nếu bạn đã theo dõi đọc bài viết đầu tiên nơi bảng mạch điều khiển được thiết kế, bạn có thể nhớ chúng tôi đã có một số khoảng trống ở phía dưới bảng mạch để cung cấp một mạng đất hình sao cho các điện trở cảm biến dòng điện như được khuyến nghị trong bảng dữ liệu. Tôi muốn đảm bảo rằng điều này sẽ không ảnh hưởng tiêu cực đến khả năng chịu dòng của bảng mạch, và ở phía trên đảm bảo rằng các điện trở cảm biến dòng điện và bộ kết nối nguồn có các kết nối rộng rãi đủ mà không có bất kỳ khu vực hạn chế nào trong các đa giác.

Mặt trên của bảng mạch sau khi đồng đã được tiết lộ.

Ở phía trên, bạn có thể thấy rõ đường dẫn dòng điện từ pad tiếp xúc của IC điều khiển đến chân cắm nguồn. Lại một lần nữa, tôi có thể sử dụng công cụ Probe để xem bất kỳ điểm nào trên đa giác để tìm mật độ dòng điện tại một điểm cụ thể trên bảng mạch.

Điểm nóng nhất trên khu vực đồng phía trên chỉ ở mức 16.93A/mm2, khoảng một phần sáu so với mức tối đa là 100A/mm2.

Giờ đây, khi tôi đã hài lòng với phần trên của bảng mạch, tôi có thể kiểm tra các đa giác phía dưới với các khu vực đã cắt bỏ.

Phía dưới của bảng mạch cũng trông tốt không kém!

Xét đến khoảng cách trong khe đi giữa các điện trở cảm biến dòng và pad tiếp xúc, không có gì ngạc nhiên khi mật độ dòng điện nằm trong giới hạn chấp nhận được. Tuy nhiên, việc có thể hình dung kết quả này vẫn thú vị.

Phân tích này chỉ mới là bước khám phá bề nổi của những gì PDN Analyzer có thể thực hiện. Mặc dù tôi chỉ tập trung vào khía cạnh hình ảnh và dòng điện ở đây, nhưng các bảng trên các tab khác đáng để đào sâu vào. Tôi thích kiểm tra trên tab Pins để đảm bảo rằng mỗi chân, đặc biệt là trên các kết nối, có dòng điện chảy qua ít hơn so với thông số tối đa của nhà sản xuất trong trường hợp tôi đã chọn một bộ phận không phù hợp, hoặc dòng điện cao hơn tôi ban đầu mong đợi. Trong tab Vias, tôi thích sắp xếp bảng theo Mật độ Dòng điện, điều này cho phép tôi nhanh chóng đảm bảo rằng các mật độ dòng điện cao nhất nằm trong giới hạn chấp nhận được. Nếu mật độ dòng điện quá cao, tôi có thể nhanh chóng thêm một via nữa, hoặc thay đổi kích thước của nó và phân tích lại để xem sự thay đổi của tôi có đưa nó về trong thông số kỹ thuật hay không. Nếu bạn thiết lập các giới hạn chấp nhận được cho điện áp hoặc mức dòng điện trong mạng lưới của bạn, các tab mạng có thể nhanh chóng cho bạn biết liệu mạng có vượt qua hay thất bại các yêu cầu bạn đã đặt ra.

Tối ưu hóa Thêm

Dựa trên phân tích của tôi về bảng điều khiển trình điều khiển này trong PDN Analyzer, có lẽ nên thay đổi giá trị của bộ chia điện trở cho cài đặt dòng hiện tại trên IC trình điều khiển để đảm bảo rằng dòng điện tối đa không thể được cài đặt vượt quá 1.2A. Tôi cũng có thể thay đổi độ rộng của các đường dẫn, tuy nhiên 1.2A vượt quá yêu cầu của tôi.

Tôi cũng có thể thêm các via hoặc đồng ở các khu vực khác có tải nặng hơn.

Thử Làm Theo

Nếu bạn có PDN Analyzer, bạn có thể tải xuống dự án này đã được cấu hình và mô phỏng hoàn chỉnh trên GitHub. Nếu bạn muốn theo dõi và tự xây dựng phân tích, bạn có thể tải xuống dự án trước khi thêm PDN Analyzer tại điểm kết luận của bài viết trước từ commit này. Điều này sẽ cho phép bạn tái tạo dự án đơn giản này và thử nghiệm với việc phân tích một mạch điều khiển động cơ cơ bản.

Nếu bạn không có PDN Analyzer, tôi hy vọng việc phân tích dự án đơn giản này sẽ cho bạn biết lý do tại sao tôi yêu thích công cụ mô phỏng này khi nó được thêm vào Altium. Dù tôi đang thiết kế một bộ điều khiển động cơ đơn giản, cung cấp năng lượng cho các tải lớn hơn, hay có yêu cầu về độ chính xác điện áp nhạy cảm cho các mạch phổ biến hơn, PDN Analyzer giúp tôi tiết kiệm rất nhiều thời gian trong việc phân tích bố cục, và mang lại cho tôi sự tự tin rằng bảng mạch đồng hoàn thiện mà tôi nhận được sẽ hoạt động như yêu cầu.

Bạn có muốn tìm hiểu thêm về cách Altium có thể giúp bạn với thiết kế PCB tiếp theo của mình không? Bạn có thêm câu hỏi nào về bộ phân tích trình điều khiển động cơ không? Hãy nói chuyện với chuyên gia tại Altium hoặc tìm hiểu thêm về PDN Analyzer của Altium.