Thiết kế Dựa trên Mô phỏng Có thể Giải quyết Vấn đề Tín hiệu của PCB và Hơn thế nữa

Nếu bạn làm việc trong ngành công nghiệp điện tử hoặc nghiên cứu, có khả năng rằng việc mô phỏng là một phần thường xuyên trong cuộc sống. Các hệ thống đơn giản có thể được thiết kế bằng trực giác và được mô phỏng sau khi thiết kế hoàn tất, nhưng các hệ thống tiên tiến hoạt động ở tần số cao hoặc tốc độ dữ liệu rất cao cần được xác nhận trước và sau khi bố trí PCB hoàn tất. Phần mềm mô phỏng phải đóng vai trò quan trọng hơn trong thiết kế PCB cho nhiều hệ thống tiên tiến.

Thật không may, nhiều công cụ mô phỏng không thực sự trực quan cho hầu hết các nhà thiết kế vì chúng không được xây dựng để sử dụng bởi người dùng phần mềm thiết kế PCB. Xu hướng đang thay đổi và các hệ thống này đang trở nên tốt hơn về khả năng sử dụng, nhưng việc sử dụng chúng trong quy trình thiết kế là điều làm cho các công cụ mô phỏng trở nên mạnh mẽ.

Điều gì cần xem xét trong Mô phỏng PCB

Thiết kế dựa trên mô phỏng cho điện tử bắt đầu bằng cách tạo một giao diện giữa các công cụ thiết kế của bạn, hệ thống quản lý dữ liệu và các ứng dụng mô phỏng. Các đội ngũ thiết kế điện tử chuyên nghiệp ngày nay là đa chức năng với kinh nghiệm trải dài qua các lĩnh vực điện, cơ khí, nhiệt và độ tin cậy. Các đội thiết kế cần có hệ thống giúp họ chia sẻ nhanh chóng dữ liệu thiết kế vật lý, xuất mô hình mô phỏng và thực hiện các mô phỏng đánh giá thiết kế.

Quy trình thiết kế dựa trên mô phỏng cho PCB bao gồm ba lĩnh vực rộng lớn và tuân theo một quy trình cụ thể:

1. Mô phỏng mạch
2. Mô phỏng ở cấp độ bảng mạch
3. Mô phỏng lắp ráp

Quy trình này là lặp đi lặp lại, đó là lý do tôi vẽ các mũi tên chỉ trở lại các bước trước đó. Bất kỳ vấn đề nào được xác định trong kết quả mô phỏng mạch có thể buộc bạn phải quay lại với sơ đồ và chỉnh sửa thiết kế mạch của bạn. Tại giai đoạn mô phỏng PCB, kết quả có thể chỉ ra những sửa đổi cần thiết trong mạch, bố trí PCB, hoặc cả hai. Điều này có thể xảy ra với mô phỏng EMI, SI/PI, và mô phỏng nhiệt; tất cả những kết quả này có thể chỉ ra những thay đổi cần thiết trong mạch của bạn, có thể sau đó buộc bạn phải thực hiện thay đổi trong bố trí PCB.

Mô phỏng mạch (Bao gồm cả Đường truyền!)

Người dùng SPICE biết tất cả về mô phỏng mạch. Một loạt các hành vi quan trọng có thể được xem xét và đánh giá trong mô phỏng SPICE, cả trong miền thời gian và miền tần số. Mô phỏng SPICE là trụ cột của các nhà thiết kế mạch, và cơ bản

• Xác định liệu mạch tương tự và mạch công suất có cung cấp chức năng dự định hay không
• Sử dụng kỳ vọng công suất trong mạch cho các mô phỏng sau này
• Xác minh dung sai của linh kiện trên mạch chính xác
• Xác minh chức năng logic đặc biệt trong một mạch logic hiện tượng học

Tất cả các nhiệm vụ này có thể được thực hiện trong các mô phỏng SPICE miễn là có sẵn định nghĩa mô hình cho các thành phần. Bất kỳ lĩnh vực nào được liệt kê ở trên đều có thể chiếm không gian cho một bài viết riêng, vì vậy tôi sẽ không đi vào những điểm đó ở đây.

Hệ thống yêu cầu tính toàn vẹn tín hiệu số hoặc mô phỏng tín hiệu RF ở cấp độ mạch hoặc sơ đồ thường phức tạp hơn nhiều và chúng yêu cầu một mô hình mạch tương đương hoặc mạng tuyến tính định nghĩa hành vi của cấu trúc đó. Mô phỏng với những cấu trúc này trong mạch của bạn sử dụng các tham số mạng,thường là các tham số ABCD hoặc một bộ tham số mạng tuyến tính khác cho phép ghép nối đơn giản giữa các thành phần tuyến tính.

1. Thiết kế một đường truyền tín hiệu ứng viên hoặc cấu trúc RF trên chồng lớp dự định của bạn
2. Mô phỏng hiệu suất của nó, thường sử dụng S-parameters hoặc các hàm chuyển
3. Lặp lại thiết kế để tối đa hóa các mục tiêu hiệu suất
4. Một khi hiệu suất được chấp nhận, trích xuất một mô hình mạng tuyến tính hoặc mô hình mạch tương đương
5. Sử dụng mô hình đã trích xuất trong các mô phỏng SPICE của bạn với các thành phần khác

Mô hình mạng tuyến tính cho những cấu trúc này có thể được trích xuất với một chương trình mô phỏng như Keysight PathWave ADS, Simbeor, Ansys, hoặc CST Microwave. Một ví dụ về mô hình mạng tuyến tính được trích xuất từ thiết kế gói trên một PCB được hiển thị dưới đây.

Mạng tuyến tính được trích xuất cho hai gói thành phần và kết nối của chúng trên một PCB. Hình ảnh được cung cấp bởi Simberian.

Sau khi mạng tuyến tính này hoặc mạch tương đương được trích xuất được đưa vào trình mô phỏng mạch của bạn, bạn có thể mô phỏng hiệu suất của thiết kế kết nối dự định của mình. Loại quy trình mô phỏng này là một phương pháp tiêu chuẩn được sử dụng để hiểu về hành vi của các kết nối trên các bus số nhanh, như DDR, PCIe, các tiêu chuẩn MIPI, v.v. Một khi thiết kế dự định được xác nhận, bạn có thể sử dụng nó trong bố cục PCB của mình cùng với các thành phần khác.

Các mô phỏng mạch giả định một thế giới hoàn hảo, nơi một mạch được cô lập khỏi tất cả các mạch khác. Các hiệu ứng thực tế liên quan đến nhiễu, ghép nối tín hiệu/crosstalk, và phát xạ dẫn/xạ cần được xác định ở cấp độ PCB một khi bố cục hoàn thành.

Mô phỏng ở Cấp độ Bảng Mạch

Sau khi bố cục PCB hoàn thành, các mô phỏng ở cấp độ bảng mạch được thực hiện để đánh giá các kết nối quan trọng, nguồn, EMI/EMC, và nhiệt độ. Không phải tất cả các phần của PCB cần được mô phỏng; các mạch quan trọng nhất đã được xem xét trong các mô phỏng mạch cũng nên được xem xét trong các mô phỏng sau bố cục nếu có thể. Ví dụ, điều này có thể bao gồm:

• Tính toán tín hiệu: Mô phỏng MoM/BEM để xác minh trở kháng và trích xuất tham số mạng, mô phỏng BER trong các kênh tốc độ cao, sóng phản xạ và nhiễu chéo
• Tính toán năng lượng: Trích xuất trở kháng PDN, mô hình hóa tạm thời, lập bản đồ mật độ dòng điện, với quét từ DC đến tần số GHz
• Phân tích EMI: Bức xạ gần và xa từ các kết nối tốc độ cao/tần số cao, EMI từ các biến động tạm thời, hiệu quả chắn, và khả năng chịu đựng EMI có thể được kiểm tra
• Mô phỏng nhiệt: Phân bố nhiệt độ do sưởi ấm Joule từ các thành phần công suất cao và nhiệt từ nguồn bên ngoài, đối lưu tự nhiên và cưỡng bức, lập bản đồ dẫn nhiệt

Danh sách các mô phỏng cấp bảng cụ thể có thể thực hiện là khá dài, nhưng mục tiêu luôn giống nhau: đảm bảo rằng việc đặt các bộ phận và thiết kế kết nối trong bố cục PCB không ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống như đã được xác nhận trong mô phỏng mạch. Quan trọng là so sánh kết quả trước và sau bố cục để đảm bảo thiết bị không bị ảnh hưởng nhiều bởi các yếu tố được đặt vào bố cục PCB.

Phần lớn thời gian, điều này liên quan đến tính toàn vẹn của tín hiệu, và lĩnh vực thiết kế này thường nhận được sự chú trọng lớn. Dưới đây là một số ví dụ về kết quả mô phỏng mà bạn có thể tạo ra từ bố cục PCB Altium của mình:

• Xác định EMI gần trường trong Mạng Phân phối Điện của PCB
• Phân tích Crosstalk trên giao diện Bus song song FIFO và DDR4
• Phát hiện Vi phạm Trở kháng DDR4 trong Thiết kế PCB Tốc độ Cao

So sánh biểu đồ mắt, mô phỏng tham số S, và tính toán trở kháng là một số công cụ chính được sử dụng để đánh giá kết nối cho tính toàn vẹn tín hiệu số.

Các lĩnh vực khác nơi mà mô phỏng sau bố trí rất quan trọng ở cấp độ PCB là tính toàn vẹn về điện và tính toàn vẹn nhiệt, cả hai đều liên quan đến chức năng và độ tin cậy, tương ứng. Tuy nhiên, mọi thứ có thể thay đổi một lần nữa khi thiết kế được đặt vào bộ phận hoàn chỉnh và vỏ/bao bì dự định. Đây là nơi cần sự hợp tác với một nhóm kỹ sư mô phỏng khác để đánh giá hiệu suất cơ khí và nhiệt, cũng như khả năng gặp phải sự cố EMC.

Mô phỏng Lắp ráp

Sau khi bảng mạch được lắp ráp hoàn chỉnh, nhu cầu nhiệt có thể thay đổi phần nào, và bảng mạch có thể cần được đánh giá về mặt cơ khí để đảm bảo độ tin cậy, khả năng chịu đựng va đập, hoặc khả năng chịu đựng rung động. Đây chỉ là một vài ví dụ về các điểm cơ khí cần xem xét trong một bộ phận lắp ráp hoàn chỉnh.

• Mô phỏng cơ khí: Phân bố ứng suất dẫn đến hỏng hóc do sốc cơ học, uốn, rung, thử nghiệm rơi
• Độ tin cậy và tuổi thọ: Xác suất hỏng hóc do chu kỳ nhiệt, sốc nhiệt/cơ học, sự xâm nhập của hơi ẩm, và mệt mỏi do rung; đánh giá so với các tiêu chuẩn độ tin cậy của ngành
• Lưu lượng không khí và tản nhiệt: Trong vỏ, lưu lượng không khí thường phải theo một lộ trình cụ thể, và vỏ có thể ảnh hưởng đến dòng nhiệt thoát ra từ các bộ phận cốt lõi của thiết bị

Những khía cạnh này của việc xác nhận một bộ lắp ráp được thực hiện bằng cách sử dụng các trình giải pháp trường nâng cao hơn và chúng không trực tiếp liên quan đến phần mềm thiết kế và bố trí PCB của bạn. Công cụ thiết kế PCB bạn sử dụng nên cung cấp một tệp xuất cơ khí hoặc điện cơ khí tương thích có thể được sử dụng trong ứng dụng giải pháp trường của bạn.

Đối với mô phỏng lưu lượng không khí, một ứng dụng đồng mô phỏng CFD-nhiệt là cần thiết, và điều này thường được thực hiện bởi một chuyên gia đa vật lý. Một ví dụ liên quan đến bộ lắp ráp hoàn chỉnh, bao gồm cả

EMI/EMC cũng sẽ bị ảnh hưởng bởi sự hiện diện của vỏ bọc và các yếu tố cơ khí trong sản phẩm, vì vậy việc mô phỏng những điểm này cũng là điều đáng giá. Điều này một lần nữa liên quan đến việc sử dụng một trình giải phương trình điện từ 3D có khả năng giải các phương trình của Maxwell bên trong lắp ráp của bạn, và quá trình này đòi hỏi một số chuyên môn để đảm bảo kết quả cuối cùng chính xác. Điều này hữu ích như một hình thức đánh giá trước khi thực hiện kiểm tra tiền tuân thủ sản phẩm và nó có thể giúp bạn xem xét liệu có nên thực hiện thêm các biện pháp chắn ở cấp độ lắp ráp trước khi hoàn thiện thiết kế hay không.

Luôn Kiểm Tra Mô Phỏng và Thiết Kế của Bạn!

"Kiểm tra" một mô phỏng bao gồm việc định lượng các cài đặt mô phỏng so với một mô hình hoặc cấu trúc đúng đã biết. Ví dụ, nếu bạn có một mô hình và cấu trúc tham chiếu tương tự như thiết bị bạn đang thiết kế, và bạn biết hiệu suất từ kiểm tra và đo lường, bạn có thể sử dụng điều này để xác định độ chính xác của phương pháp mô phỏng và các cài đặt cấu hình (kiểu lưới, độ phân giải, v.v.) trong ứng dụng mô phỏng của bạn. Mục tiêu ở đây là tránh tình trạng "rác vào rác ra" (GIGO), nơi kết quả mô phỏng là chính xác về mặt toán học nhưng chúng không phản ánh chính xác thiết kế cụ thể của bạn.

Điểm tiếp theo này có vẻ hiển nhiên, nhưng việc kiểm tra và đánh giá kỹ lưỡng thực sự quan trọng hơn nhiều so với chỉ việc bật thiết bị lên để xem nó có hoạt động không. Nếu có một chỉ số hiệu suất nào đó bạn đã mô phỏng trong thiết kế, nó cũng nên được kiểm tra và đo lường nếu có thể. Lý do rất đơn giản: đôi khi mô phỏng không thể nắm bắt (hoặc không thể nắm bắt) tình huống cụ thể trong bố cục và lắp ráp của bạn. Cũng có khả năng là mô phỏng gặp phải vấn đề GIGO. Vấn đề GIGO trong mô phỏng là rất thực tế, và đây là lý do tại sao các công cụ mô phỏng cần được kiểm định so với một tham chiếu tốt đã biết trước khi áp dụng chúng vào một thiết kế mới.

Altium Designer bao gồm một loạt các công cụ thiết kế và mô phỏng tiên tiến có thể giúp bạn chẩn đoán và tránh được các vấn đề SI/PI/EMI, và bạn có thể dễ dàng chuyển thiết kế của mình cho các kỹ sư mô phỏng sử dụng các trình giải phương trình trường nâng cao hơn. Điều này mang lại cho bạn một cách tiếp cận toàn diện về thiết kế dựa trên mô phỏng mà bạn không thể tìm thấy ở bất cứ nơi nào khác. Bây giờ bạn có thể tải về bản dùng thử miễn phí và tìm hiểu xem Altium Designer có phải là sự lựa chọn đúng cho bạn không. Để biết thêm về những lợi ích tuyệt vời mà thiết kế dựa trên mô phỏng có thể mang lại cho bạn, hãy nói chuyện với một chuyên gia Altium ngày hôm nay.