Фильтр по тематике

Возможности анализа цепей питания в Altium Designer

Применение средств САПР и математического моделирования на этапе проектирования печатной платы позволяет разработчику значительно лучше реализовать заложенные в изделии технические решения. В статье представлен обзор возможностей дополнительного программного модуля PDN Analyzer 2.0 для Altium Designer 17.1 и Altium Designer 18.0, предназначенного для выполнения анализа целостности питания по постоянному току.

01.04.2018 905 0
Возможности анализа цепей питания в Altium Designer

Введение

Эффективность работы современных цифровых высокоскоростных узлов электронной техники в значительной степени зависит от топологии электрических цепей. Программный модуль PDN Analyzer 2.0, разработанный компанией Altium с применением математических алгоритмов компании CST, предназначен для моделирования цепей питания. PDN Analyzer 2.0 позволяет инженеру построить модель цепей питания на основе списка связей, действительной топологии печатной платы и её технологических параметров, а также знаний о характеристиках электронных компонентов и их рабочих режимах и выполнить исследование характеристик построенной модели.

Одной из задач проектирования печатной платы для современного высокоскоростного цифрового узла является обеспечение минимально возможного значения полного сопротивления ZPDS цепей питания и заземления [1]. Расчёт токов в слоях питания многослойных печатных плат (МПП) является нетривиальной задачей, а с учётом большого количества межслойных переходов и разделения цепей питания на домены сложной формы – практически невыполнимой без привлечения специальных технических средств.

Результатами некорректно разработанной топологии цепей питания могут являться:

  • чрезмерное падение напряжения питания в моменты пиковых токов потребления, что приводит к появлению нестабильности формирования сигналов микросхемами;
  • снижение надёжности печатной платы и изменение её электрических характеристик: изменение проводимости вследствие обугливания органических материалов печатной платы, ухудшение частотных характеристик вследствие деформации и расслоения, вызванных перегревом проводников, термоциклическое разрушение межслойных переходов, отслоение печатных проводников, плавление проводников;
  • появление шумов в сигнальных цепях, наводимых цепями питания;
  • появление сверхнормативного электромагнитного излучения, создаваемого функциональными частями цепей питания.

Решение первых двух проблем относят к задачам обеспечения целостности питания по постоянному току.

Возможности PDN Analyzer 2.0

Программный модуль PDN Analyzer 2.0 позволяет инженеру построить модель цепей питания проектируемого устройства и выполнить расчёт токовых нагрузок на элементы топологии печатной платы.



Результаты моделирования представляют собой цветную шкалу, наложенную на рисунок топологии печатной платы (см. рис. 1) и описывающую двухмерное распределение плотности тока (см. рис. 2) или разности электрических потенциалов в проводниках (см. рис. 3).

PDN Analyzer 2.0 позволяет выполнять [2]:

  • одновременное моделирование нескольких вариантов эквивалентной схемы замещения цепей питания;
  • анализ многосегментной модели цепей питания;
  • анализ плотности тока и падения напряжения в проводниках цепей питания;
  • анализ предельного допустимого тока для контактных площадок выводов элементов и переходных отверстий межслойных переходов;
  • экспертизу нарушений граничных условий, определённых пользователем;
  • визуализацию результатов моделирования в двух- и трёхмерном представлении;
  • сохранение и загрузку модели цепей питания;
  • формирование подробного отчёта в формате HTML.

PDN Analyzer 2.0 использует для своей работы информацию о перечне компонентов моделируемого устройства, списке цепей, рисунке топологии, структуре слоёв, загружая эти сведения из файла печатной платы. При этом в расчётах учитывается толщина меди. Дополнительно пользователь должен ввести информацию о технологических параметрах печатной платы, структуре цепей питания, токах потребления и электрических характеристиках электронных компонентов.

Таким образом, наиболее трудоёмкие части задачи сбора сведений реализуются системой, а пользователю предоставляется творческая часть работы – описание модели цепей питания.

Пример анализа целостности питания по постоянному току

Проиллюстрируем возможности программы двумя практическими примерами. В первом примере демонстрируется точность расчётов, выполняемых PDN Analyzer 2.0 при работе с многослойной печатной платой (см. рис. 4).

Информация о МПП извлекается из стека слоёв (см. рис. 5).

Источником постоянного напряжения 5 В служит соединитель X1, а потребителем тока – соединитель X2 с током нагрузки 1 А (см. рис. 6).

Сравним аналитический расчёт плотности тока с результатами симуляции. Плотность тока вычисляется по формуле:

где I – ток, w – ширина проводника, d – толщина слоя меди.

Характеристики участков цепей и результаты аналитического расчёта приведены в таблице.

Результаты расчёта плотности тока с помощью PDN Analyzer 2.0 на тех же участках цепей приведены на рисунке 7, точки измерения отмечены круговым маркером. При этом для каждого участка точка измерения выбиралась в стационарной точке функции распределения плотности тока по проводнику. Легко заметить, что результаты аналитического расчёта и расчёта в PDN Analyzer 2.0 хорошо согласуются между собой.

Математическое ядро PDN Analyzer 2.0 корректно выполняет вычисление плотности тока для двух параллельных участков. В качестве проверки данного утверждения выполним расчёт полного тока для топологического рисунка, содержащего два параллельных участка для протекания тока (см. рис. 8), исходя из сведений о плотности тока в каждом из двух параллельных участков, по формуле:

где J1 – плотность тока на первом участке, w1 – ширина проводника на первом участке, d1 – толщина проводящего слоя на первом участке, J2 – плотность тока на втором участке, w2 – ширина проводника на втором участке, d2 – толщина проводящего слоя на втором участке.

Воспользуемся вычисленными значениями плотности тока (см. рис. 9), сведениями из стека слоёв (см. таблицу) и сведениями о ширине проводников w1=w2=0,25 мм.

Вычисленное значение полного тока составляет:

I=0,302925+0,697125=1,00005 А.

Полученный результат согласуется с фактическим значением полного тока цепи 1 А.


Во втором примере рассматривается моделирование многосегментной цепи питания с разделением сегментов линейными регуляторами постоянного напряжения. В данной задаче применялись полигоны сложной формы с различными способами заполнения (см. рис. 10, 11). Распределение плотности тока в возвратной цепи при различных способах заливки полигонов питания должно различаться, что подтверждается результатами моделирования. Таким образом, программный модуль PDN Analyzer 2.0 способен эффективно работать с участками топологии сложных форм. Наилучшая производительность модуля достигается при его использовании совместно с Altium Designer 18.0.

Заключение

Компания Altium непрерывно работает над совершенствованием Altium Designer, предоставляя разработчикам интуитивно понятные и одновременно мощные инструменты инженерного анализа. Дополнительный программный модуль PDN Analyzer позволяет разработчикам проводить анализ целостности питания по постоянному току в сквозном цикле проектирования без привлечения внешних программных средств. Это обеспечивает целостность проектных данных и высокую точность результатов анализа цепей питания.

Литература

  1. Кечиев Л.Н. Проектирование печатных плат для цифровой быстродействующей аппаратуры. – М.: ООО «Группа ИДТ», 2007. – 616 с.
  2. PDN Analyzer Features: http://www.altium.com/pdna/features.php

Если вам понравился материал, кликните значок — вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал —не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!

01.04.2018 905 0
Комментарии
Рекомендуем
Новые усовершенствования аудиоусилителя на базе ОУ LM3886, включённого в мостовом режиме работы

Новые усовершенствования аудиоусилителя на базе ОУ LM3886, включённого в мостовом режиме работы

В статье описан двухканальный аудиоусилитель мощностью 40 Вт на базе четырёх мощных ОУ LM3886T, включённых в мостовом режиме работы, и двухканального предварительного усилителя на двух сдвоенных ОУ OPA1642 (или одного счетверённого ОУ OPA1644), имеющих высокие показатели динамических характеристик (скорость нарастания и полоса пропускания), которые почти на порядок превосходят аналогичные показатели инструментальных усилителей (ИУ) AD8295, применённых в аудиоусилителях, описанных в [1] и [2] и INA2128 в [3]. Благодаря применению ОУ OPA1642/OPA1644 и новым схемным решениям настоящий аудиоусилитель не только воспроизводит синусоидальный сигнал звукового диапазона частот, поданный на его вход с генератора, с малыми искажениями, но и (главное) имеет переходную характеристику, близкую к прямоугольной (без выбросов и последующей затухающей осцилляции), которая существенно повышает качество воспроизведения перкуссионных инструментов. В статье также описан новый и более простой преобразователь однополярного напряжения в двухполярное (или формирователь искусственной «земли») на базе ОУ LM675/TDA2050. Приведены схемы, разводка плат и внешний вид устройств аудиоусилителя, а также описаны результаты его работы и конструкция.
09.12.2025 СЭ №9/2025 80 0
«Трассировка пучка треков» – инструмент для творчества

«Трассировка пучка треков» – инструмент для творчества

Традиционно системы проектирования топологии печатных плат предоставляют разработчикам средства автоматической и интерактивной трассировки. Автоматические трассировщики позволяют получить какой-то вариант трассировки сразу для множества соединений, но разработчик практически не может повлиять на её качество. Интерактивная трассировка обеспечивает максимальный контроль за проводимым соединением, но приходится реализовывать соединения по очереди одно за другим, что, конечно же, замедляет процесс проектирования. Новый инструмент «Трассировка пучка треков» топологического редактора системы «Delta Design» позволяет реализовывать целое семейство соединений в виде пучка треков по маршруту, указанному пользователем в виде линии-эскиза. Таким образом, пользователь с одной стороны имеет возможности контроля за прохождением трасс, с другой – время проектирования сокращается за счёт реализации сразу множества соединений.
08.12.2025 СЭ №9/2025 71 0

ООО «ИнСАТ» ИНН 7734682230 erid = 2SDnjd8zAXZ
ООО «ИнСАТ» ИНН 7734682230 erid = 2SDnjeDFeN3
  Подписывайтесь на наш канал в Telegram и читайте новости раньше всех! Подписаться