PDN Analyzer – ניתוח PCB וסימולציית צפיפויות זרם
האם אי פעם הנחתם את היד שלכם ליד המאוורור במחשב, ניתן להרגיש את החום שנוצר על ידי לוח האם. מאווררים נועדו לסלק חום שנוצר על ידי הרכיבים האלקטרונים, במיוחד על ידי המעבד וה- GPU (כרטיס גרפי). אותן השפעות מתרחשות ב- PCB, גם אם אין בו רכיבים אשר צורכים כמות גדולה של חשמל. כוח נצרך כאשר הוא מועבר מהמקור אל הרכיבים, וירידות כוח מפחיתות את המתח המסופק לרכיבים במורד הזרם.
מעגלים מודפסים רבים אינם כוללים מעבד או GPU, ושני רכיבים אלה ידועים לשמצה בחום שהם מייצרים במהלך הפעלתם. יש הרבה רכיבים אחרים שיכולים לייצר חום משמעותי עקב ירידות מתח. לאחר ייצור מעגל והפעלתו, לא יהיה לכם זמן לבדוק במדויק כל חיבור באמצעות מודד או למדוד את הטמפרטורה של כל רכיב. וכאן המקום בו כלי הדמיה וסימולציות (Power Simulation) הופכים להיות קריטיים ומאפשרים לכם לאבחן בעיות אפשריות באספקת החשמל לפני שהכרטיס מיוצר בכלל.
לאחר שאבחנתם תקלות בסיגנלי המתח ב- PCB שלכם, תוכלו לנקוט בצעדים לתכנון מחדש של ה-PCB כדי למנוע בעיות תרמיות כתוצאה מכך. PDN Analyzer של – Altium Designer יכול לאבחן נפילות מתח ונקודות חמות ב- PCB לפני שתעברו לייצור שלו. יישום סימולציה זו, בתהליך העבודה שלכם הוא תהליך יעיל בפשטותו ויכול לחסוך לכם זמן בדיקה ולעזור למנוע ייצור כרטיס תקול.
תהליך עבודה
אין להטיל ספק בחשיבות העליונה לביטחון בתכנון המעגל המודפס בצורה תקינה. באמצעות כלי סימולציה ניתן להפוך את המעגל ואת הזרמים בו לריאליסטים מתמיד. כאשר אני משתמש בכלים כאלה אני ממזער את סיכויי השגיאה שלי ומקבל המון אינפורמציה טכנית וויזואלית שנותנת לי תמונה רחבה ומקיפה יותר על המעגל שלי, לדוגמא השוואה בין צפיפויות זרם בנקודות שונות על הכרטיס:
הגדרת הסימולציה
לאחר שסיימתם לתכנן ולערוך את ה – PCB שלכם, תוכלו להתחיל בהגדרת הסימולציה לניתוח צפיפות הספק. שימו לב שאין צורך בהגדרה מיוחדת של הרכיבים הסכמטיים או ב – Footprints שלכם – הסימולציה יודעת לעבוד גם ללא הגדרה פר-רכיב.PDN Analyzer מאפשר לכם להגדיר רמות מתח / זרם נומינליות וסבילות בכל NET ב – PCB שלכם.
בואו ניקח דוגמא.
ננתח PCB עבור מודול ה- WiFi Mini PC. לוח זה כולל מודול סדרתי ל- WiFi בפרוטוקול 802.11 b/g/n, והוא כולל מערכת ניהול לצריכת חשמל. לוח זה פועל במתח של – 3.3 וולט, ואנחנו רוצים להבטיח שההספק יגיע כראוי לכל הכרטיס. מצורף צילום מסך של ה – PCB בדו-מימד:
לאחר עריכה WiFi כרטיס
יש לנו משטח מתח יחיד שיספק כוח לרכיבים שונים במקביל. לכן חשוב לדעת האם המתח המשתרע בכל המשטח הנ"ל ומשטח ה – GND הייחודי שלו הוא בעל ירידת מתח נמוכה באופן ניכר או שלא. הבדיקה הינה חשובה מאוד ועוזרת למנוע בעיות בסיגנלים מסויימים, ברעש שמתווסף, ובמיוחד עוזר ב – Ground Loops. נלחץ על כפתור "NETS DC" ונבחר את ה – NETS בהן נרצה להשתמש בסימולציה שלנו.
כאן, תוכלו להבחין שיש לנו רק שתי רשתות DC: רשת המתח 3.3 ורשת ה – GND. אנו רוצים לבחור בשתי אלה וללחוץ על כפתור "Add Selected". כעת אנו יכולים להשתמש ב – NETS האלה בסימולציה חדשה כדי להגדיר את רשת החשמל אותה אנו רוצים לדמות. בכרטיסי PCB מסובכים יותר, שעשויים להיות מרובים ברשתות כח וGND עבור קבוצות שונות של רכיבים, ניתן לראות אפשרויות רבות נוספות.
הוספת מקורות / עומסים
הוספת מקורות ועומסים מאפשרת לכם להריץ את הסימולטור בחלקים ספציפיים של PCB. כאן נשתמש ב- U1 כמקור עם U1 ו- U2 כעומסים שלנו. נגדיר את הזרם במקור ל- 0. כאשר הזרם בכל אחד משלושת העומסים יוגדר ל- 100 mA. לאחר סיום ההגדרות ניתן להפעיל את הסימולציה ע"י לחיצה על כפתור "Analyze". לאחר סיום הסימולציה, ניתן לראות את כל התקלות/שגיאות תחת פאנל ה"הודעות". בנוסף ניתן כמובן להוסיף שכבות שונות לפלט בחלון הראשי של ה – PCB:
בדיקת חלוקת הכוח בכרטיס
כעת, לאחר סיום הסימולציה, אנו יכולים לנתח את התפלגות הכוח בשכבות ההספק וה – GND. ניתן לזהות בקלות זליגות מתח במשטחי האדמה / הכח שבכרטיס העלולות ליצור בעיות רעש כמו גם הספק גבוה בקווי הסיגנלים עלול לגרום לבעיות תרמיות בכרטיס. בעזרת מעבר בין השכבות ניתן לראות את חלוקת הכח פר – שכבה:
ניתן גם לצפות בצפיפות המתח במשטח ספציפי, לדוגמא GND:
אם נביט בסולם המתח, נראה שהפרש המתח המרבי על פני משטח האדמה הוא 11.3 uV בלבד. אם נבדוק את ירידת המתח בין שתי VIA שכנות כלשהן, נגלה כי ירידת המתח ביניהן היא בסדר גודל של ננו-וולט בלבד. זהו מתח נמוך מאוד שלא יגרום ללולאות או בעיות רעש חמורות.
ברגע שכלי הסימולציה הוא נוח וידידותי, ובנוסף ישנה הבנה כיצד ההדמיה עוזרת לאבחן נקודות בעייתיות, אתם יכולים לחזור לסכמה או לעריכה של המעגל שלכם, לבצע את השינויים הדרושים, ולהפעיל מחדש את הסימולטור כדי לוודא את תקינות הכרטיס. לשילוב סימולציות בתהליך העבודה קיים היום בכל תהליך פיתוח בריא.
חבילת ה –Analyzer PDN נותנת תצוגה מלאה של צריכת החשמל והדרישות התרמיות ב- PCB שלכם. בעזרתה ניתן למנוע תקלות ושגיאות בכרטיס שלכם בצורה מתקדמת ונוחה.
אין ספק שתוכנת Altium Designer מחדשת את עצמה כל הזמן. גם כלי ה – PDN Analyzer מתעדכן ונוספות לו יכולות חדשות מדיי שנה.
ולסיום, אמליץ לכם לעקוב אחרי הוובינרים שלנו באתר סיסטמטיקס, לצפות בוובינרים הקודמים שלנו ב – YouTube, ולהתעדכן בקבוצת הלינקדין שלנו באירועים הקרובים.
