Модельно-ориентированное проектирование может решить проблемы сигналов на печатной плате (и даже больше…)

February 14, 2019 Altium Designer

Если вы работаете в индустрии электроники или в исследовательской области, то есть вероятность, что моделирование является привычной частью вашей жизни. При работе с оптикой мы должны моделировать всё от коррекции аберрации волнового фронта до изображений из микроскопа. Я всегда перехожу к моделированию, чтобы лучше понять сложные системы, которые мы строим. Модельно-ориентированное проектирование берёт идею того же комфортного процесса и применяет её ко всему процессу проектирования.

Для современных печатных плат, функционирующих на высоких скоростях и требующих лучшего соотношения сигнал-шум (SNR), программное обеспечение имитационного моделирования печатных плат играют более значимую роль. Моделирование печатных плат должно быть выполнено в процессе проектирования для выявления проблем с сигналами и питанием до того, как печатная плата будет передана для изготовления. Таким образом, вы сможете более эффективно сообщать о потребностях платы механическим и производственным группам, а также сосредоточиться на разработке.

Зачем нужно моделирование печатной платы?

Инженеры-разработчики полагаются в основном на свои навыки математического моделирования для разработки схемы (в теоретической форме), разработки прототипа (обычно на макетной плате), затем пробуют запустить физический прототип. Время вывода таких изделий на рынок было долгим и дорогостоящим. Добавьте к этому то, что множественные итерации прототипирования и испытаний были дорогостоящи и требовали много времени.

Это замедляет весь процесс взаимодействия между участниками рабочей группы, и, как следствие, к срыву установленных сроков на всех этапах. Технология моделирования может избавить от этого.

Модельно-ориентированное проектирование позволяет вам обойти этот тяжелый и дорогостоящий процесс, делая данные доступными для использования и анализа, а также сделает их достаточно адаптируемыми, чтобы позволить запустить новую симуляцию при минимальных изменениях. Будь вы инженером, разработчиком, или “многостаночником” в вашей рабочей группе, модельно-ориентированное проектирование позволит вам передавать результаты и расчёты с легко объяснимыми данными и визуальным представлением вашего изделия.

Моделирование позволяет принимать более качественные и обоснованные решения с большей скоростью. Но что еще более важно, моделирование легче передавать, показывать и объяснять людям с любым опытом в проектировании. Так как же выполнить такой скачок на практике?

Решения распределения питания

Распределение питания согласно его наименованию подразумевает: нужно убедиться, что напряжение питания 5 В от выхода источника будет действительно 5 В на входах компонентов. В цифровых системах есть разница между переводом логических вентилей в состояние полной мощности и способностью быть в состоянии отличить высокий, низкий и неопределённый сигналы. Даже если устройство удовлетворяет основным требованиям, оно может отказать, если критические компоненты не будут получать достаточный уровень мощности.

Вам наверняка известно, что сопротивление проводников меди настолько мало, что его можно не учитывать при расчёте распределения мощности. Но в печатной плате паразитные индуктивности и ёмкости становятся значительными и ограничивают протекающий по плате ток в диапазоне частот. Потери мощности вследствие падения напряжения (также известного как “IR drop”) на трассах печатной платы могут снизить уровень мощности ниже необходимого уровня до того, как сигналы достигнут компонентов.

Так как же определить, могут ли ваши нижестоящие компоненты получить правильное напряжение? Здесь на помощь приходит анализ цепей питания. Он позволяет вам определить распределение мощности по печатной плате, а лучшие инструменты анализа цепей распределения питания позволяют представить эту информацию на графических изображениях. Это делает более лёгким определение элементов на печатной плате, которые потребляют избыточную мощность и перепроектировать печатную плату, если это необходимо.

Анализ цепей питания также подскажет вам, как движется ток по плате, и это позволит выявить часть платы, которая склонна к перегреву. Поскольку ток пропорционален рассеиванию тепла, превосходный инструмент анализа цепей питания рассчитает рассеиваемое платой тепло. Вам может потребоваться выявить компоненты, которые склонны к перегреву до того как печатная плата испустит белый дым, на котором работает вся электроника.

 

Выделение тепла микросхемой

 

Анализ целостности сигналов в цифровых схемах

При работе с медленными сигналами и короткими сегментами трасс цифровые сигналы, имеющие подходяще долгое время нарастания, не будут вести себя как длинные линии до тех пор, пока задержка линии является более короткой. Для цифровых сигналов, переходищих в мегагерцовый и гигагерцовый диапазоны, задержка линии становится более длительной, чем время нарастания сигнала. Если присутствует рассогласование по импедансу между трассой и нижележащим компонентом, то может возникнуть явление резонанса вследствие отражения сигнала, что приводит к звону.

Вместо того, чтобы смотреть на макет вашей печатной платы и оценивать несоответствия импеданса между трассами и компонентами, звон можно диагностировать с помощью инструмента анализа сигналов. Звон проявляется как затухающая осцилляция напряжения во временной области, соотнесённая с верхом цифрового сигнала.

Ваш инструмент анализа должен также подсказывать уровень рассогласованиия импеданса. Это позволит выполнить компенсацию звона последовательным резистором. Вы можете также увеличить собственную частоту осцилляции, изменив постоянную времени LC при помощи концевого дросселя или конденсатора.

Глазковая диаграмма и частота битовых ошибок

Когда логическая микросхема переключается между состояниями с высоким и низким уровнем, то потребляет мощность от источника питания. По причине конечной величины выходной ёмкости источника питания логические состояния имеют тенденцию переключаться быстрее чем источник питания может компенсировать такое потребление. Это сказывается на мгновенном  распределении мощности в остальных частях печатной платы. Когда меняется состояние целого банка микросхемы или целой адресной шины, мгновенное падение мощности может быть значительным.

Для компенсации мгновенного падения мощности к выводам питания может быть добавлен блокировочный конденсатор. В момент падения мощности происходит разрядка конденсатора, что помогает скорректировать падение питающего напряжения. Падение мощности проявляет себя как значительный шум в глазковой диаграмме, который приводит к высокой частоте битовых ошибок (BER). Компенсация падения мощности из-за переключений может раскрыть глазковую диаграмму и уменьшить частоту битовых ошибок.

 

Глазковая диаграмма не имеет ничего общего с оптометрией

 

Увидеть величину, продать величину программного обеспечения

Помимо очевидных преимуществ для безопасности ваших проектов, технологии моделирования и модельно-ориентированного проектирования также полезны с точки зрения рабочего места. От применения моделирования выиграют все участники процесса проектирования:

  • Разработчики и инженеры будут проявлять большую уверенность в своих ранних разработках, что приведет к лучшему принятию решений в вариациях конструкции, улучшит оптимизацию их конструкций.
  • Аналитики смогут сфокусироваться на сложных имитациях имея дополнительное время, сэкономленное за счёт использования программного обеспечения для моделирования.
  • Тестировщики даже смогут использовать моделирование для лучшего планирования испытаний за счёт оптимизации расположения сенсоров, что в свою очередь приведёт к уменьшению временных затрат на верификацию.

Распространение информации о том, какую пользу может получить компания в целом, а не только отдельная административная единица, обеспечит понимание всей командой изменений процесса. Команда, которая видит преимущества вместе, победит вместе.

Как и в случае любого большого изменения в процессе, вы должны адаптироваться к моделированию небольшими шагами. Пусть кто-то заслуживающий доверия изучит и найдёт загвоздки и препятствия, прежде чем применять его для всех. Это даст вам возможность испытать технологию, определить свои собственные лучшие практики и передать успех следующим командам на пути моделирования.

Обучение моделированию также может стать важным фактором для компаний, особенно если кривая обучения крута и длинна. Опять же, не забудьте продемонстрировать окупаемость инвестиций, которую вы увидите после включения моделирования.

Моделирование целостности сигналов и инструмент анализа должен позволить генерировать глазковую диаграмму на основе фактической трассировки печатной платы. Совместимость между программами моделирования также чрезвычайно важна и даёт возможность моделировать любой проект печатной платы. Следуйте модельно-ориентированному проектированию и вы непременно воспарите потом.

Altium Designer, имеющий в своём составе различные инструменты для продвинутого проектирования и моделирования, может помочь обнаружить и избежать проблем целостности сигналов. Вы можете загрузить бесплатную пробную версию и узнать, подходит ли Altium Designer вам. Чтобы узнать больше о преимуществах, которые может предложить модельно-ориентированное проектирование, поговорите с экспертом Altium.

Об авторе

Altium Designer


Инструменты проектирования электронных устройств на базе печатных плат. Информация для экспертов отрасли.

Посетите веб-сайт Больше ресурсов от Altium Designer
Предыдущая статья
Регуляторы напряжения и планирование запаса мощности с помощью PDN Analyzer
Регуляторы напряжения и планирование запаса мощности с помощью PDN Analyzer

Следующая статья
Оптимальная сборка многомодульных конструкций с помощью интеллектуальных сопряжений
Оптимальная сборка многомодульных конструкций с помощью интеллектуальных сопряжений