PCB Tecnico - Apsim-spi dell'integrità energetica

Nella progettazione PCB, l'analisi del layout e della qualità dei circuiti ad alta velocità sono senza dubbio al centro della discussione tra gli ingegneri. Soprattutto al giorno d'oggi la frequenza di lavoro dei circuiti sta diventando sempre più alta. Ad esempio, è molto comune che la frequenza di applicazione dei circuiti di elaborazione digitale generale del segnale (DSP) sia nell'intervallo 150-200 MHz. Non sorprende che la scheda CPU raggiunga oltre i 500 MHz in applicazioni pratiche. Il design dei circuiti Ghz nel settore è diventato molto popolare. Il design di tutte queste schede PCB è spesso realizzato dalla tecnologia di schede multistrato. Nel design della scheda multistrato, è inevitabile adottare la tecnologia di progettazione dello strato di potere. Tuttavia, nella progettazione dello strato di potenza, il design diventa molto complicato a causa dell'applicazione mista di più tipi di fonti di energia.

Quindi quali sono i problemi che permangono tra gli ingegneri PCB? Come definire il numero di strati PCB? Quanti strati sono inclusi? Come organizzare il contenuto di ogni livello nel modo più ragionevole? Se ci dovrebbero essere diversi strati di terra, come organizzare alternativamente strati di segnale e strati di terra, ecc.

Come progettare più tipi di sistemi di blocco di alimentazione elettrica? Come 3.3V, 2.5V, 5V, 12V e così via. La divisione ragionevole dello strato di potenza e il problema del terreno comune sono un fattore molto importante per la stabilità del PCB.

Come progettare condensatori di disaccoppiamento? Utilizzare condensatori di disaccoppiamento per eliminare il rumore di commutazione è un metodo comune, ma come determinarne la capacità? Dove si trova il condensatore? Quando utilizzare che tipo di condensatore e così via.

Come eliminare il rumore di rimbalzo del terreno? In che modo il rumore di rimbalzo del suolo influisce e interferisce con i segnali utili? Come eliminare il rumore del percorso di ritorno? In molti casi, la progettazione irragionevole del circuito è la chiave del guasto del circuito e la progettazione del circuito è spesso il lavoro che gli ingegneri trovano impotenti.

Come progettare ragionevolmente la distribuzione attuale? Soprattutto la progettazione della distribuzione di corrente nello strato di terra è molto difficile e se la corrente totale è distribuita in modo irregolare nella scheda PCB, influenzerà direttamente e ovviamente il funzionamento instabile della scheda PCB.

Inoltre, ci sono alcuni problemi di segnale comuni come overshoot, undershoot, squillo (oscillazione), ritardo temporale, corrispondenza di impedenza, glitch, ecc., ma questi problemi sono inseparabili dai problemi di cui sopra. C'è una relazione causale tra di loro.

In generale, la progettazione di una scheda PCB ad alta velocità di alta qualità dovrebbe essere considerata in termini di integrità del segnale (SI---Integrità del segnale) e integrità di potenza (PI---Integrità di potenza). Anche se il risultato più diretto si manifesta nell'integrità del segnale, non dobbiamo trascurare la progettazione dell'integrità di potenza in termini di cause. Perché l'integrità di alimentazione influisce direttamente sull'integrità del segnale della scheda PCB finale.

C'è un malinteso molto grande tra gli ingegneri PCB, in particolare coloro che hanno utilizzato strumenti EDA tradizionali per la progettazione di PCB ad alta velocità. Molti ingegneri ci hanno chiesto: "Perché i risultati analizzati dallo strumento di integrità del segnale SI dell'EDA sono incompatibili con i risultati effettivi dei test dei nostri strumenti, e i risultati dell'analisi sono spesso ideali?" Infatti, questa domanda è molto semplice. La ragione di questo problema è: da un lato, il personale tecnico del fabbricante EDA non lo ha spiegato chiaramente; d'altra parte, è la comprensione dei risultati della simulazione del progettista PCB. Sappiamo che gli strumenti EDA più comunemente utilizzati nel mercato cinese sono gli strumenti di analisi SI (Signal Integrity). SI è un'analisi basata su cablaggi e modelli di dispositivi senza considerare l'influenza dell'alimentazione elettrica, e la maggior parte di essi anche dispositivi analogici. Indipendentemente da (si presume sia ideale), è concepibile che tali risultati di analisi e risultati effettivi devono essere in errore. Perché nella maggior parte dei casi, l'impatto dell'integrità di alimentazione nelle schede PCB è più grave di SI.

Attualmente, sebbene alcuni produttori di EDA abbiano parzialmente fornito funzioni di analisi PI (Power Integrity), poiché le loro funzioni di analisi sono completamente separate da SI (Signal Integrity), gli utenti non hanno ancora modo di vedere i risultati che sono vicini ai risultati reali dei test. Rapporto di analisi. PI e SI sono strettamente correlati. E in molti casi, la ragione principale che influenza il cambiamento strano del segnale è il sistema di alimentazione. Ad esempio, i condensatori di disaccoppiamento non sono ben progettati, il design dello strato di terra è irragionevole, l'influenza del loop è molto grave, la distribuzione corrente è irregolare, il rumore di rimbalzo del suolo è troppo grande e così via.

Come ingegnere di progettazione PCB, voglio davvero vedere un rapporto di analisi vicino ai risultati effettivi, in modo che sia facile correggere e risolvere i problemi e ottenere l'effetto della progettazione di simulazione reale. L'emergere di strumenti SPI rende possibile la discussione di cui sopra. L'abbreviazione inglese di SPI è Signal-Power Integrity, come suggerisce il nome, è uno strumento di analisi che integra l'integrità del segnale SI e l'integrità di potenza PI. In modo che SI e PI non vengano più eseguiti in isolamento.

APSIM-SPI è il primo nel settore e l'unico prodotto che combina integrità del segnale e integrità dell'alimentazione. Con lo strumento SPI, gli ingegneri PCB possono osservare la forma d'onda dalla forma d'onda simulata che è molto vicina alla prova effettiva con lo strumento. In altre parole, la progettazione teorica e la prova effettiva sono comparabili da allora in poi.

La funzione SI convenzionale è un'analisi isolata partendo dal presupposto che lo strato di potenza ecc. si trovi in uno stato ideale. Sebbene abbia un grande effetto ausiliario, non vi è alcun effetto complessivo ed è difficile per gli utenti eliminare semplicemente gli errori in base ai risultati dell'analisi SI. Come ipotesi, se una scheda PCB, perché le sue linee VCC e TERRA sono molto sottili, il circuito naturalmente non funzionerà in questo momento. È anche facile scoprire che le variazioni strane nel segnale sono molto gravi con strumenti come un oscilloscopio. Ma questo tipo di design è facile da immaginare, se si utilizzano strumenti generali di analisi SI, non è possibile simulare il cambiamento strano del segnale. La situazione in questo momento è che, sebbene la forma d'onda del risultato della simulazione sia molto completa e non vi sia alcun cambiamento singolare, in realtà è stata singolarmente modificata al punto in cui non funziona. Pertanto, un ingegnere una volta ha chiesto: "Perché la forma d'onda del segnale nella simulazione SI non cambia quando disponiamo i cavi di alimentazione e di massa nella scheda PCB non importa quanto stretto?" Il motivo è che il PI non è considerato nella simulazione SI. In altre parole, il cavo di alimentazione e il cavo di massa non sono considerati. Per risolvere questo problema, l'unico modo è utilizzare gli strumenti SPI. SPI considera pienamente lo strato di terra nell'analisi dell'integrità del segnale SI, compresi i fili di terra nello strato del segnale e il riempimento del segnale di grande area. I segnali instabili o le interferenze di questi strati geoelettrici saranno completamente sovrapposti ai risultati della simulazione SI. Solo in questo modo si può simulare l'effetto reale del lavoro e, naturalmente, il risultato finale è vicino al risultato effettivo del test. È conveniente per gli ingegneri considerare visivamente e correggere.

Al fine di realizzare la combinazione organica di SI e PI, APSIM-SPI ha apportato importanti aggiustamenti in termini di modelli interni, metodi di calcolo, interfacce utente, funzioni di analisi e meccanismi di simulazione. Lo scopo è quello di garantire la perfezione della funzione SPI sotto la premessa che l'utente è ancora conveniente da usare. Ad esempio, nella modellazione RLGC e nell'estrazione dei parametri di distribuzione, l'estrazione dei parametri RLGC di SPI è molto più complicata della precedente estrazione semplice dei parametri SI. Perché in SPI devono considerare pienamente i parametri parassitari dello strato di terra e il rapporto di connessione tra lo strato di terra e la linea di segnale.

APSIM-SPI prenderà pienamente in considerazione l'influenza dello strato di terra quando analizzerà i cambiamenti dispari del segnale. Perché SPI considera in modo completo il modello dei parametri parassitari dello strato di terra e il modello dei parametri del cablaggio del segnale, così come il modello IBIS o SPICE del dispositivo durante la modellazione. Pertanto, se si progettano componenti analogici come condensatori di disaccoppiamento, condensatori di filtro, resistenze terminali, o il rumore di commutazione SSO, rumore di rimbalzo a terra, ecc. generato dal circuito durante il funzionamento, tutti si rifletteranno nella forma d'onda finale del risultato della simulazione.

Utilizzando lo strumento SPI di APSIM, gli ingegneri PCB possono osservare visivamente gli strani cambiamenti del segnale durante la progettazione della scheda PCB e apportare modifiche tempestive. Se si scopre che il cavo di terra non è abbastanza largo, il segnale sarà rumoroso o addirittura deformato. In questo momento, è possibile regolare la larghezza del filo di terra fino a quando non si è soddisfatti. Quanto largo dovrebbe essere il filo di terra in passato? Gli ingegneri possono eseguire il debug solo per esperienza e non c'è strumento per assisterli nella guida alla progettazione. E se il filo di terra non è ben disposto, la probabilità di causare la scheda PCB a non funzionare sarà molto alta. Ma le schede PCB di oggi sono così complicate, non solo la larghezza del filo di terra, ma anche il riempimento del piano di terra, la progettazione del piano di terra multistrato, in particolare la tecnologia di segmentazione del piano di terra, ecc. Le frequenze differenti devono essere utilizzate in modo diverso. Metodo di trattamento. Se solo esperienza limitata non può soddisfare i requisiti di progettazione. Ora con l'aiuto di APSIM-SPI, gli ingegneri PCB possono facilmente sapere se il suo piano di terra e la progettazione del sistema di filo di terra è ragionevole ed efficace.

Ad esempio: quando si progetta una scheda multistrato, molti ingegneri spesso non sanno se mettere lo strato di segnale o lo strato di terra prima quando si considera come organizzare ogni strato? Lo strato di segnale e lo strato di terra sono alternativamente posizionati o concentrati? Ora gli ingegneri possono ottenere chiaramente i migliori risultati sulla base dei risultati della simulazione SPI.

Un altro esempio: quando ci sono più alimentatori sul piano di terra, come ad esempio 3.3V terra, 2.5V terra, 5V terra, ecc., come dividerlo? In passato, gli ingegneri potevano contare solo su un'esperienza limitata, e potevano solo considerare la razionalità dalla divisione al confine. Se il design in questo settore è irragionevole, le conseguenze possono essere immaginate. Credo che gli ingegneri abbiano una profonda esperienza. Tuttavia, poiché lo strato di terra è spesso nello strato centrale della scheda PCB, è difficile modificarlo per il debug perché non è fisicamente accessibile affatto. Infatti, nella progettazione di uno strato multi-potenza, non solo i problemi di confine tra le varie regioni devono essere considerati, ma anche i problemi di filtraggio, problemi di terreno comune e così via. Con lo strumento SPI, gli ingegneri possono facilmente eseguire la progettazione razionale della divisione multi-alimentazione area. Se è irragionevole, il segnale sarà distorto durante la simulazione, che era impossibile prima.

Quando si tratta di rumore di rimbalzo a terra e rumore di commutazione SSO, tutti conoscono la gravità di questo rumore (in EDA, questo rumore è riassunto nell'ambito dell'analisi dell'integrità di potenza PI), in particolare PCB ad alta velocità, incontrano spesso condizioni di lavoro instabili In realtà, è probabilmente causato da rumore di commutazione o rumore di rimbalzo a terra. Gli ingegneri devono anche conoscere alcune soluzioni semplici. Ma se considerato da un punto di vista quantitativo, è molto complicato. Ad esempio: un modo semplice ed efficace per eliminare il rumore di commutazione SSO è quello di aggiungere un condensatore filtro tra l'alimentazione elettrica e il terreno. Il metodo comune è quello di aggiungere alcuni condensatori elettrolitici di diverse qualità e tipi. Deve essere facile per gli ingegneri determinare quantitativamente la tensione massima di questi condensatori. (Finché può essere calcolato in base alla tensione di lavoro della scheda PCB), come determinare quantitativamente la capacità di questi condensatori (valore di capacità) è spesso basato solo sull'esperienza, o fare riferimento alla progettazione di altri circuiti. Perché sarà molto difficile affidarsi alla teoria per calcolare. Soprattutto ora che il circuito PCB è così complicato, è ancora più difficile affidarsi ai calcoli manuali. Il posizionamento del condensatore è anche uno dei fattori che non è facile da determinare. Tuttavia, il posizionamento di questi condensatori elettrolitici e l'effetto filtrante che svolgono saranno strettamente correlati. (Il metodo comune è quello di posizionarlo all'ingresso di alimentazione della scheda PCB).

Ora utilizzando lo strumento APSIM-SPI, gli ingegneri possono facilmente progettare e verificare gli effetti di questi condensatori filtranti. E determinare efficacemente il posizionamento di questi condensatori e il loro valore di capacità. Decisamente non utilizzare condensatori in eccesso, e non ci devono essere meno condensatori!

APSIM-SPI ha anche molte funzionalità relative ai cambiamenti dispari del segnale e alla progettazione di simulazione. Crediamo che l'attuale progettazione della scheda PCB ad alta velocità debba essere eseguita con mezzi ausiliari avanzati. SPI combina anni di esperienza nella progettazione e integra tecniche avanzate di analisi SI e PI per simulare direttamente e realmente lo stato di lavoro specifico della scheda PCB, che è più vicino ai risultati reali dei test. SPI fornisce una nuova piattaforma di debug, che consente di passare all'ambiente di simulazione progettato sulla base dell'esperienza da molti anni. Migliora notevolmente il tasso di successo di progettazione una tantum del PCB ad alta velocità. SPI è gradualmente diventato lo strumento di analisi della progettazione più popolare e necessario per gli ingegneri di progettazione PCB ad alta velocità nel settore. SPI lavora a stretto contatto con altri strumenti di progettazione PCB del settore. Come Mentor Graphics, Cadenza, PADS, Protel,...