Prototipazione virtuale di Pcb

SOFTWARE –

La progettazione di Pcb è diventato un aspetto cruciale nel flusso aziendale in quanto le performance richieste ai circuiti stampati sono sempre più estreme, così come lo sono le condizioni in cui tali schede dovranno lavorare.

Uno degli aspetti più critici della progettazione elettronica degli ultimi anni consiste nell'ottimizzare le performance dei circuiti stampati affinché possano lavorare a velocità sempre più elevate e, al contempo, riescano ad integrare il maggior numero di funzionalità nel minor spazio possibile. Tale trend ha reso impossibile proseguire con approcci di tipo Cut&Try che prevedono un massiccio debug fatto in laboratorio, sulla scheda finita. Questo modo di operare, infatti, oltre che essere decisamente lento e costoso (richiede la realizzazione di più di una versione di test board e un laboratorio molto attrezzato per  svolgere test elettrici, funzionali e di compatibilità elettromagnetica), spesso non produce i risultati desiderati in quanto l'ingegnere lavora letteralmente alla cieca, non conoscendo nel dettaglio tutte le interazioni fisiche all'interno del pcb e come queste contribuiscano al funzionamento finale dello stesso (o al suo malfunzionamento).
Per aiutare gli ingegneri a gestire e analizzare queste problematiche, ANSYS ha da anni intrapreso la strada che ha portato allo sviluppo di una piattaforma di simulazione completa, veloce ed accurata al fine di prevederle in fase di progettazione, consentendo quindi di risolverle e massimizzare le performance delle schede elettroniche, senza trascurare la riduzione dei costi realizzativi dove possibile.
La release 14.5, in particolare, ha reso tale flusso completamente automatizzato ed integrato in qualsiasi flusso di layout presente in azienda (ad esempio Mentor, Cadence, Altium e Zuken).

Il flusso di progettazione
Da sempre ANSYS si è dichiarata CAD agnostica: questo significa che non vi è un CAD preferenziale ma che l'azienda continua a sviluppare, spesso in collaborazione con i produttori stessi del CAD, interfacce che ne garantiscano la compatibilità con la maggior parte degli ambienti di layout 2D e 3D. Oggi, infatti, la piattaforma ANSYS è aperta verso la quasi totalità degli ambienti di sviluppo dei pcb, sia attraverso il link diretto al database proprietario, sia attraverso formati compatibili (ad esempio odb++).
Questo approccio permette di importare, all'interno di Siwave, non solo il layout fisico della scheda, ma tutte le informazioni necessarie alle simulazioni come stackup, nomi delle net, footprint, via e, soprattutto, componenti passivi R, L e C montati sulla scheda. A tal proposito, in Siwave è presente una fornitissima libreria di componenti passivi di molteplici vendor, integrabile dall'utente con ulteriori componenti, che permette di simulare ogni aspetto della board, inclusi i comportamenti in frequenza dei passivi e gli effetti di packaging.
Una volta terminato il processo di import all'interno di Siwave, esiste un flusso completamente personalizzabile di simulazioni possibili sul nostro pcb. Solitamente s'inizia con un'analisi in DC per verificare il comportamento in continua del nostro circuito stampato, affinché tutti i dispositivi attivi ricevano il giusto quantitativo di corrente alla tensione corretta. Inoltre questa fase è molto utile per verificare se ci sono picchi di potenza in determinate aree che potrebbero causare un surriscaldamento della board. Nell'ottica di analizzare e risolvere tale problematica l'utente può, al termine dell'analisi DC, passare automaticamente e con un solo comando la mappa 3D dell'analisi DC al simulatore termico ICEPAK. Questo garantirà di avere immediatamente una simulazione termica al fine di calcolare la distribuzione di temperatura ed eventualmente disporre dissipatori e ventole di raffreddamento. In Siwave è inoltre possibile ricalcolare la potenza dissipata e la densità di corrente tenendo conto della variazione della resistività dei materiali conduttori con la temperatura che ICEPAK fornisce come output della simulazione.
Altro aspetto importante della simulazione di power integrity è rivestito dalla simulazione in AC che permette di verificare e validare il comportamento del pcb nel suo range di frequenze. Le simulazioni possibili sono diverse. Un'analisi dei modi risonanti, ad esempio, potrebbe permettere di evidenziare quali sono le aree colpite da risonanze naturali e quale la potenza della risonanza (e di conseguenza i problemi per il pcb), mentre una ottimizzazione con PI Advisor permette di demandare completamente al tool la scelta e il piazzamento dei condensatori di disaccoppiamento, al fine di tenere basse le risonanze e massimizzare le performance del pcb.
Un'ulteriore problematica da non sottovalutare è l'analisi di signal integrity, specie in presenza di dispositivi High Speed (USB, SATA, PCI Express, DDR, ecc.). Per una buona riuscita di un'analisi SI è necessario avere:
- buoni modelli passivi della scheda e dei dispositivi attivi;
- un veloce e accurato simulatore spice level.
Il primo obiettivo è facilmente ottenibile con Siwave in quanto effettua una analisi accurata e full wave dell'intero pcb, e questo è l'unico modo che garantisce un modello accurato della scheda. A questo va aggiunta la compatibilità con tutti gli standard di simulazione: HSPICE, IBIS, IBISAMI, Spectre, VerilogA, S Parameter. L'utente ha quindi a disposizione tutti gli strumenti per poter effettuare una simulazione completa ed affidabile.
Infine, DesignerSI è il collettore di tutte queste informazioni e permette di effettuare analisi complesse e complete in tempi molto brevi, normalmente dell'ordine di minuti, di modo che l'ottimizzazione da parte dell'utente possa essere effettuata già in questa fase. I post processor inclusi in DesignerSI vengono impiegati a questo punto, per scendere nel dettaglio dell'analisi e poter processare velocemente grandi moli di dati, inclusi i modelli passivi della scheda simulati con Ansys Siwave.
Ultimo ma non meno importante aspetto della simulazione di PCB riguarda l'EMI/EMC, che solitamente rappresenta un merge degli effetti negativi derivati dalle problematiche di signal integrity e power integrity. Per questo motivo, per effettuare una analisi di EMI/EMC completa e affidabile è necessario unire i risultati delle simulazioni di DesignerSI all'interno di Siwave e calcolare le emissioni in campo vicino e campo lontano. La sorgente modellata con tutti i componenti attivi e passivi in DesignerSI viene passata come eccitazione al pcb in termini di  trasformata di Fourier del segnale tempo variante risultante dalla classica simulazione circuitale transitoria. Tale operazione, così complessa nella descrizione, si riassume semplicemente in un click sull'opzione “Push Excitation” all'interno di DesignerSI e, in pochi secondi, Siwave ha tutte le informazioni utili ad effettuare una analisi EMI/EMC semplicemente  lanciando la simulazione ed analizzando i risultati sia 2D che 3D.

Conclusioni
Attualmente i progettisti di pcb affrontano giornalmente due problematiche apparentemente in conflitto fra di loro: migliorare le prestazioni del pcb e ridurre i consumi, le dimensioni e i costi. Per far ciò, le vecchie metodologie Cut&Try non sono più valide provocando il più delle volte un incremento esponenziale dei costi e dei tempi di progettazione.
La soluzione ANSYS permette al progettista di fare pressoché infiniti test e analisi a costo zero e con tempi estremamente ridotti rispetto alla realizzazione di un prototipo fisico e alle misure in laboratorio, oggi destinati solo alla validazione finale del prodotto. La precisione e l'affidabilità degli strumenti di simulazione sono tali da poter garantire ai progettisti previsioni accurate ed estremamente realistiche anche in situazioni molto complesse, dando loro risposte alle domande che normalmente i test fisici lasciano aperte: quelle sulle cause del comportamento del prodotto. Comprendere che cosa accade in un circuito, vedere l'invisibile, permette al progettista di valutare diverse soluzioni, risolvere velocemente i problemi e ottimizzare prestazioni e costi.

Pubblica i tuoi commenti