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PDN分析及应用系列三 —— 案例2:串联电源网络连接

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发表于 2020-10-15 14:40 | 只看该作者 |只看大图 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式

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x
& L8 l9 W2 x( b
此示例展示了如何将一系列连接的网络进行整体分析,同时考虑互连它们的串联元素的参数。 此外,本次系列还概述了如何添加电压调节器模型“Voltage Regulator Models(VRM)”,它们也可充当网路之间的电气和逻辑链路,以及如何开发设计电源网络的完整层次结构。
7 v( ?; z& _' B0 o& o
6 X; L, j3 Z4 J+ h该示例为SpiritLevel-SL1参考项目的PWR_IN至5V的网络建模,并包括3.3V(VCCO)和1.8V(VCCINT)VRM,以创建完整的电源网路结构。
1 e% l! `! r* S7 }( d' t9 ^. X2 f

6 [! I% N8 x  h" Y1 C* M' O. I
& T4 n& I2 w, `9 _; X原理图电源网络8 E. R9 p9 x) C& t, D# g1 ~

$ I# K5 H" D5 j+ e* w* G% _7 TDC网路设置
; c/ t; ]! k4 D- |( L1. 选择 File » New Simulation。2 I, m7 x0 [/ c: J

) k% y: @8 e- E6 q2. 设置< Power Net> 为 PWR_IN 和 GND 。
9 i% q- Q( a. `2 c/ I' n" R2 c* t! G1 g  \  m. D, _  P
3. 添加Source 并设置为 J1。
* `8 ?/ [& g, A) X! y5 t4 a$ I1 C% q
* W8 ]5 ^' k' T" m通过串联元素扩展网路
: }$ v' U: G& T5 _/ q# n7 J要建模从PWR_IN网路到5V网路的完整电源路径,需要添加串联熔断器(F1)和开关(S1)元件及其中间网络。 在PDNA接口中,通过顺序地扩展电源网路来添加这些。 每个网络“扩展”通过通用串联元素模型连接。 串联元素不限于所有终端的单个RefDes。 例如,可以制作一个串联元素来模拟电感器,或者一个串联元素可以跨越多个元件,以防设计的一部分不需要模拟,或者因为电源在PCB上只有一个连接器,要通过该连接器接到另一块板的情况,这样不是一个完整的网路。- U. L4 v  |- f1 ?9 M, i
: r% |7 L" b6 a8 I8 G& E) I- c5 C; ~
1.右键单击PWR_IN网路,然后从上下文菜单中选择“Extend Network”选项。8 t$ o( D% V% X6 M

& N/ d8 O; n4 Z" d( i3 Z$ D2.选择NetD1_2网络(桥接F1和S1的引脚3,及二极管D1的引脚2)。' O  D  W7 k5 I( s9 @# q

& u; j; v  t, A  z9 s3 s9 ~5 P) l9 T3.单击“确定”。 网络扩展进程将自动在两个网络之间添加一个串联元素。/ p& X" r$ y! {& r9 N

6 j" G0 D. R2 ]' U) ^5 c2 L! V
* ]1 ~7 R3 ]$ H  Y, H( v3 ~6 X  i5 |  M
扩展电源网路( q9 W# U5 o6 y' G+ U5 y! r
3 k6 R+ m& n2 I# w  s, k8 f
4.双击“串联元素1”以在“ Device Properties”对话框中指定连接“ connectivity ”和参数“parameters”。
% z. e6 u+ m) d2 l- }+ T+ G! S
" r5 s1 q: P, o* C8 H- B* ^* Q串联元素模型由与电阻串联的电压源组成,可以对电阻,电感,二极管和开关等元件进行基础建模。  Z, I7 s' a& }& m
" h; V9 t- @1 u" I$ r; _: c( k- p
5.将 In和 Out终端的Refdes设置为F1。
, Y# g5 Z0 I$ P1 W; @: G! I4 Q. i- b1 H" |! f. {3 V
6.将标称内部电阻设置为0.1Ω,然后单击“确定”。
; w# @* w, y. x2 x
! y) g9 K! u) k6 W  S注意:如果串联元素是半导体器件,例如二极管,则会指定电压降参数以及器件的内部电阻值。
% F1 T) V( e3 j, C; @/ F
, {: J" u: U9 U+ D6 u+ C6 S7 n6 O: e
0 i4 P; w! D# r; B
2 S' X( w) q' i6 a定义串联元素的属性! R5 ~$ {* w0 g$ P- P& q

# m% i: h) I5 @7.右键单击NetD1_2,然后从上下文菜单中选择Extend Net。
' A- c1 z/ T9 D
* ~& E1 `# m- z3 B4 \* t8.选择5V电源网络。
5 z8 f7 n- |& b$ g2 S, `2 n( Y) y
9 M4 i" R* W' N+ g7 S0 n4 n
; i, \: U0 r" r6 D
: c0 k% {# v( J: D扩展NetD1_2网路, ~8 i- M2 l, n# q/ m
9 _5 Y8 i1 o- p, g$ i% k
9.双击串联元素Series Element 2。
: z2 g3 @6 j% s$ R7 m4 ^7 d
% z# C6 R# X% s10.将 In和 Out终端的Refdes设置为S1。
! l2 O+ K' L# J7 |. H& r/ W9 }9 K3 M( u$ b3 R4 \( a' c. N8 d
11.取消选择 Group Pins by Name。
, |. W! {# A9 ~, w# t7 u2 T4 @. M9 O- t0 \' Q
12.禁用 Pin 1。
# X' f' U; V2 Y  \8 h7 D4 }
/ \7 ^2 C4 ~  c' `0 ?: V. e0 |13.将标称内部电阻设置为0.1Ω,然后单击“确定”。% r& O' _  c' `/ b) \1 \9 i- M3 F# E: d
( _7 ]6 j+ m  E& _. k0 S
, a$ Q) @+ X" J  g

1 R: W- ]  d2 `' v& q3 u添加串联元素2
+ {6 `" ~( `8 M3 j4 n4 K  X* t5 k  a  Q  X1 {
在这种情况下添加的串联元素是S1,它通过引脚2和引脚3将D1_2网络连接到5V输出网路。由于S1(引脚1)的备用输入引脚连接到其输出引脚(引脚2), 不带负载电流,引脚1可以从网路分析中删除。
* h0 M0 T- T  c! h! O& Q7 x# h  V; ]/ _0 w. F: Z+ E
14.将LCD1作为负载添加到5V电源网络。" ~+ ^* M3 N/ I  e6 c% J

$ L" a3 ?6 V' a: U: P7 X( p15.将Load Current设置为80mA,然后单击OK。
8 e# S" [$ \5 w. c7 @8 V) Y" t" r! `& W" L# i% Y( u

) x) _4 ]3 r7 L' G- l1 B. ~% n- u* C9 W8 B; k
添加LCD1负载到5V电源网络
9 D; o6 Z# u3 Y- x. V# T2 g1 J$ F0 O2 P7 t  g1 j
16.开始分析。
; D% V( O4 j: w4 ?2 G8 _& o( t* P  n8 ~# g0 G: S

1 j+ n2 f  z) Q: N' ^: X! U& B& @
同时进行多网路分析4 V0 Y, n/ Y2 U; h( l$ \6 B
! J% m) Z5 U' R- ~2 D. d
包含电压调整器模型( Y8 l& e! e0 o2 n$ I
PDN分析仪提供有源电压调整器模型 “Voltage Regulator Models(VRM)”,可插入网路的电压输入和输出之间。 当添加到PDNA电源网路时,它们既表现为电压输入网路上的负载,又表现为电压输出网路上的电源。 VRM模型选项包括线性“Linear”,开关模式“Switchmode” 和遥感开关模式电压调整器 “remote-sensing Switchmode voltage regulators”。 电压调整器模型(VRM)在PDN分析仪中非常强大,因为它们可以在多个元件中定义,模拟整个稳压器电路的功能。 这样就可以在PDN分析仪中轻松模拟复杂多样的设计。
% I# k" P% [/ i7 }6 h/ |3 ]2 l* e! r, Z1 l
SpiritLevel-SL1参考项目使用线性稳压器来产生3.3V(VCCO)和1.8V(VCCINT)电源。 当VCCO稳压器(U3)添加到PDNA仿真网络时,它表示为5V输入网路上的负载和3.3V网路的源。
+ z. ^6 G1 y/ z! N( G: C. `  ^$ V: C$ k
- h0 B* F3 ], R

" |5 _' @/ r7 l& ^1 N0 Q项目线性稳压器9 t2 A# f- o2 m! J1 X
( {' z! }8 P2 i- g6 u% [
1.向5V电源网路添加负载。
2 D0 P" l0 T- h5 O( G
( S5 k& c+ S! H) }. W! D1 k" V2.在“设备属性”对话框中选择VRM (Linear)选项作为 Device Type 。* E/ m5 L7 P6 S4 J; i; ?( y: A
! a+ C7 S5 g. V' ?0 ?# `
3.将In 终端的Refdes设置为U3,将Net设置为5V。6 W% K" Z( C4 ^6 U0 L3 E

1 m! q1 _6 U( N! h6 J4.将Out 终端的Refdes设置为U3,将Net设置为VCCO。! N' s4 [. v0 J' c
" \5 O/ |, Q* i( H# j; z2 L' g) U
5.将Ref终端Refdes设置为R14,将Net设置为GND。7 Z' x) O& d, Z0 v4 Y' K1 @
, E/ k! M* }9 C- U# t
6.最后,请将Vout设置为3.3V,然后单击“确定”。8 t- A# h& p7 B7 j+ M

' b! h& Q5 j( }2 K 2 A- G/ ?4 ^: C, n* H# q

" t2 Z1 @  E" c9 R# M  C) q! @用于VCCO电原网路的线性VRM
, A+ A1 a: Z5 T) ]
/ p7 s# U9 r/ ?7.右键单击刚刚创建的VRM负载模型(Load 2:U3),然后选择Add VRM To New Network选项。; B& m1 i/ v- u/ D$ {% M7 d
6 i* ~2 M. o+ p2 j
这将自动创建VCCO网路,其中 VRM (Source 1: U3)输出侧模型作为电压源 (3.3V)。
3 M0 _# v) w% q: D' B! m# ]* U8 F* d2 E; x; u* T

- E# p% V, `+ C9 ~8 }" h4 o
; j( _* P7 U) f1 f从VRM创建VCCINT, `5 z, {6 x2 b; U4 g  D
& f3 F, r- k% D/ G* |( t( c
注意:VRM是可以从任何源进行修改的共享模型。在此示例中,更改将双向应用于Load输入模型反射和Source输出模型。
+ }9 s( @) u$ E8 C
, |+ w- {- n5 f# f) j" s' g1.将负载U1添加到新的VCCO网路。( s" v$ H1 D" j" B9 m1 g
: L- l: K9 V9 k+ l% j
2.将Load Current设置为0.2A,然后单击OK& z7 I  f4 c9 R4 v" [4 n

( Z6 v7 E. |0 @9 g) c, W  { ! C" c. `3 C# l! k

2 E) e" w+ {1 q3 `: M5 L: }2 O向VCCO VRM添加负载- e- h& `) y0 h8 O
  [- E8 Y' h. N. f2 n( d! I
完成的电源网路布置现在包括通过3.3V线性VRM连接在一起的两个网路(PWR_IN和VCCO)。当在当前PDNA文件结构中选择网路层次结构的顶层时,网路图形提供电源网络互连的块图样式的概览。在此示例中,VRM作为负载添加到5V(输入电压)网路,然后用于自动创建3.3V(VCCO)电压输出网路,VRM为 Source源。最后,VRM作为Source添加到 output voltage网路,并且该模型作为负载Load 添加到 “input” voltage网路((Add VRM To New Network或 Add VRM To Existing Network)。$ B9 u' ^1 H1 M! f/ o
& |' ]7 }, f$ C+ H2 L/ h* C

: ?9 A( V, w' B1 S* t' `: }/ x
6 m  W; B& _: R5 h, O+ Y) z* k& o网路块图概览0 F6 O+ R. C4 e2 z2 o6 r
' v7 g6 I5 y" R' u% c
同时进行多网路分析
9 l& }6 s$ d5 P/ KGND网路的路径现在将包括来自PWR_IN和VCCO网路的返回电流叠加。 PDN分析将产生复合网路的结果,包括VRM。 从图形上看,当在PDNA界面中选择网路层次结构的顶层时,PCB编辑器将显示所有网路。 添加另一个VRM(U4)将完成示例项目的电源分布网路,并将1.8V电源输出网路(VCCINT)包含在内。
# O( o/ S6 D5 c+ z$ D* S* [; j& _# y1 H

; g, \3 d9 u8 m, {% X, @: P: n5 {- C+ Z; H
第二个电源网路线性VRM- K3 z* I( \' `# h6 J  J8 c

# b, Z) D* k, P* q8 D. k3 @1.单击网路模拟设置,PWR_IN。! S6 Q, I5 x! h2 f! N2 v
# ?7 H6 h* a& x/ D
2.添加 Linear VRM到5V网路,参数如下。
: ~8 H$ k) P6 B5 b2 R6 E. ^
1 A  t6 b4 s1 X) A9 O设置 In 终端Refdes为U4,Net为5V。
- Z# i1 o$ W1 V6 Q: O6 l0 P0 j8 m* X( H7 m$ K; U
设置Out终端Refdes为U4,Net为VCCINT。
- ^0 J: S/ q7 i
) E) q( f: H4 h0 l' C& m1 r! r( v) K将 Ref 终端Refdes为R19,将Net设置为GND。, E0 @! \$ b) V3 n$ j; Z# ~

9 _, g5 z" ?' [将Vout设置为1.8V。
7 B8 [) k6 g7 p/ z) |# H' U
8 u) P3 C4 D6 S% l) p' g2 u3. 完成VRM,单击“确定”。0 c! W+ U+ R  B0 u- z" q

' C: z4 k7 D! {6 n* f! c+ T1 Y& h. o3 Q
: [% B7 r* a3 g8 f
4 y" B( X0 x2 M. F& v& e% n用于VCCINT电源网路的线性VRM  I* S0 t/ M- i

) O! B+ H8 j4 E  ]4 w4.添加VRM Load 3到新的网路以创建1.8V(VCCINT)电源网路。
% F( n- a; a- z1 E( i& `
+ L! S2 y7 F  \ % E1 A7 Z% `/ g+ ?$ {7 z- c

- r  w' `6 e# K6 u: b创建VRM的VCCINT
  O+ J9 O, p4 j) n: [% u, a4 k, u0 g0 [: M$ I
5.添加Load U1到VCCINT网路。
1 K1 \# U. I; |. s% E( [, d* O1 l- |2 _( J6 q8 D: E
6.将Load Current设置为100mA,然后单击OK。
9 L; r) p( R. H( o0 s
& m: H1 |5 G8 p: j2 H6 k: F. u  D : t' L/ n$ N7 |) G
; m* W+ y$ a% [/ M) C% W5 Y4 _
添加一个负载到 VCCINT VRM
! I9 K4 m) C7 r: c- e  V# s" p1 I' x
7.右键单击网路模拟设置,Unnamed simulation(1),然后选择另存为 Save As。7 p, S  Z2 ]/ [$ c4 _' J

/ z# K7 \; d' m8 x* J' H6 `3 h
1 a. c- b6 k) ^0 h6 ^7 ~* o* B/ P$ w, y
同时多网路层次结构
8 r/ l5 T7 D, o( }. I! x8 v* A* \
/ x4 T, v5 j! h. t) H% a- r9 z8.在项目目录中选择文件夹ConfigFiles_2.0。
+ [4 P9 t: v# s& W& i
# s. e. A; K* L. y: D; D1 x7 ^9.将文件名保存为 Example 2。
% n% M& ], `7 p- a' Q% [" Z* k& l  s. p; a+ B
注意:PDN配置是一个文件(* .pdna),它捕获并保存现有分析设置中定义的所有用户设置及相应的数值。 配置文件使您可以保存和管理任意数量的分析设置以供后续使用。
# W5 U; q3 V& Z3 ~8 E8 p* U: S
0 B: K2 E; t$ P  e; v' ^ # B! m' h& `' a. W2 V

" f7 M) b5 j7 ^5 X& c5 R保存配置文件
5 n6 D% |# ~/ \1 u. O
. }7 w7 h( R& x- U; \7 }10.启动分析。' L9 ?2 X6 g  G. Y' D9 q+ D

+ {& y) k% D- z: BPDNA接口网路层次结构显示所有三个互连的网路。 PDN分析将产生包括VRM的复合网路的结果。 GND网路现在包括所有三个网路的返回电流,这三个网路使用公共的GND层形状。* w5 s6 z$ i0 x
3 u5 L0 }: o9 E; D/ L) ?$ d! `0 n+ i; L0 G
" n- M: F! r) {7 j+ I$ B
' y' Y- J) O3 O+ j) Q( k2 z
可视化同时多网路PDN分析
& _5 A) p" c9 t' F/ G9 e0 _8 p4 m2 ]8 Q+ e/ F' C0 Y
注意:该三个示例都使用SpiritLevel-SL1设计。 一般情况下,这些文件可以在altium Designer安装文件夹的目录地址找到:C:\ Users \ Public \ Documents \ Altium \ ADxx \ Examples \ SpiritLevel-SL1。

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