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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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0 }4 q: N; w8 ?% y  y% M3 ~6 v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。9 L9 ~3 @6 h) U2 u1 \0 ~+ Z

4 b( n$ S3 G0 c) e  a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。  |5 M/ @/ t9 z3 Y; n

9 l2 U5 w5 F( u! V. F% x + _3 k6 G! Q; L% C# B0 ~

( {' Z# p1 B1 `原理图电源网络) ?& m# v1 d. s. S
9 H; A( j. n  Q5 Q1 c7 m& I
DC网路设置
% r. Y6 Z& Z5 n4 t1. 选择 File » New Simulation。8 c& K, t2 g0 w4 g* a

6 M! a9 [" {1 J# A: v  d# P7 F2. 设置< Power Net> 为 PWR_IN 和 GND 。 2 }! j2 g9 J$ U* R# o
, v8 J0 e- c- v8 q7 h2 `4 u' Y
3. 添加Source 并设置为 J1。3 @$ L( a0 C, l: @. R

! b: g6 l& e& W$ @+ `2 w通过串联元素扩展网路
, g1 S8 o, A1 f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。
/ O7 \/ q! u# _+ D, X3 X$ y" y  J: L4 [. a  c" M" i' w# c+ T$ m
1.右键单击PWR_IN网路,然后从上下文菜单中选择“Extend Network”选项。
' f1 k. z1 I/ p. F) H' R7 V8 W0 X, m9 i
2.选择NetD1_2网络(桥接F1和S1的引脚3,及二极管D1的引脚2)。0 O/ `/ M  R: o6 |

0 N9 x5 B$ b8 @, n8 k+ E3.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。
) U* b" n# z; P& b% g8 u- ^
) d. x' M0 a2 t, C3 H' D
2 I) T5 ], I6 [# t4 f5 w3 ^6 {4 F- e4 F* v$ w/ i2 N7 h. n
扩展电源网路2 G7 U6 E; R6 r' i: v; `/ e( D
6 E6 [+ D, ~. ~" D
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”。+ ?5 |; V% g; P4 x; D0 m8 s5 q
7 Q* Y8 j# i& o3 D* A  j- \
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。
! U8 f* k1 b6 [' F+ @, f6 ]+ \! g, V  G( P! M7 D( f6 S- F4 A: M/ H
5.将 In和 Out终端的Refdes设置为F1。
1 z  ^5 n! _8 k" I8 T$ Y) j- k9 y2 a3 z9 k$ F
6.将标称内部电阻设置为0.1Ω,然后单击“确定”。; R# A) Z1 A# E, p. p
! J3 Q  A# O/ n5 n
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。
7 U* S( t. D" V
( S( X& e' ~* d8 h1 U
' f9 ^, e1 c9 M( {9 U% x
, l0 L8 m* [; C4 o6 N& C  l  K& C定义串联元素的属性6 Y- }/ I$ H7 R8 L( J% ?+ _

2 H/ n, O- }- D9 Q7 X7.右键单击NetD1_2,然后从上下文菜单中选择Extend Net。/ L1 Z' Z: ]6 c/ Q0 X
/ }7 }7 v$ Y4 Y, w# [* }: X, ]
8.选择5V电源网络。
$ v3 Q& C6 W' I( s- Z: `
5 t% S7 D) b/ Q9 z* c$ W' O5 M
* A; s- U) U" |7 T/ E+ t" {' p
3 \1 K2 R+ ?3 \4 ]/ u( W扩展NetD1_2网路
: E1 Z; E3 |/ k+ X7 G2 w( E6 f6 t. Q* d7 p
9.双击串联元素Series Element 2。% I" j  Y) K& p3 J' z
/ \& m% B* k: l: {% \/ Y
10.将 In和 Out终端的Refdes设置为S1。
, r  i9 r2 A4 H4 g* @4 p
2 z- O  z$ n5 i/ f11.取消选择 Group Pins by Name。3 i' Q9 A$ q8 \
- R2 a* C0 r  H' H& Z2 {
12.禁用 Pin 1。2 W* O! _& x- N4 D

3 w) p% m* [4 _$ S7 A3 ?2 t; ?13.将标称内部电阻设置为0.1Ω,然后单击“确定”。: I7 g  O* w! Y7 \
: c; z' Q0 A8 D+ L
% R9 F. ~" y) C% T* J
- ^/ L" I/ ?; q( O  l
添加串联元素27 n3 X4 a. g, r( V
2 M& D. s6 L7 h. l6 T
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。! w  j' F! Q$ A& _( X. `, W
$ f. a+ I7 \# c" K( s
14.将LCD1作为负载添加到5V电源网络。1 Z- |4 F" v  D0 p! b5 M

6 ~9 j5 x# t, l/ M) K. \15.将Load Current设置为80mA,然后单击OK。
8 k% X% C4 Y" A& p1 u- m/ \- V5 h0 J$ G& G2 ^

1 Y3 B$ D0 h$ F
# I. j( E% `3 j, C5 Q! w添加LCD1负载到5V电源网络& Z( U" F4 n+ t" r

( o* k- C1 K5 W$ u16.开始分析。* }0 d; }( |# i# y7 f+ m4 _% p
# K9 v3 X) u9 b) O4 T6 ~0 f
# v4 t8 L. q$ U
) w, c  k4 C! Y7 w: {! m, C+ w1 o, ], z
同时进行多网路分析6 e- b; T0 L$ [4 t
" Z! \) o7 C/ i) I0 J2 n
包含电压调整器模型& _2 z* E# l% I  ?6 k& C
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。
% e4 w; y9 e+ J8 ]9 ~1 L) V& y- v1 {) J7 x& y
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。  J0 f& N0 o7 [* V* b! i; B. b

: m0 Z: K  n( p; ]7 Y/ a 9 F6 d+ e5 E& K' H+ o5 `) D* q2 }# m
$ t. T1 s9 {! F. A
项目线性稳压器
% J2 N/ \( d: J% V; |9 i; P9 }* x8 n; J" K" f4 w: v, j8 r
1.向5V电源网路添加负载。8 C1 w! p; w; N" M5 V/ q! f- R
6 k! e% F* B1 U" G# \6 j
2.在“设备属性”对话框中选择VRM (Linear)选项作为 Device Type 。* {7 ~5 D1 H$ I' F1 L
7 C3 d4 N$ r1 Z8 ?7 }
3.将In 终端的Refdes设置为U3,将Net设置为5V。4 a* _$ g& i$ S, O9 {

/ G2 x% H0 X+ N4.将Out 终端的Refdes设置为U3,将Net设置为VCCO。
& _) u6 O* {9 g$ _! \! A; [
& ^, h( j( G# m0 j( N5.将Ref终端Refdes设置为R14,将Net设置为GND。/ x5 _, c1 n7 o
8 Q/ V7 I# P* S3 g! h* W
6.最后,请将Vout设置为3.3V,然后单击“确定”。
4 P: n# U# w  Q6 ]! ?+ W
: T' P3 b! X/ k' o
: W3 a, P- S8 f: j5 l9 E/ M; a( }$ `) d& @8 ~
用于VCCO电原网路的线性VRM
0 j) n% Q; }/ W/ I1 i6 N% N: K. l' R! i$ @1 U
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。
+ u; X6 D4 q+ N& r) Q" R9 `5 s) h  s/ z+ o7 k6 |
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)。  \% u8 p) R. j- M8 P" R2 c8 `

4 e  E7 t( d3 u3 R. k
) L9 S/ |. C9 R9 j  u" ]+ ]0 @( ]6 F. Y# \' N; @
从VRM创建VCCINT/ `- f/ S/ ~( [0 M1 l2 g
+ N2 n5 k8 `* v5 w* [& z0 m4 i7 M
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。
" [+ s# G+ G7 j" a1 M
( s( z: i7 i2 k% x3 \  N+ @6 S1.将负载U1添加到新的VCCO网路。
6 A" n% c1 Q& b9 z4 \( N& k0 [) w+ d/ F6 m$ h/ Y) O3 }
2.将Load Current设置为0.2A,然后单击OK9 x$ g) @- `' T4 J# y
/ u; o, \" [% c; v4 u
0 t/ S" d* k6 q" Q* x

) r' e" Z& b( U0 y( n向VCCO VRM添加负载
' Q4 h( a2 ^2 c7 R) K& T! ~8 p+ C# a- M8 n
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)。
, h1 Q- _, {5 S: d+ G, s. y- M3 p+ G% s: h; Z6 P  \
/ b7 k9 J9 C! t3 y1 v' a
4 T4 n8 X: V# `2 y8 [
网路块图概览
' B: q: \0 b$ I4 x1 F
, l; y1 n: ^7 A3 x同时进行多网路分析0 o# r$ t8 F2 j! ]) x! j" _
GND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。2 {3 t! X/ n3 g- I$ O. W" j
- p5 u, v7 |6 Z  F2 a& p
" P0 Y  F8 k: f  u+ o

: L' s: p6 G* B第二个电源网路线性VRM8 B& A# V5 S% v+ V) {

, t3 a" S6 I! f1.单击网路模拟设置,PWR_IN。. O4 G6 N1 Z4 d
+ t! K4 B! W& C9 O. p- q: g
2.添加 Linear VRM到5V网路,参数如下。
% u, p; j* x& U- t6 J9 @
) J5 d' w# U6 q% w设置 In 终端Refdes为U4,Net为5V。
( p& _6 ^1 l, S- p4 }1 ^# q3 ]& c# Z- n
设置Out终端Refdes为U4,Net为VCCINT。
7 M! t; M0 W2 f& Y( {5 A* d* O
8 ~+ N: a- l2 H, o将 Ref 终端Refdes为R19,将Net设置为GND。7 T% t$ r7 e/ P3 Z  [# ^0 w% q; r

. f- S, I& k; o" o将Vout设置为1.8V。1 z. z9 c7 U! n; p7 b* r

3 ~& D+ j% C9 c8 V* I3. 完成VRM,单击“确定”。! k; }6 m- U! V! |1 @  Q% m" a7 Z
. d. T2 b5 f' j3 T1 J7 F3 e; p5 p
# Y6 }& g/ r- P# N6 [
6 e& S; m  |: Y& Y/ k
用于VCCINT电源网路的线性VRM
$ p& Z; Y# x% |) v5 ?% U
/ o( m+ y  F9 O3 ~& W4.添加VRM Load 3到新的网路以创建1.8V(VCCINT)电源网路。6 ]2 O. c9 K- q* t
! P+ i' i0 y5 v
( b, s; |6 r/ d$ {: E
: Y: I/ n7 c, w. }* K2 q) H5 B* b
创建VRM的VCCINT
4 v3 X+ o$ \* [/ }. A% l8 |. _# @- H8 A+ T6 @
5.添加Load U1到VCCINT网路。0 b9 }. {4 Z9 ?  S  V% {) Y
4 a- Y  x) a% y) ]" f
6.将Load Current设置为100mA,然后单击OK。
5 q9 b1 _, S% W3 R
# u& [) V9 W* P) u - Q) T5 r5 g, v; H7 F) Q% j

/ A& R  w. J/ k, x' y8 o- D添加一个负载到 VCCINT VRM
$ ~: F# q, x, U1 r8 _, W" [& y+ j/ W# W
7.右键单击网路模拟设置,Unnamed simulation(1),然后选择另存为 Save As。
+ X' }4 j0 s. \9 J+ ^/ `) L! I% c
: v4 T* {% P! o3 X+ D9 D" J5 x 1 Z4 A+ G; Z: z0 O4 k
+ m, M2 G( U; ~5 L1 Z
同时多网路层次结构0 F7 [+ [) y7 s0 _% N

( i3 M% y( G- u1 N8.在项目目录中选择文件夹ConfigFiles_2.0。
* A% |+ |; A; O) X& o6 j
5 {- }0 t4 L5 _# K  h5 u! p% j9.将文件名保存为 Example 2。  U1 `7 _( q3 A
& [+ y2 d1 X7 @) V
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。5 x5 p; Z2 S4 l, R1 g7 P
2 X: _* i" c" }

/ X7 {$ a( G  j* R/ Y- t' F( ^5 R6 g6 q/ |, G4 D9 U
保存配置文件
7 E  }; D9 P$ U6 a$ t7 w& n' e6 ]+ B# v* B5 [- f+ q0 p
10.启动分析。; T) Q# w/ A8 b, V4 u
. C, K2 w# Y; j0 c
PDNA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。& x! ^1 i1 o$ E0 f6 M

" K6 K! s8 q- c9 ~" P1 k( T
- \4 L5 Z" |" x  v8 P
1 w' a/ A  H) _( y& ]+ i" c" x  _可视化同时多网路PDN分析
9 Q( _. u( B" ], Q  U+ [
$ ^/ ~2 G6 \1 n- s$ G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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