Для узких соединительных цепей ( рис. 46) картина сопротивлений выглядит значительно хуже, так как высокий импеданс распространяется не только на саму шину VCC, но и на соседние линии питания, а также на цепи возврата – земляные, в данной ситуации можно дать лишь один совет – кардинально пересмотреть ширину проводников.

Рис. 46. Картина сопротивлений при максимально узких проводниках

Данный компонент моделирования является одним из самых важных в комплексном изучении ЭМС печатной платы, так как с ростом частот электроники резкие всплески имепедансов цепей питания приводят не только к нарушению стабильности работы, но и к росту опасности выхода устройства из строя.

Моделирование падений напряжения в цепях питания (IR Drop)

Данный анализ является самым новым из всех методов моделирования, который были описаны выше. Так, целью данного исследования является проанализировать падения напряжения на линиях питания и заземления по заданному потреблению тока на интерактивных устройствах (I/O). Для того, чтобы реализовать данный вид моделирования требуется обязательное присутствие шины, которая будет определена, как “Power”, также обязательно наличие заземления (GND) и компонента, который будет указан в роли источника напряжения.

Пример такого моделирования будет проведен на достаточно простой схеме (рис.47), на основе которой будет сформирована печатная плата– рис. 48.

33

Рис. 47. Принципиальная схема для исследования IR-Drop

Рис. 48. Исследуемая печатная плата

Для печатной платы было определено правило – ширина проводника шины питания и линии заземления – 1,22 мм, также изгибы на шинах были созданы для моделирования дополнительных потерь на излучение. Для экспорта файлы были сохранены в формате ODB++, после чего был произведен импорт в CST PCB Studio. Алгоритм настройки слоев и линий соответствует процедуре, описанной на рисунках 9, 10. Однако в алгоритме настройки необходимо задать источник напряжения – BT1, с номиналом 5 В, для этого элемент BT1 необходимо указать, как I/O устройство, а в поле модель – Voltage Source (источник напряжения), таким образом итоговая модель будет определена, как на рис. 49.

34

Рис. 49. Настройка источника питания для IR-Drop

Также при отсутствии IBIS модели, следует вручную указать потребление тока исследуемых компонентов, которые подключены к линии питания, как правило, максимальные значения указаны в документации элемента. В данном случае для тестового моделирования выбрано потребление в 250 мА.

В окне настроек моделирования (рис. 50) необходимо выбрать источник питания, после чего в левом окне появится список элементов, которые можно использовать в процессе моделирования, то есть только те микросхемы, которые подключены к шине питания.

Рис. 50. Настройки IR-Drop

Далее можно начать моделирование. Первым показанным результатом будет таблица (рис. 51) падения напряжения на контактах, потребления токов, а также распределения номиналов потерь и рассеивания энергии на дорожках и слоях печатной платы.

35

Рис. 51. Результаты IR-Drop анализа

По полученным данным видно, что падение напряжения на земляном контакте микросхемы составили 0,44 В; ток потребления 0,25 А. Более интересными являются результаты 2D/3D:

1) плотность токов (Current Density) – векторная физическая величина, имеющая смысл силы электрического тока, протекающего через элемент по- Аверхности/м2 единичной площади, единица измерения данного показателя – [1 ]. Для данного параметра очень важно увидеть, где протекает меньший ток, нежели, чем на других участках цепи питания. В данной ситуации минимальные значения плотности тока (рис. 52) наблюдаются в переходных отвер-

стиях на печатной плате (синие точки);

Рис. 52. Картина плотности тока на исследуемой печатной плате

2) потери мощности (Power Loss) – рассеянная мощность, в процессе протекания тока по проводникам, на тепло, потери в диэлектрике и проводнике. Данная величина измеряется в данном случае в [Вт], а результат моделирования для данного примера приведен на рис. 53;

36

Рис. 53. Потери мощности при прохождении тока по проводникам

3) поверхностная плотность тока (Surface Current Density) – векторная величина, равная пределу произведения плотности тока проводимости, протекающего в тонком слое у поверхности, на толщину этого слоя, когда последняя стремится к нулю. Данная величина измеряется в [А/м].

Цель измерения состоит в том, что иногда в электронных устройствах ток течет через очень тонкую пленку металла или тонкий слой металла, имеющий переменную толщину. В таких случаях исследователей и конструкторов интересуют только ширина, а не общее поперечное сечение таких очень тонких проводников. Результат моделирования приведен на рис. 54.

Рис. 54. Поверхностная плотность тока

4) напряжение (Voltage) – показывает напряжение на участках цепи в [В], для данного случая приведена на рис. 55;

37

Рис. 55. Напряжение линии питания и заземления

5) падение напряжения (Voltage Drop) – показывает, насколько упало напряжение [В] на линии питания/заземления, причем стоит учитывать, что на линии VCC падение напряжения менее 1 В, а на земле падение стремится к номиналу источника напряжения (рис. 56).

Рис. 56. Картина падения напряжений на линии питания

Данный анализ является важной частью изучения электромагнитной совместимости печатной платы, так как позволяет найти не только номинальные значения падения напряжений на печатной плате, а также и картины полей, на которых можно обнаружить зоны повышенных потерь для проводников, что может позволить упростить процесс модификации дорожек с целью уменьшения потерь.

38