阻礙電源設(shè)計(jì)成功的因素有哪些?
發(fā)布時(shí)間:2020-08-06 責(zé)任編輯:lina
【導(dǎo)讀】PCB設(shè)計(jì)能“一次成功”已成為電子行業(yè)最強(qiáng)烈的訴求。以電源產(chǎn)品為例,PCB設(shè)計(jì)會(huì)直接影響電源的EMC性能、輸出噪聲、抗干擾能力,甚至是基本功能。更為重要的是,PCB設(shè)計(jì)成功與否直接影響著產(chǎn)品的上市時(shí)間。
PCB設(shè)計(jì)能“一次成功”已成為電子行業(yè)最強(qiáng)烈的訴求。以電源產(chǎn)品為例,PCB設(shè)計(jì)會(huì)直接影響電源的EMC性能、輸出噪聲、抗干擾能力,甚至是基本功能。更為重要的是,PCB設(shè)計(jì)成功與否直接影響著產(chǎn)品的上市時(shí)間。在這個(gè)瞬息萬(wàn)變的時(shí)代,能夠領(lǐng)先競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手一步推出產(chǎn)品,市場(chǎng)反響或?qū)⒊霈F(xiàn)天壤之別。因此,為保證產(chǎn)品上市時(shí)間這一首要任務(wù),很多公司評(píng)估項(xiàng)目的時(shí)候會(huì)有一個(gè)PCB設(shè)計(jì)一板成功率的指標(biāo)。
然而,PCB設(shè)計(jì)一板成功率并不是很高。數(shù)據(jù)顯示,由于PCB設(shè)計(jì)出現(xiàn)問(wèn)題導(dǎo)致項(xiàng)目產(chǎn)生額外費(fèi)用或錯(cuò)過(guò)發(fā)布日期的占比高達(dá)58%。設(shè)計(jì)失敗還將帶來(lái)高昂的成本,據(jù)生命周期洞察研究顯示,每次重新設(shè)計(jì)需要 8.5 天,每次重新設(shè)計(jì)的成本為4.4萬(wàn)美元,每個(gè)項(xiàng)目平均2.9次重新設(shè)計(jì)……
阻礙電源設(shè)計(jì)進(jìn)化的幾大痛點(diǎn)
隨著行業(yè)應(yīng)用日趨廣泛多元,電源產(chǎn)品也不斷向高頻、高效、高密度化、低壓、大電流化和多元化方向發(fā)展。同時(shí),電源產(chǎn)品的封裝結(jié)構(gòu)、外形尺寸也日趨標(biāo)準(zhǔn)化,以適應(yīng)全球一體化市場(chǎng)的要求。在此趨勢(shì)下,電源產(chǎn)品的PCB設(shè)計(jì)面臨著更大的挑戰(zhàn),主要包括電源轉(zhuǎn)換效率、熱分析、電源平面完整性和EMI(電磁干擾)等。
首先是電源轉(zhuǎn)換效率。轉(zhuǎn)換效率是指電源的輸出功率與實(shí)際消耗的輸入功率之比,在實(shí)際應(yīng)用中,電能不能完全轉(zhuǎn)化,中間會(huì)有一定的能量消耗,所以,無(wú)論哪種電路,在電源轉(zhuǎn)換中必然存在效率問(wèn)題。對(duì)于線性電源,需要考慮LDO的散熱問(wèn)題;對(duì)于開(kāi)關(guān)電源,要考慮開(kāi)關(guān)管的損耗問(wèn)題。
其次,有能量損耗就必然會(huì)產(chǎn)生熱量,這就涉及到散熱的問(wèn)題。除此之外,隨著負(fù)載變重,促使電源芯片的功耗加大,所以,在電源設(shè)計(jì)中熱分布是個(gè)不得不考慮的問(wèn)題。
再者是電源平面完整性設(shè)計(jì)。保持電源的完整性,就是保持電源的穩(wěn)定供電。在實(shí)際系統(tǒng)中,總是存在不同頻率的噪聲。比如PWM的固有頻率或PFM可變頻率控制信號(hào),快速的di/dt會(huì)產(chǎn)生電流波動(dòng)的信號(hào),所以一個(gè)低阻抗的電源平面設(shè)計(jì)是必要的。
最后是EMI(電磁干擾)問(wèn)題。開(kāi)關(guān)電源在不斷的開(kāi)和關(guān)就會(huì)產(chǎn)生開(kāi)關(guān)噪聲,如果在設(shè)計(jì)過(guò)程中沒(méi)有考慮回路電感問(wèn)題,過(guò)大的回流路徑會(huì)產(chǎn)生EMI問(wèn)題。
業(yè)界一直尋求能提高電源PCB設(shè)計(jì)成功率的方法。經(jīng)驗(yàn)表明,在設(shè)計(jì)過(guò)程中,如果能提前預(yù)知可能的風(fēng)險(xiǎn)并規(guī)避,成功率將會(huì)大幅度提高。由此,選擇一款合適的設(shè)計(jì)仿真工具就顯得尤為重要。
簡(jiǎn)單易用的設(shè)計(jì)和仿真工具
PADS Professional就是一款很適用于電源PCB設(shè)計(jì)的工具。PADS系列工具的特點(diǎn)是簡(jiǎn)單易用,上手快,設(shè)計(jì)靈活,用戶的自由度非常高。而PADS Professional是PADS家族最高階的套裝,適合需要處理一切的工程師。PADS Professional相比PADS軟件在設(shè)計(jì)和管理方面有更大的優(yōu)勢(shì),在電子產(chǎn)品日益復(fù)雜和大型企業(yè)對(duì)于管理規(guī)范的要求日趨嚴(yán)格的環(huán)境下,PADS Professional擁有更加廣闊的應(yīng)用空間。
與競(jìng)品相比,PADS Professional 功能強(qiáng)大,而且易學(xué)易用,價(jià)格還很實(shí)惠,它能為經(jīng)驗(yàn)豐富的用戶提供所需的全部功能。此外,它的直觀易用特點(diǎn)使得業(yè)余用戶也可以利用它來(lái)提高生產(chǎn)率。
Hyperlynx系列仿真工具包括HyperLynx SI/PI、HyperLynx DRC等軟件,可以分別完成信號(hào)完整性、電源完整性、DRC檢查,以及熱仿真和模擬仿真等不同的仿真需求。該系列工具特點(diǎn)是運(yùn)行速度快,使用簡(jiǎn)單。
而Xpedition是一個(gè)企業(yè)級(jí)解決方案,具有完整的設(shè)計(jì)流程,包括元器件庫(kù)設(shè)計(jì)與管理、原理圖設(shè)計(jì)、PCB設(shè)計(jì)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)的處理、SI/PI仿真、EMC/EMI分析、熱分析及數(shù)?;旌戏抡娴取Ec同類(lèi)產(chǎn)品相比,強(qiáng)大的流程管理和數(shù)據(jù)管理、并行設(shè)計(jì),協(xié)同設(shè)計(jì),集成式驗(yàn)證等優(yōu)勢(shì)是Xpedition獨(dú)有的標(biāo)簽。
具體來(lái)看,PADS Professional使用Xpedition技術(shù),提供了無(wú)可比擬的性能及超值的價(jià)格,另外通過(guò)搭載HyperLynx套件,提供信號(hào)/電源完整性和熱分析和驗(yàn)證設(shè)計(jì),滿足PCB硬件工程師在電路板設(shè)計(jì)流程的任何需求。
PADS Professional和HyperLynx軟件的有效結(jié)合,可以幫助PCB工程師有效地分析、解決并驗(yàn)證關(guān)鍵的要求,以避免代價(jià)高昂的返工,將產(chǎn)品更快地推向市場(chǎng),并降低成本。
一體化解決方案對(duì)癥電源設(shè)計(jì)難題
按照傳統(tǒng)電源設(shè)計(jì)流程,在完成每一個(gè)環(huán)節(jié)后都需要工程師單獨(dú)進(jìn)行評(píng)審,確認(rèn)無(wú)誤后再進(jìn)入下一環(huán)節(jié)。具體來(lái)說(shuō),電源設(shè)計(jì)首先要完成電路圖的理論和功能性仿真驗(yàn)證,再進(jìn)行原理圖繪制,然后再進(jìn)行信號(hào)完整性等分析,接下來(lái),由版圖設(shè)計(jì)工程師完成layout設(shè)計(jì),之后給到EMI工程師去進(jìn)行電磁干擾性驗(yàn)證。整個(gè)流程高度依賴于人工檢查,耗時(shí)比較長(zhǎng)。
隨著電子設(shè)計(jì)要求的提高,電路變得更復(fù)雜,上市時(shí)間更緊迫,傳統(tǒng)的流程已經(jīng)不能滿足市場(chǎng)需求。業(yè)內(nèi)開(kāi)始逐漸意識(shí)到,電源設(shè)計(jì)不再是只靠一兩個(gè)工程師的“單打獨(dú)斗”而是需要多個(gè)部門(mén)進(jìn)行“聯(lián)合作戰(zhàn)”。
基于此,電源設(shè)計(jì)一體化解決方案可謂應(yīng)運(yùn)而生。該方案緊密結(jié)合了PADS Professional、HyperLynx、Xpedition AMS等套件,有效組合成集成驗(yàn)證平臺(tái),幫助工程師一體化完成從最初的電源設(shè)計(jì)、仿真驗(yàn)證到最終的結(jié)果輸出,極大優(yōu)化了流程。整個(gè)方案會(huì)帶來(lái)多重好處,其中就包括縮短上市時(shí)間,提高穩(wěn)定性,減少設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)和降低成本。
這樣的解決方案無(wú)疑對(duì)行業(yè)是一大利好,而帶來(lái)此種方案的正是著名EDA廠商Mentor公司。據(jù)了解,Mentor公司把需要用到的工具按照電源設(shè)計(jì)的需求做了專門(mén)的參數(shù)優(yōu)化,使用6個(gè)工具(PADS Professional & Xpedition AMS、HyperLynx SI/PI、HyperLynx DRC、HyperLynxThermal)組成一個(gè)完整的解決方案,工程師直接上手使用就可以。
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