צריך צוות שלם כדי להבטיח את שלמות מתח האספקה

בראד ברים, Cadence Design Systems

צריך צוות שלם כדי להבטיח את שלמות מתח האספקה (Power integrity) של המעגלים המודפסים. ריבוי אנשים בצוות התכנון יתרום לאבטחת שלמות מתח האספקה במעגל המודפס, עם התקדמות התכנון משלב הילדות, הרעיון הראשון, עד שלב הבגרות, המוצר המוגמר.

זו עובדה: ככל שהצוות יהיה יעיל יותר, שלמות מתח האספקה (PI) של מעגלים מודפסים (PCB) תושג מהר יותר. בצד הלוגי (front end) יוצב מהנדס תכנון חשמל שיהיה אחראי על תכנון שרטוט המעגל, ובצד הפיסי (back end) יוצב עורך מעגלים שיהיה אחראי על המימוש הפיסי. מהנדס ספקים, בדרך כלל, יהיה האחראי על השלמות הכוללת של מתח האספקה במעגל מודפס, וישתתף בשלב מוקדם כדי להנחות את אנשי הצוות האחרים.
במאמר זה, נסקור את גישות הניתוח הקיימות כיום לקבלת שלמות מתח אספקה במעגל מודפס. לאחר מכן, נציג גישה מבוססת צוות, לקבלת שלמות מתח אספקה במעגל מודפס, ובה נציג דיון בנושא ההשפעה שיש לגישה כזו על האנשים היחידים בצוות, ונתאר באופן כללי, את הגישה לאבטחת שלמות מתח אספקה במעגל מודפס.

ניתוח שלמות מתח אספקה – המצב כיום
שני פנים נבדלים יש לשלמות מתח האספקה למעגלים מודפסים: מתח ישר ומתח חילופין. עם שלמות מתח אספקה במתח ישר אנו מבטיחים (1) שמתח ישר מתאים יועבר לכל ההתקנים הפעילים המותקנים על המעגל המודפס (לעתים בעזרת ניתוח שינויים מפל המתח
(IR drop) ,(2) שמוליכי השכבות יעמדו באילוצים של צפיפות הזרם ובאילוצים של הזרם הכולל בחורי מעבר (VIAS), ואחרון, (3) שחומרי מתכת וחומרי מצע (substrate) יעמדו במגבלות הטמפרטורה. שלמות מתח אספקה במתח חילופין דואגת להעברת זרם חילופין להתקנים שמותקנים, על מנת לתמוך בפעילות המיתוג שלהם, תוך כדי אבטחת העמידה באילוצים של רמות מתח רעש בתופעות מעבר ברשת חלוקת המתחים (PDN). שולי הרעש ברשת חלוקת המתחים (השינוי מהמתח הנומינלי) הם הסיכום של מפל המתח במתח ישר והרעש במתח חילופין.
שלמות מתח אספקה במתח ישר נשלט על ידי התנגדות המתכות והזרם שנמשך מרשת חלוקת המתחים, על ידי כל אחד מההתקנים המותקנים. במשך שנים רבות, יושמו מודלים של רשתות התנגדות, לצורך ניתוח מקורב של שלמות מתח האספקה הישר. לאחרונה, עם הגידולים המשמעותיים שחלו במהירויות המחשבים ובנפח הזיכרון הנגיש, התרבו היישומים של טכניקות לניתוח נומרי ומפורט מונע-תכנון, עבור שלמות מתח אספקה ישר. הערכות מקורבות מתקיימות פחות, הדיוק גבוה יותר ואוטומציה בניתוחים של התכנון כולו ושל התוצאות שלאחר העיבוד, הפכו לזמינות באופן מסחרי. למעשה, הביצוע של ניתוח שלמות מתח אספקה ישר בתכנונים של מעגלים מודפסים הפך להיות “אישור סופי” עבור יצרני ציוד מקור (OEM) רבים.
מאחר והמוליכות של מתכות תלויה בטמפרטורה, שיטת מפלי המתח הישר היא ניתוח לא-ליניארי. מקרים לדוגמה של תכנון בהספק גבוה מראים שתוצאות מפלי מתח משתנות ביותר מ-20%, כאשר לוקחים בחשבון את השפעות הטמפרטורה. באיור 1 נעשה מימוש של פתרון. ראשית, נערך ניתוח חשמלי ליניארי בטמפרטורת הסביבה והפסדי ההספק שהתקבלו, יושמו, כדי ליצור ניתוח תרמי ליניארי. לאחר מכן, נערך ניתוח חשמלי ליניארי נוסף, כאשר המוליכות המקומית תלויית הטמפרטורה נלקחה בחשבון. התהליך התכנס לאחר כמה איטרציות (חזרות). התוצאה שהתקבלה היא, אפיון מדויק של נפילת המתח במעגל המודפס, שמבטיחה ששולי הרעש ברשת חלוקת המתחים לא יתאפסו.
שלמות מתח חילופין נשלטת על ידי מודולים של מייצבי המתח, השראויות לולאה, קבלי צימוד (Decoupling Capacitors), וקיבול השכבה. ההשפעות של שלמות מתח חילופין נוטות להיות כוללניות באופיין, בגלל תהודה בשכבות, צימוד בין השכבות סמוכות ושכבות ייחוס משותפות. מתוך כך, מתחייב לערוך ניתוח של המעגל כולו לא כולל האלגוריתמים של ניתוח משאבים-מעמיק יותר. הניתוח הישים השכיח ביותר של שלמות מתח חילופין במעגלים מודפסים הוא מעין “ניתוח כלאיים” של ניתוח תיאורית המעגל החשמלי וניתוח אלקטרו מגנטי (EM). אפשר למצוא ניתוח מסוג זה במישור התדר, על מנת להפיק פרמטרי S, או במישור הזמן, על מנת לחולל באופן ישיר צורות גל של תופעות מעבר. את ההתנהגות של רשת חלוקת המתחים של המעגלים המודפסים, אפילו הגדולים ביותר והמורכבים ביותר, אפשר לאפיין במדויק בין זרם ישר לג’יגה הרץ מרובים, תוך עשרות דקות, בעזרת שימוש בכמה ג’יגה ביית בודדים של זיכרון עד לזיכרון בגודל כמה עשרות ג’יגה ביית מועטות.
על אף שניתוח תופעות מעבר ביחס לשלמות מתח האספקה יכול אולי להיראות מושך, מפני שהוא מניב באופן ישר צורות גל של רעש, משתמשים בו באופן פחות שכיח מאשר בניתוח עכבות (אימפדאנס) במישור התדר. פרופילים של “עכבת המטרה” מיושמים כאילוצים לשלמות מתח אספקה. עכבה נמוכה מיוחסת לרעש נמוך של תופעת מעבר. בהיעדר מפרט טכני ישיר מהספק, אפשר להעריך עכבת מטרה סבירה בהתבסס על מפרטים טכניים של ההתקן עבור אדוות מתח (ripple) וזרם מיתוג בתחום החילופין. איור 2 מציג השוואה של התוצאות ממישור התדר לאלו של מישור הזמן. רעש Peak to Peak ברשת חלוקת המתחים מופחת ב-12% בתכנון שעבר אופטימיזציה, ועלות הרכיבים והייצור הכרוכה במימוש קבלי צימוד מוקטנת ב-21%.
גישת הצוות לשלמות מתח האספקה
בעבר, התרומות לשלמות מתח האספקה ישר ושלמות מתח אספקה חילופין התמקדו בגישות ניתוחיות עבור מומחים בשלמות מתח אספקה. בחירות בקבלי צימוד לפני תכנון עריכת המעגל וניתוחים ראשוניים של מפלי מתח מבוצעים, בדרך כלל, על ידי מומחים אלו. פירוש הדבר: השקעת זמן משמעותי בצד התכנון הלוגי עבור מומחה שמתמקד בצד הפיסי. גישה לשלמות מתח האספקה, שתהיה מבוססת יותר על צוות שפועל בשיתוף פעולה, תוכל לתרום לכל הנוגעים בדבר. המצב האידיאלי, אם הייתה לנו גישה שבה אפשר להגדיר ניתוחים פשוטים שמניבים תוצאות עם פעולות מתאימות לביצוע, שיבוצעו על ידי חברי צוות אחרים בצוות של שלמות מתח האספקה. צוות כזה, שדואג לשלמות מתח אספקה במעגל מודפס, יכלול שלושה חברי צוות עיקריים: מהנדס תכנון, עורך מעגלים ומומחה לניתוח שלמות מתח אספקה, כפי שאפשר לראות באיור 3.
שלמות מתח אספקה לפי Allegro Sigrity של Cadence מדגימה את העקרונות של גישה כזו, שהיא מבוססת צוות. גישת צוות תאפשר למהנדסי תכנון ולעורכי מעגלים, לתרום את חלקם למען השגת שלמות מתח אספקה במעגל מודפס, בשלב מוקדם יותר ובאופן יעיל יותר. מהנדסי תכנון מעגלים מודפסים אחראיים על משימות בצד הלוגי, הם חייבים להפיק רשימת רכיבים (BOM) כדי לאפשר חקירת יכולת הקיום מבחינת עלויות ולהבטיח את כוונת התכנון החשמלי על ידי הפקת שרטוטי מעגלים. מהנדסי תכנון עובדים באופן שאינו תלוי בבעיות שלמות מתח אספקה ישר, אך על מנת לתמוך בשלמות מתח אספקה חילופין, הם חייבים להוסיף קבלי צימוד ולכלול אותם ברשימת הרכיבים ובשרטוטים. יש יצרני התקנים שמספקים הנחיה בדפי נתונים לבחירת קבלי צימוד (סוג ו/או כמות), אך רבים אינם עושים זאת. ואולם, גם עם הנחיה בדפי נתונים, מהנדסי תכנון ימצאו שהתהליך הכרוך באיסוף המפרט הטכני עבור כל התקן והתקן, כאשר עליהם לציין מופעים (instance) עבור כל הרכיבים הייחודיים, לוודא שהם מופיעים בצורה לוגית בשרטוטים, וכיו”ב, הוא תהליך טרחני למדי. לא קיים מנגנון עבור הנחיה להצבה פיסית שאפשר להעביר אותו ליישום בעריכה.
שיטות תכנון מבוססות אילוצים מספקות ממשק אחיד עבור מידע לגבי כוונת התכנון ומאפשרות להפוך לאוטומטי טווח רחב של משימות על פני זרימת התכנון מהשרטוט לעריכה. קבוצות האילוץ (החשמלי) של שלמות מתח האספקה (PI Csets), נוספו כדי לחסוך מידע בנוגע לשלמות מתח האספקה בכל רמות הרכיבים. מהנדסי תכנון רשאים להשתמש בקבוצות PI Cset להגדרה מהירה ומלאה של כוונת התכנון של שלמות מתח האספקה עבור כל הרכיבים המותקנים. קבוצות PI Cset הופכות לאוטומטי גם את ציון המופעים ואת הכללתם ברשימת הרכיבים.
דוגמה לקבוצת PI Cset מוצגת באיור 4. קבוצות PI Cset מכילות מידע לגבי כל קו אספקת מתח, כגון שמות רכיבים המשמשים לביטול צימוד, כמויות של כל אחד מהרכיבים, סוג המארז והנחיה בנוגע להצבה הפיסית שלהם.
יצירת חוקי PI Cset נעשית באופן אוטומטי על ידי העורך Power Feasibility Editor
(). העורך מספק מנגנון כדי להיכנס לבחירה של רכיב ביטול צימוד בגיליון הנתונים ולהנחיה לגבי ההצבה הפיסית. את העורך PFE אפשר לראות באיור 5. בנוסף להנחיית ההצבה, קבוצת PI Cset מעבירה לעורך המעגלים את שיוך הרכיב ושיוך קו אספקת המתח עבור רכיבי ביטול צימוד, כדי לאפשר הצבה אמינה יותר.
העורך PFE מספק גם גישה לניתוח מקורב ומפורט של המצב לפני תכנון הנחת הרכיבים, לצורך בחירה של רכיבי ביטול צימוד והצבתם. מפרטים ברמה גבוהה נקבעו כדי ליצור פרופילי עכבת מטרה באותם מקרים שאלו לא סופקו על ידי היצרנים. לבחירה אינטראקטיבית של רכיבים לביטול צימוד אפשר להשתמש בניתוח מקורב של שלמות מתח האספקה, שנקרא “בנקודה יחידה” (single point). קבוצות PI Cset נוצרות בלחיצת לחצן בעורך PFE.
בניגוד למהנדסי תכנון, עורכי מעגלים יעסקו בנושאים של שלמות מתח האספקה הישר. לעורכי מעגלים יש שליטה על צורות של המשטחים ומוליכים ועל חורי המעבר, ואלו, שולטים בהתנהגויות של שלמות מתח האספקה דרך מפלי מתח ישר והעברת הזרם. עורכי מעגלים יכולים להבין באופן אינטואיטיבי את תוצאות הניתוח של השפעות אלו על שלמות מתח האספקה הישר ולפעול לפי הבנה זו. הניתוח של מתח ישר אמנם מהיר, אך אינו מתבצע בזמן אמת, כדי לאפשר עדכון דינמי של תוצאות הניתוח תוך כדי ביצוע עדכונים של תכנון הנחת הרכיבים.
איור 6 מציג מסך מפוצל שמראה בחלק האחד תצוגה קבועה של תוצאות הניתוח, בזמן שבחלק האחר עורכי המעגלים מבצעים עדכונים דינמיים של תכנון הנחת הרכיבים, כדי לענות על בעיות אילוצים במפלי מתח או בזרם. שני חלקי התצוגה מסונכרנים ביניהם לצורך ביצוע פעולות שמשפיעות על התצוגה, כגון שינויי שכבה, שינוי מרחק מהתצוגה והטיה. עורכי המעגלים יכולים להשתמש בתצוגת המסך המפוצל של תוצאות ניתוח המתח הישר, כאשר הם יוצרים תכנון ראשוני של הנחת רכיבים לפני מעורבותו של המומחה לניתוח שלמות מתח האספקה. הם יכולים גם לנצל את התוצאות המפורטות של הניתוח המתבצע בנפרד על ידי מומחי ניתוח שלמות מתח האספקה, כשיטה יעילה יותר להעברת מידע, כאשר בתכנון קיימות בעיות של שלמות מתח האספקה. למעשה, עורך מעגלים יכול להפעיל את הניתוח המפורט שמבוצע על ידי מומחה לשלמות מתח אספקה, על מנת לאמת מהר יותר ביצועים משופרים של שלמות מתח אספקה.
לעורכי מעגלים יש השפעה רבה על ההצלחה של תכנון שלמות מתח האספקה הנגזרת מאופן ההצבה של רכיבי ביטול צימוד. קבלי צימוד שיהיו מוצבים בקרבת התקן, בדרך כלל, יועילו לשלמות מתח האספקה, אבל הם גם יגבילו את ערוצי ניתוב המוליכים בגלל חורי המעבר שבהם יותקנו. רכיבי ביטול צימוד המותקנים רחוק מדי מההתקן לא יהיו יעילים ביחס לאספקת זרמי מיתוג להתקן וישפיעו באופן שלילי על שלמות מתח האספקה. שיטות תכנון קיימות לא יספקו, לרוב, הנחיה לגבי הצבת רכיבי ביטול צימוד לרבות מידע פשוט, כמו איזה התקן משויך לקבל ביטול צימוד. קבוצות PI Cset מאפשרות לעורכי המעגלים להציב באופן יעיל יותר את רכיבי ביטול הצימוד, על ידי העברה של כוונת התכנון. ההתקן וקו אספקת המתח המשויכים והנחית ההצבה, כולם מוגדרים בקבוצת PI Cset.
לתמיכה בעורכי מעגלים, קיים מצב הצבת רכיבי ביטול צימוד כפי שנראה באיור 7. כל שנדרש הוא לבחור ברכיב מותקן, לבחור קו אספקת מתח ולעבור דרך תהליך הצבה “הצבע ולחץ”. ההתקן שנבחר יודגש, ויופיעו שלוש תצוגות אופציונליות להנחיית הצבה חזותית: המרחק בין ההתקן לרכיב ביטול הצימוד עבור השכבה העליונה, המרחק בין ההתקן לרכיב ביטול הצימוד עבור השכבה התחתונה, ורדיוס הפעולה היעיל של רכיב ביטול הצימוד. שתי האפשרויות הראשונות מוגדרות בקבוצת PI Cset, והרעיון שמאחוריהם ידוע. הרדיוס היעיל של רכיב ביטול הצימוד הוא המרחק המרבי שבו רכיב ביטול הצימוד יהיה היעיל ביותר. מרחק זה הוא פונקציה של התכונות הפרזיטיות הנגזרות מאיסוף השכבות השונות, מהתקנת רכיב ביטול הצימוד, וכן מערך הרכיב והתכונות הפרזיטיות הפנימיות שלו. המרחק מחושב באופן דינמי בזמן שמתקיימת תנועה של הסמן הנגרמת מפני שעל שכבות המתח והארקה המשויכות קיימות צורות מתכתיות מקומיות.
על מנת להקל על פעולת ההגדרה של הניתוח המפורט של שלמות מתח האספקה, מומחי ניתוח שלמות מתח האספקה יכולים לגשת אל המידע לגבי ההגדרה של כוונת התכנון וניתוחו, כפי שהוגדר על ידי מהנדסי התכנון ועורכי המעגלים. קבוצות Pi Cset משמשות כמנגנון נוח להעברת מידע בנוגע להנחית הצבה מעודכנת או לגבי דרישות לעדכון ביחס לבחירת רכיב ביטול צימוד (מבחינת סוג או כמות) עבור מופע מסוים של ההתקן או עבור כל ההתקנים שלגביהם קבוצת PI Cset ישימה. שינויים בקבוצות PI Cset מעבירים גם מידע חוזר אל מהנדס התכנון ומאפשרים עדכון אוטומטי של השרטוט ושל רשימת החומרים.

סיכום
כלי ניתוח שקיימים כיום לצורך שלמות מתח האספקה במעגלים מודפסים ממשיכים לשרת היטב את קהיליית התכנון. הם יעילים יותר כאשר משלבים אותם בגישה מבוססת אילוצים “מהשרטוט לעריכה”. כל חבר בצוות יכול להשיג באופן יעיל יותר את המשימות האישיות שלו, ולהעביר מידע ביחס לכוונת התכנון אל העמיתים, על מנת לקבל יעילות רבה יותר של רצף התכנון הכולל של המעגל המודפס. כאשר תוצאות הניתוח בעלות השפעה רבה ביותר, הגישה מספקת דרך שניתן לפעול לפיהן. שיטה זו גם משפרת את המידע להגדרת הניתוח שהוגדר קודם לכן, עבור מהנדס ספקים, והיא מקלה על העברת המידע ביחס לשינויי העריכה לשרטוט.

למידע נוסף בקרו באתר החברה