سلامة الطاقة في PCB: تحليل DC PI لشبكة PDN على STM32MP215F-DK (MB2059) بمحللَي طاقة
KiPI وFYPA محللان مفتوحا المصدر لسلامة الطاقة، وكلاهما ممتاز. يركّز KiPI، الذي يتولى صيانته Drew Maatman (github.com/drewsum/KiPI)، على KiCad ويقرأ أيضًا ملفات ODB++، لذا أصبح الأساس لتصحيح أخطاء مسار Tomachie إلى هذه الأدوات والتحقق منه. ويركّز FYPA، الذي يتولى صيانته anarthrous-eda (github.com/anarthrous-eda/FYPA)، على Altium.
استخدمنا لوحة MB2059 من STMicroelectronics لأنها تتوفر بملف Altium .PcbDoc وبمخرجات ODB++ معًا. أدخلنا ODB++ إلى KiPI مع ملف pdn.json من Tomachie، واستخدم FYPA ملف .PcbDoc مع ملف pdn.json نفسه من Tomachie.
لم يكن الهدف من هذا العمل تحديد أيّ الأداتين أفضل، بل الحصول على تحقق والعثور على أخطاء في الأداتين وفي Tomachie أيضًا. والنتيجة أننا ساهمنا بإصلاحات في المشروعين الأصليين: ستة طلبات سحب مدمجة في KiPI وطلب واحد في FYPA، ونشارك النتائج هنا. ورغم استخدام خوارزميات حل مختلفة وبيانات PCB مختلفة (ODB++ و.PcbDoc)، أصبحت الأداتان الآن تتفقان ضمن 0.2 mV على كل خط.
قرأ Tomachie المخطط الكهربائي للوحة MB2059 وأوراق البيانات، وكتب ملف شجرة طاقة واحدًا: كل خط، ومنظِّمه، وتفاوت خرج المنظِّم، وأطراف كل حمل وتياره الأقصى، وأدنى جهد تغذية تسمح به ورقة بيانات كل حمل. ثم حلّ KiPI وFYPA الملف نفسه على نحاس اللوحة ذاتها.
أسوأ الحالات في كل شيء: كل منظِّم عند الطرف الأدنى لنطاق خرجه في ورقة البيانات، وكل حمل عند تياره الأقصى، ومدخل USB عند حده الأدنى. والسؤال لكل خط هو هل يبقى الجهد عند أطراف الحمل فوق الحد الأدنى في ورقة بياناته.
التقرير الكامل للوحة STM32MP215F-DK (MB2059)
نتائج DC PI خطًا خطًا
| الخط | الاسمي (V) | الطرف الأدنى للمنظِّم (V) | الحمل الأشد حرجًا | الحد الأدنى للحمل (V) | KiPI (V) | FYPA (V) | KiPI − FYPA (mV) | الهامش (mV) | النتيجة |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| VDDCORE | 0.82 | 0.8077 | U7 STM32MP215 | 0.792 | 0.8034 | 0.8034 | 0.0 | +11.4 | PASS |
| VDDCPU | 0.80 | 0.7880 | U7 STM32MP215 | 0.768 | 0.7861 | 0.7861 | 0.0 | +18.1 | PASS |
| VDD2_DDR | 1.10 | 1.0835 | U7 STM32MP215 | 1.060 | 1.0793 | 1.0795 | −0.2 | +19.3 | PASS |
| VDD1_DDR | 1.80 | 1.7280 | U8 LPDDR4 | 1.700 | 1.7273 | 1.7271 | +0.2 | +27.1 | PASS |
| VDDA1V8 | 1.80 | 1.7280 | U7 STM32MP215 | 1.710 | 1.7262 | 1.7260 | +0.2 | +16.0 | PASS FYPA: هامش منخفض |
| VDDA1V8_AON | 1.80 | 1.7280 | U7 STM32MP215 | 1.710 | 1.7272 | 1.7271 | +0.1 | +17.1 | PASS FYPA: هامش منخفض |
| VDDIO | 3.30 | 3.2300 | U7 STM32MP215 | 2.700 | 3.2282 | 3.2281 | +0.1 | +528.1 | PASS |
| 3V3 | 3.30 | 3.1530 | U15 LAN8742A | 3.000 | 3.1043 | 3.1042 | +0.1 | +104.2 | PASS |
الهامش = الأدنى بين الجهدين المحسوبين مطروحًا منه الحد الأدنى في ورقة بيانات الحمل. يضع FYPA علامة على الحمل الذي يقل هامشه عن 1 % من القيمة الاسمية للخط (إعداده الافتراضي)؛ ويعرض KiPI الجهد والهامش دون نطاق تحذير.
الحدود الدنيا للأحمال: STM32MP215 الجدول 17 ص. 87؛ Micron MT53E LPDDR4 VDD1 / VDD2؛ LAN8742A التشغيل عند 3.3 V. نطاقات المنظِّمات: دقة خرج STPMIC2 (±1.5 % لمحولات buck، ±4 % LDO1، ±2 % LDO2 / 5 / 6)، وST1S31 للخط 3V3.
ما يُظهره الجدول
يتطابق محللا الطاقة ضمن 0.2 mV على كل خط. لا يتشاركان أي شيفرة حل؛ يأتي التطابق من أن كليهما يقرأ شجرة الطاقة نفسها والنحاس نفسه.
يستهلك تفاوت المنظِّم معظم كل هامش، لا النحاس. منظِّم LDO بجهد 1.8 V محدد بتفاوت ±4 %، لذا فإن طرفه الأدنى (1.728 V) لا يزيد إلا 18 mV عن الحد الأدنى 1.71 V لـ STM32MP215 قبل احتساب أي نحاس. يأخذ نحاس اللوحة نحو 2 mV من ذلك (منها 0.5 mV في مسار العودة عبر الأرضي) ويبقى 16–17 mV: تحت خط 1 % في FYPA، وهو تنبيه صحيح بشأن اختيار المنظِّم. لدى VDDCORE أصغر هامش بالمللي فولت (11.4 mV) وهو ينجح في كليهما، لأن ذلك يساوي 1.4 % من 0.82 V.
أكبر هبوط في نحاس اللوحة يقع على 3V3: تسحب شريحة Ethernet PHY من نوع LAN8742A تيارًا قدره 139 mA عند أسوأ نقطة تشغيل (10BASE-T مع حركة بيانات، تيار الإرسال عبر محوّل Ethernet، ورقة البيانات الجدول 5-5 ص. 105)، يمر منها 93 mA عبر الفريت L4 إلى أطراف التغذية التناظرية. يهبط هذا المسار 48 mV ويترك 3.104 V عند U15 مقابل حد أدنى 3.0 V. كل حمل على 3V3 يحمل تيارًا من ورقة البيانات: 213.6 mA إجمالًا.
DC PI أولًا، ثم AC PI
هذا هو DC PI: هبوط الجهد عند تيار أسوأ الحالات، وهو ما يجب أن يجتازه كل خط أولًا. أما AC PI فيدرس معاوقة PDN عبر الترددات مقارنةً بمعاوقة مستهدفة، لقفزات الحمل ومكثفات الفصل. ويستطيع KiPI أيضًا إجراء مسح لمعاوقة PDN؛ وتحليل AC PI لهذه اللوحة هو الخطوة التالية.
التقارير
- تقرير KiPI، التيار الأقصى · 36 MB، ملف HTML مستقل
- تقرير KiPI، التيار النموذجي · 36 MB
- تقرير FYPA، التيار الأقصى · 1.7 MB
- تقرير FYPA، التيار النموذجي · 1.7 MB
- التقارير الأربعة كلها · zip، 32 MB
KiPI، الذي يتولى صيانته Drew Maatman: محلل سلامة الطاقة مفتوح المصدر لـ KiCad
FYPA، الذي يتولى صيانته anarthrous-eda: أداة سلامة الطاقة المستمرة مفتوحة المصدر لـ Altium