Integridad de potencia de PCB: DC PI de la PDN del STM32MP215F-DK (MB2059) con dos analizadores de potencia
KiPI y FYPA son dos analizadores de integridad de potencia de código abierto, y ambos son muy buenos. KiPI, mantenido por Drew Maatman (github.com/drewsum/KiPI), está orientado a KiCad y también lee ODB++, por lo que se convirtió en la base para depurar y validar el flujo de Tomachie hacia estas herramientas. FYPA, mantenido por anarthrous-eda (github.com/anarthrous-eda/FYPA), está orientado a Altium.
Usamos la PCB MB2059 de STMicroelectronics porque incluye tanto un .PcbDoc de Altium como una salida ODB++. Introdujimos el ODB++ en KiPI con el pdn.json de Tomachie, y FYPA usó el .PcbDoc con el mismo pdn.json de Tomachie.
El propósito del ejercicio no era determinar si una es mejor que la otra, sino obtener validación y encontrar errores en las dos herramientas y también en Tomachie. Como resultado, contribuimos correcciones upstream a ambas: seis pull requests fusionadas en KiPI y una en FYPA, y compartimos aquí los resultados. Pese a usar solvers distintos y datos de PCB distintos (ODB++ y .PcbDoc), ahora ambas coinciden con una diferencia de 0,2 mV como máximo en cada raíl.
Tomachie leyó el esquemático de la MB2059 y sus hojas de datos y escribió un único archivo de árbol de alimentación: cada raíl, su regulador, la tolerancia de salida del regulador, los pines y la corriente máxima de cada carga, y la tensión de alimentación mínima que permite la hoja de datos de cada carga. Después, KiPI y FYPA resolvieron ese mismo archivo sobre el cobre de la propia placa.
Caso más desfavorable en todo momento: cada regulador en el extremo inferior de su banda de salida según la hoja de datos, cada carga a su corriente máxima y la entrada USB en su mínimo. La pregunta en cada raíl es si la tensión en los pines de la carga se mantiene por encima del mínimo de su hoja de datos.
Informe completo del STM32MP215F-DK (MB2059)
Resultados de DC PI, raíl por raíl
| Raíl | Nominal (V) | Mínimo del regulador (V) | Carga crítica | Mínimo de la carga (V) | KiPI (V) | FYPA (V) | KiPI − FYPA (mV) | Margen (mV) | Resultado |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 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: margen bajo |
| VDDA1V8_AON | 1.80 | 1.7280 | U7 STM32MP215 | 1.710 | 1.7272 | 1.7271 | +0.1 | +17.1 | PASS FYPA: margen bajo |
| 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 |
Margen = la menor de las dos tensiones calculadas menos el mínimo de la hoja de datos de la carga. FYPA marca una carga cuyo margen es inferior al 1 % del valor nominal del raíl (su valor por defecto); KiPI informa de la tensión y del margen sin banda de aviso.
Mínimos de las cargas: STM32MP215 tabla 17 p. 87; Micron MT53E LPDDR4 VDD1 / VDD2; LAN8742A funcionamiento a 3,3 V. Bandas de los reguladores: precisión de salida del STPMIC2 (±1,5 % buck, ±4 % LDO1, ±2 % LDO2 / 5 / 6), ST1S31 para 3V3.
Qué muestra la tabla
Los dos analizadores de potencia coinciden con una diferencia de 0,2 mV como máximo en cada raíl. No comparten código de cálculo; la coincidencia se debe a que ambos leen el mismo árbol de alimentación y el mismo cobre.
La mayor parte de cada margen la consume la tolerancia del regulador, no el cobre. El LDO de 1,8 V está especificado a ±4 %, así que su extremo inferior (1,728 V) queda solo 18 mV por encima del mínimo de 1,71 V del STM32MP215 antes de contar el cobre. El cobre de la placa se lleva unos 2 mV (0,5 mV en el retorno por masa) y deja 16–17 mV: por debajo de la línea del 1 % de FYPA, un aviso correcto sobre la elección del regulador. VDDCORE tiene el menor margen en milivoltios (11,4 mV) y pasa en ambos, porque eso es el 1,4 % de sus 0,82 V.
La mayor caída en el cobre de la placa está en 3V3: el PHY Ethernet LAN8742A consume 139 mA en su peor punto de funcionamiento (10BASE-T con tráfico, corriente de transmisión a través del transformador Ethernet, hoja de datos tabla 5-5 p. 105), de los que 93 mA pasan por la ferrita L4 hacia sus pines de alimentación analógica. Ese camino cae 48 mV y deja 3,104 V en U15 frente al mínimo de 3,0 V. Todas las cargas de 3V3 llevan una corriente de hoja de datos: 213,6 mA en total.
Primero DC PI, después AC PI
Esto es DC PI: la caída de tensión a la corriente del peor caso, que cada raíl debe superar primero. La AC PI estudia la impedancia de la PDN en frecuencia frente a una impedancia objetivo, para escalones de carga y desacoplo. KiPI también puede barrer la impedancia de la PDN; la AC PI de esta placa es el siguiente paso.