Integralność zasilania PCB: DC PI sieci PDN STM32MP215F-DK (MB2059) z dwoma analizatorami zasilania
KiPI i FYPA to dwa otwartoźródłowe analizatory integralności zasilania i oba są bardzo dobre. KiPI, utrzymywany przez Drew Maatmana (github.com/drewsum/KiPI), jest nastawiony na KiCad i czyta także ODB++, dlatego stał się podstawą do debugowania i walidacji przepływu Tomachie do tych narzędzi. FYPA, utrzymywany przez anarthrous-eda (github.com/anarthrous-eda/FYPA), jest nastawiony na Altium.
Użyliśmy płytki MB2059 firmy STMicroelectronics, ponieważ ma zarówno plik Altium .PcbDoc, jak i wyjście ODB++. Dane ODB++ podaliśmy do KiPI razem z plikiem pdn.json z Tomachie, a FYPA użył pliku .PcbDoc z tym samym pdn.json z Tomachie.
Celem ćwiczenia nie było ustalenie, które narzędzie jest lepsze, lecz uzyskanie walidacji i znalezienie błędów w obu narzędziach, a także w Tomachie. W efekcie przekazaliśmy poprawki do obu projektów: sześć scalonych pull requestów do KiPI i jeden do FYPA, a wyniki udostępniamy tutaj. Mimo różnych solverów i różnych danych PCB (ODB++ i .PcbDoc) oba narzędzia zgadzają się teraz z dokładnością do 0,2 mV na każdej szynie.
Tomachie odczytał schemat MB2059 i noty katalogowe, a potem zapisał jeden plik drzewa zasilania: każdą szynę, jej regulator, tolerancję wyjścia regulatora, piny i maksymalny prąd każdego obciążenia oraz minimalne napięcie zasilania dopuszczalne według noty każdego obciążenia. Następnie KiPI i FYPA rozwiązały ten sam plik na miedzi samej płytki.
Wszędzie najgorszy przypadek: każdy regulator na dolnej granicy pasma wyjściowego z noty katalogowej, każde obciążenie przy prądzie maksymalnym, wejście USB na swoim minimum. Pytanie dla każdej szyny brzmi: czy napięcie na pinach obciążenia pozostaje powyżej minimum z jego noty.
Pełny raport płytki STM32MP215F-DK (MB2059)
Wyniki DC PI, szyna po szynie
| Szyna | Nominalne (V) | Dolna granica regulatora (V) | Najbardziej krytyczne obciążenie | Minimum obciążenia (V) | KiPI (V) | FYPA (V) | KiPI − FYPA (mV) | Zapas (mV) | Wynik |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 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: mały zapas |
| VDDA1V8_AON | 1.80 | 1.7280 | U7 STM32MP215 | 1.710 | 1.7272 | 1.7271 | +0.1 | +17.1 | PASS FYPA: mały zapas |
| 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 |
Zapas = niższe z dwóch obliczonych napięć minus minimum z noty katalogowej obciążenia. FYPA oznacza obciążenie, którego zapas jest mniejszy niż 1 % wartości nominalnej szyny (jego ustawienie domyślne); KiPI podaje napięcie i rezerwę bez pasma ostrzeżenia.
Minima obciążeń: STM32MP215 tabela 17 s. 87; Micron MT53E LPDDR4 VDD1 / VDD2; LAN8742A praca przy 3,3 V. Pasma regulatorów: dokładność wyjścia STPMIC2 (±1,5 % przetwornice buck, ±4 % LDO1, ±2 % LDO2 / 5 / 6), ST1S31 dla 3V3.
Co pokazuje tabela
Oba analizatory zasilania zgadzają się z dokładnością do 0,2 mV na każdej szynie. Nie dzielą żadnego kodu obliczeniowego; zgodność wynika z tego, że oba czytają to samo drzewo zasilania i tę samą miedź.
Większość każdego zapasu zjada tolerancja regulatora, a nie miedź. LDO 1,8 V jest określony z tolerancją ±4 %, więc jego dolna granica (1,728 V) leży tylko 18 mV powyżej minimum 1,71 V układu STM32MP215, zanim w ogóle doliczy się miedź. Miedź płytki zabiera z tego około 2 mV (0,5 mV w powrocie przez masę) i zostaje 16–17 mV: poniżej progu 1 % FYPA, czyli słuszne ostrzeżenie co do wyboru regulatora. VDDCORE ma najmniejszy zapas w miliwoltach (11,4 mV) i przechodzi w obu, bo to 1,4 % jego 0,82 V.
Największy spadek na miedzi płytki występuje na 3V3: Ethernet PHY LAN8742A pobiera 139 mA w najgorszym punkcie pracy (10BASE-T z ruchem, prąd nadawania przez transformator Ethernet, nota tabela 5-5 s. 105), z czego 93 mA płynie przez ferryt L4 do jego analogowych pinów zasilania. Ta ścieżka traci 48 mV, a na U15 zostaje 3,104 V przy minimum 3,0 V. Każde obciążenie na 3V3 ma prąd z noty katalogowej: łącznie 213,6 mA.
Najpierw DC PI, potem AC PI
To jest DC PI: spadek napięcia przy prądzie najgorszego przypadku, który każda szyna musi przejść jako pierwszy. AC PI bada impedancję PDN w funkcji częstotliwości względem impedancji docelowej, dla skoków obciążenia i odsprzęgania. KiPI potrafi też przemiatać impedancję PDN; AC PI tej płytki to kolejny krok.
Raporty
- Raport KiPI, prąd maksymalny · 36 MB, samodzielny HTML
- Raport KiPI, prąd typowy · 36 MB
- Raport FYPA, prąd maksymalny · 1,7 MB
- Raport FYPA, prąd typowy · 1,7 MB
- Wszystkie cztery raporty · zip, 32 MB
KiPI, utrzymywany przez Drew Maatmana: otwartoźródłowy analizator integralności zasilania dla KiCad