Toàn vẹn nguồn PCB: DC PI của PDN trên STM32MP215F-DK (MB2059) với hai bộ phân tích nguồn
KiPI và FYPA là hai bộ phân tích toàn vẹn nguồn (power integrity) mã nguồn mở, và cả hai đều rất tốt. KiPI do Drew Maatman duy trì (github.com/drewsum/KiPI) tập trung vào KiCad và cũng đọc được ODB++, nên nó trở thành nền tảng để gỡ lỗi và kiểm chứng luồng từ Tomachie vào các công cụ này. FYPA do anarthrous-eda duy trì (github.com/anarthrous-eda/FYPA) tập trung vào Altium.
Chúng tôi dùng PCB MB2059 của STMicroelectronics vì nó có cả tệp Altium .PcbDoc lẫn đầu ra ODB++. Chúng tôi đưa ODB++ vào KiPI cùng tệp pdn.json của Tomachie, còn FYPA dùng .PcbDoc với cùng tệp pdn.json của Tomachie.
Mục đích của việc này không phải là xác định công cụ nào tốt hơn, mà là để có được sự kiểm chứng và tìm lỗi trong cả hai công cụ cũng như trong Tomachie. Kết quả là chúng tôi đã đóng góp các bản sửa lỗi ngược về cả hai dự án gốc: sáu pull request đã được hợp nhất vào KiPI và một vào FYPA, và chia sẻ kết quả tại đây. Dù dùng bộ giải khác nhau và dữ liệu PCB khác nhau (ODB++ và .PcbDoc), giờ đây hai công cụ khớp nhau trong phạm vi 0,2 mV trên mọi rail.
Tomachie đã đọc sơ đồ nguyên lý MB2059 cùng các datasheet và viết một tệp cây nguồn duy nhất: mọi rail, bộ điều áp của nó, dung sai đầu ra của bộ điều áp, các chân và dòng tối đa của mỗi tải, và điện áp cấp tối thiểu mà datasheet của mỗi tải cho phép. Sau đó KiPI và FYPA giải chính tệp đó trên lớp đồng của bo.
Trường hợp xấu nhất ở mọi nơi: mọi bộ điều áp ở đầu thấp của dải đầu ra theo datasheet, mọi tải ở dòng tối đa, ngõ vào USB ở mức tối thiểu. Câu hỏi cho từng rail là điện áp tại các chân của tải có còn trên mức tối thiểu trong datasheet của tải đó hay không.
Báo cáo đầy đủ của STM32MP215F-DK (MB2059)
Kết quả DC PI theo từng rail
| Rail | Danh định (V) | Đầu thấp bộ điều áp (V) | Tải bất lợi nhất | Tối thiểu của tải (V) | KiPI (V) | FYPA (V) | KiPI − FYPA (mV) | Biên (mV) | Kết quả |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 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: biên thấp |
| VDDA1V8_AON | 1.80 | 1.7280 | U7 STM32MP215 | 1.710 | 1.7272 | 1.7271 | +0.1 | +17.1 | PASS FYPA: biên thấp |
| 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 |
Biên = giá trị thấp hơn trong hai điện áp đã giải trừ đi mức tối thiểu trong datasheet của tải. FYPA đánh dấu tải có biên dưới 1 % giá trị danh định của rail (mặc định của nó); KiPI báo điện áp và khoảng dư mà không có dải cảnh báo.
Mức tối thiểu của tải: STM32MP215 Bảng 17 tr. 87; Micron MT53E LPDDR4 VDD1 / VDD2; LAN8742A hoạt động ở 3,3 V. Dải bộ điều áp: độ chính xác đầu ra STPMIC2 (±1,5 % buck, ±4 % LDO1, ±2 % LDO2 / 5 / 6), ST1S31 cho 3V3.
Bảng cho thấy điều gì
Hai bộ phân tích nguồn khớp nhau trong phạm vi 0,2 mV trên mọi rail. Chúng không dùng chung mã giải; sự khớp nhau đến từ việc cả hai đọc cùng một cây nguồn và cùng một lớp đồng.
Phần lớn mỗi biên bị dung sai bộ điều áp chiếm, không phải lớp đồng. LDO 1,8 V có dung sai ±4 %, nên đầu thấp của nó (1,728 V) chỉ cao hơn mức tối thiểu 1,71 V của STM32MP215 có 18 mV trước khi tính đến đồng. Đồng trên bo lấy khoảng 2 mV trong số đó (0,5 mV ở đường hồi về đất), còn lại 16–17 mV: dưới ngưỡng 1 % của FYPA, một cảnh báo đúng về lựa chọn bộ điều áp. VDDCORE có biên nhỏ nhất tính theo milivôn (11,4 mV) và đạt ở cả hai, vì đó là 1,4 % của 0,82 V.
Mức sụt trên đồng lớn nhất của bo nằm ở 3V3: Ethernet PHY LAN8742A tiêu thụ 139 mA ở điểm làm việc xấu nhất (10BASE-T có lưu lượng, dòng phát qua biến áp Ethernet, datasheet Bảng 5-5 tr. 105), trong đó 93 mA chạy qua ferrite L4 tới các chân cấp nguồn analog. Đường đó sụt 48 mV, còn lại 3,104 V tại U15 so với mức tối thiểu 3,0 V. Mọi tải trên 3V3 đều mang dòng theo datasheet: tổng cộng 213,6 mA.
DC PI trước, rồi đến AC PI
Đây là DC PI: sụt áp ở dòng trường hợp xấu nhất, điều mà mọi rail phải vượt qua trước tiên. AC PI xem xét trở kháng của PDN theo tần số so với trở kháng mục tiêu, cho các bước nhảy tải và tụ tách. KiPI cũng có thể quét trở kháng PDN; AC PI cho bo này là bước tiếp theo.
Báo cáo
- Báo cáo KiPI, dòng tối đa · 36 MB, HTML độc lập
- Báo cáo KiPI, dòng điển hình · 36 MB
- Báo cáo FYPA, dòng tối đa · 1,7 MB
- Báo cáo FYPA, dòng điển hình · 1,7 MB
- Cả bốn báo cáo · zip, 32 MB
KiPI do Drew Maatman duy trì: bộ phân tích toàn vẹn nguồn mã nguồn mở cho KiCad
FYPA do anarthrous-eda duy trì: công cụ toàn vẹn nguồn DC mã nguồn mở cho Altium