1 - 2013

Возможности программного продукта ANSYS Slwave

Евгений Буторов, инженер технической поддержки отдела инженерного анализа группы компаний «ПЛМ Урал» —
Евгений Буторов, инженер технической поддержки отдела инженерного анализа группы компаний «ПЛМ Урал» — «Делкам-Урал»

Микроминиатюризация, стремление ко всё большим скоростям обмена информацией и т.д. предъявляют всё более жесткие требования к проектированию изделий радиоэлектроники, вынуждают проектировщиков прибегать к электромагнитному моделированию. Программный продукт ANSYS SIwave позволяет учесть паразитные эффекты, возникающие в многослойных печатных платах и корпусах микросхем. Электромагнитную природу таких явлений, как взаимные наводки, дребезг при коммутациях, плавающий потенциал по шинам питания и земли, паразитные резонансы и т.д., необходимо анализировать с учетом распределенного характера цепей. Электромагнитный анализ в ANSYS SIwave осуществляется быстро и точно  в диапазоне от постоянного тока до частот более 50 ГГц. Основной областью применения пакета ANSYS SIwave является анализ многослойных систем на паразитные резонансы, оценка целостности сигнала (Signal Integrity, SI) и чистоты питания (Power Integrity, PI), а также учитываются излучения. Особое преимущество пакета ANSYS SIwave — использование гибрида двух технологий вычислительной электродинамики: метода конечных элементов  (FEM) и метода моментов (МоМ), адаптированных для анализа плоскослоистых конструкции. Анализ плоскослоистых структур выполняется в частотной области и легко преобразуется во временную область средствами самого пакета. С помощью SPICE­совместимых пакетов от сторонних производителей или программы ANSYS DesignerSI разработчики устройств могут провести законченный анализ широкополосных радиочастотных или цифровых систем на качество передачи сигнала и электромагнитную совместимость. Посредством пакета ANSYS SIwave возможен импорт моделей печатных плат и/или корпусов интегральных схем (ИС) из ECAD­программ сторонних производителей. При импорте моделей разработчик может управлять стеком слоев, задавать материалы, назначать порты и нагрузки, подвергать корректировке модель средствами встроенного  в SIwave CAD­редактора. Всё это возможно благодаря интеграции в меню ECAD­систем утилиты Ansoft Links. На рис. 1 приведен список систем проектирования печатных плат, поддерживаемых ANSYS SIwave. 

Рис. 1. Системы проектирования печатных плат, поддерживаемые ANSYS SIwave

Рис. 1. Системы проектирования печатных плат, поддерживаемые ANSYS SIwave

Оценка целостности сигнала и чистоты питания

С помощью пакета ANSYS Slwave возможно получить следующие параметры линий передачи: Zо, RLCG — параметры, SYZ — параметры, учет переходных искажений и наводок между сигнальными линиями, учет шумов и дребезга при переключении логических уровней, учет скачков уровней напряжений на цепях питания, распределение U, I, P по постоянному току, распределение высокочастотных токов, а также получение полей в ближней и дальней зонах и т.д. (рис. 2).

Рис. 2. Распределение напряжения по полигону печатной платы

Рис. 2. Распределение напряжения по полигону печатной платы

Для повышения точности моделирования в пакете ANSYS SIwave разработчик может использовать частотно­зависимые материалы, учитывать шероховатость поверхности. При применении оптимизации можно использовать расширенную библиотеку дискретных компонентов с перебором номиналов по какому­либо закону. Критерий оптимизации может задавать сам проектировщик, а также можно применять встроенные шаблоны в утилите PI Advisor. При совместном анализе печатной платы и интегральных микросхем разработчик может импортировать модель в формате anf, также есть возможность создать полноволновую SPICE­модель, которую можно использовать при проведении анализа в системе ANSYS DesignerSI.

Утилита SIwave PI Advisor

Уникальный генетический алгоритм SIwave PI Advisor позволяет выполнить оптимизацию чистоты питания в многослойных печатных платах и интегральных микросхемах. Посредством этой утилиты разработчик может выбирать положение и номиналы настроечных емкостей, тем самым сократив их число и удешевив себестоимость всего устройства (рис. 3). Диалог утилиты PI Advisor позволяет задать различные ограничения при проведении оптимизации, например выбрать поставщиков бескорпусных конденсаторов, их модели и параметры (С — емкость; Q — добротность; ESR и ESL — эффективные последовательное сопротивление и индуктивность; размеры и многое другое), количество на плате и их ценовой диапазон. PI Advisor использует как точные частотно­зависимые S­параметры моделей конденсаторов из библиотек, так и данные трехмерного ЭМ­моделирования. PI Advisor содержит простую в применении базу конденсаторов различных производителей. Все модели предлагаемых промышленностью конденсаторов представляются как двухполюсник в нейтральном формате Touchstone. В состав библиотеки конденсаторов SIwave стандартно входят элементы от компаний AVX, Johanson, Kemet, Murata, Panasonic, Samsung, Sanyo, Syfer, TDK, YUDEN и Yageo.

Рис. 3.  Распределение токов по полигону печатной платы

Рис. 3. Распределение токов по полигону печатной платы

Редактор слоев для печатных плат

Интерфейс ANSYS SIwave очень прост и интуитивно понятен в использовании. Для инженера доступен целый ряд возможностей по редактированию моделей: создание подстеков, задание матриц шариковых выводов, введение в модель проволочных соединений в корпусах ИС (JEDEC), добавление в модель капелек и неровностей от припоя, также возможно добавление в проект AC­ и DC­источников, элементов схем, таких как дискретные RLC­элементы и ИС, и других устройств ввода­вывода (рис. 4 и 5). Интерфейс программы ANSYS SIwave оптимизирован для анализа сложных многослойных конструкций. Расширенный набор инструментов передачи из ECAD­пакетов топологий ПП и ИС в систему SIwave позволяет проектировщику скорректировать модель для более удобного анализа. В SIwave редактор стеков включает поддержку шероховатости поверхности (например, использование модели Huray).

Рис. 4. Стандартная модель JEDEC

Рис. 4. Стандартная модель JEDEC

Рис. 5. Нестандартная модель JEDEC

Рис. 5. Нестандартная модель JEDEC

Электромагнитная совместимость

Разработчики радиоэлектронных устройств могут применять ANSYS SIwave для решения задач электромагнитной совместимости и помехоустойчивости, вычисляя электромагнитные поля в зоне Френеля и Фраунгофера. Используя алгоритмы ANSYS HFSS, SIwave обеспечивает точное вычисление электромагнитного поля излечения печатной платы и его взаимодействие с многослойной конструкцией. В сочетании с анализом на резонансы эта функция позволяет определить излучаемые поля в выбранном спектре непосредственно путем компьютерного моделирования. Благодаря этому уменьшается количество производственных итераций при макетировании, необходимых для проверки изделия на соответствие задачам по радиоэлектронному противодействию и устойчивости к электромагнитным наводкам. Для максимального использования возможностей пакета ANSYS SIwave при решении задач на ЭМС и РЭП рекомендуется использовать связку пакета SIwave с программами DesignerSI и HFSS (рис.  6).

Рис. 6. Связка SIwave и HFSS

Рис. 6. Связка SIwave и HFSS

Рис. 7. Идеология междисциплинарного моделирования в среде ANSYS Workbench. Показано взаимодействие между пакетами ANSYS и Ansoft

Рис. 7. Идеология междисциплинарного моделирования в среде ANSYS Workbench. Показано взаимодействие между пакетами ANSYS и Ansoft

Модуль вычисления токов, напряжений и мощностей

В режиме постоянного тока, используя алгоритм адаптивного уплотнения расчетных сеток, ANSYS SIwave позволяет проектировщику выполнить послойную пре­ и постпроцессорную обработку данных анализа распределения напряжений, плотности токов и мощности (рис. 7). Это позволяет получить результаты для оценки мощности, потребляемой системой печатных плат и интегральных схем, при выбранных источниках питания, а также определить наиболее «узкие» места в плане теплового режима. Применяя также пакет теплового моделирования ANSYS Icepak, разработчик может провести весь цикл проектирования печатной платы с учетом анализа теплового режима и эффектов температурной зависимости материалов. Далее результаты теплового анализа из пакета ANSYS Icepak передаются в пакеты анализа механических деформаций, прочности, усталости ANSYS Mechanical и LS­Dyna через среду ANSYS Workbench. Это необходимо в первую очередь для понимания эксплуатационных возможностей изделий РЭА с учетом термических эффектов. Проектировщик также может минимизировать тепловые потери средствами ANSYS SIwave, оптимизировав конфигурацию системы питания многослойных конструкций путем изменения геометрии токопроводящих полигонов.

САПР и графика 1`2013