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PCB电源设计进化该如何提高成功率?

2020年08月06日 10:43 次阅读

PCB设计能“一次成功”已成为电子行业最强烈的诉求。

以电源产品为例,PCB设计会直接影响电源的EMC性能、输出噪声、抗干扰能力,甚至是基本功能。更为重要的是,PCB设计成功与否直接影响着产品的上市时间。在这个瞬息万变的时代,能够领先竞争对手一步推出产品,市场反响或将出现天壤之别。因此,为保证产品上市时间这一首要任务,很多公司评估项目的时候会有一个PCB设计一板成功率的指标。

然而,PCB设计一板成功率并不是很高。数据显示,由于PCB设计出现问题导致项目产生额外费用或错过发布日期的占比高达58%。设计失败还将带来高昂的成本,据生命周期洞察研究显示,每次重新设计需要 8.5 天,每次重新设计的成本为4.4万美元,每个项目平均2.9次重新设计……

阻碍电源设计进化的几大痛点

随着行业应用日趋广泛多元,电源产品也不断向高频、高效、高密度化、低压、大电流化和多元化方向发展。同时,电源产品的封装结构、外形尺寸也日趋标准化,以适应全球一体化市场的要求。在此趋势下,电源产品的PCB设计面临着更大的挑战,主要包括电源转换效率、热分析、电源平面完整性和EMI(电磁干扰)等。

首先是电源转换效率。转换效率是指电源的输出功率与实际消耗的输入功率之比,在实际应用中,电能不能完全转化,中间会有一定的能量消耗,所以,无论哪种电路,在电源转换中必然存在效率问题。对于线性电源,需要考虑LDO的散热问题;对于开关电源,要考虑开关管的损耗问题。

PCB电源设计进化该如何提高成功率?

其次,有能量损耗就必然会产生热量,这就涉及到散热的问题。除此之外,随着负载变重,促使电源芯片的功耗加大,所以,在电源设计中热分布是个不得不考虑的问题。

再者是电源平面完整性设计。保持电源的完整性,就是保持电源的稳定供电。在实际系统中,总是存在不同频率的噪声。比如PWM的固有频率或PFM可变频率控制信号,快速的di/dt会产生电流波动的信号,所以一个低阻抗的电源平面设计是必要的。

最后是EMI(电磁干扰)问题。开关电源在不断的开和关就会产生开关噪声,如果在设计过程中没有考虑回路电感问题,过大的回流路径会产生EMI问题。

业界一直寻求能提高电源PCB设计成功率的方法。经验表明,在设计过程中,如果能提前预知可能的风险并规避,成功率将会大幅度提高。由此,选择一款合适的设计仿真工具就显得尤为重要。

简单易用的设计和仿真工具

PADS Professional就是一款很适用于电源PCB设计的工具。PADS系列工具的特点是简单易用,上手快,设计灵活,用户的自由度非常高。而PADS Professional是PADS家族最高阶的套装,适合需要处理一切的工程师。PADS Professional相比PADS软件在设计和管理方面有更大的优势,在电子产品日益复杂和大型企业对于管理规范的要求日趋严格的环境下,PADS Professional拥有更加广阔的应用空间。

与竞品相比,PADS Professional 功能强大,而且易学易用,价格还很实惠,它能为经验丰富的用户提供所需的全部功能。此外,它的直观易用特点使得业余用户也可以利用它来提高生产率。

Hyperlynx系列仿真工具包括HyperLynx SI/PI、HyperLynx DRC等软件,可以分别完成信号完整性、电源完整性、DRC检查,以及热仿真和模拟仿真等不同的仿真需求。该系列工具特点是运行速度快,使用简单。

而Xpedition是一个企业级解决方案,具有完整的设计流程,包括元器件库设计与管理、原理图设计、PCB设计、生产数据的处理、SI/PI仿真、EMC/EMI分析、热分析及数模混合仿真等。与同类产品相比,强大的流程管理和数据管理、并行设计,协同设计,集成式验证等优势是XpediTIon独有的标签。

具体来看,PADS Professional使用XpediTIon技术,提供了无可比拟的性能及超值的价格,另外通过搭载HyperLynx套件,提供信号/电源完整性和热分析和验证设计,满足PCB硬件工程师在电路板设计流程的任何需求。

PADS Professional和HyperLynx软件的有效结合,可以帮助PCB工程师有效地分析、解决并验证关键的要求,以避免代价高昂的返工,将产品更快地推向市场,并降低成本。

一体化解决方案对症电源设计难题

按照传统电源设计流程,在完成每一个环节后都需要工程师单独进行评审,确认无误后再进入下一环节。具体来说,电源设计首先要完成电路图的理论和功能性仿真验证,再进行原理图绘制,然后再进行信号完整性等分析,接下来,由版图设计工程师完成layout设计,之后给到EMI工程师去进行电磁干扰性验证。整个流程高度依赖于人工检查,耗时比较长。

随着电子设计要求的提高,电路变得更复杂,上市时间更紧迫,传统的流程已经不能满足市场需求。业内开始逐渐意识到,电源设计不再是只靠一两个工程师的“单打独斗”而是需要多个部门进行“联合作战”。

基于此,电源设计一体化解决方案可谓应运而生。该方案紧密结合了PADS Professional、HyperLynx、XpediTIon AMS等套件,有效组合成集成验证平台,帮助工程师一体化完成从最初的电源设计、仿真验证到最终的结果输出,极大优化了流程。整个方案会带来多重好处,其中就包括缩短上市时间,提高稳定性,减少设计风险和降低成本。

PCB电源设计进化该如何提高成功率?

这样的解决方案无疑对行业是一大利好,而带来此种方案的正是著名EDA厂商Mentor公司。据了解,Mentor公司把需要用到的工具按照电源设计的需求做了专门的参数优化,使用6个工具(PADS Professional & XpediTIon AMS、HyperLynx SI/PI、HyperLynx DRC、HyperLynxThermal)组成一个完整的解决方案,工程师直接上手使用就可以。

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