Simule planes de energía con LTspice

Al diseñar redes de distribución de energía (PDN), es común usar modelos SPICE para ilustrar planes. Los diseños avanzados utilizan herramientas de modelado electrónico magnético 2D/3D para extraer patrones SPICE. Sin embargo, hay momentos en los que bastará con un modelo de especias simple, o es posible que no siempre tenga acceso a herramientas de modelado 2D/3D extremadamente costosas. Con algunos trucos simples, los diseños de PDN se pueden modelar con LTspice hasta alrededor de 3 GHz.

Muchas veces se puede pensar en un PDN como un rectángulo de dos planos en la PCB, porque el diseño real es pequeño y rectangular o porque se puede aproximar a un rectángulo pequeño. Cuando este es el caso, el plan se puede modelar primero con una herramienta analítica, construir un modelo LTspice y luego, con un poco de prueba y error, ajustar el modelo LTspice para que coincida con el modelo analítico. Los resultados estarán bastante cerca de las mediciones de PDN. En este artículo, mostraré cómo construir el modelo LTspice a partir de un modelo analítico. A continuación, mostraré datos de medición de una placa prototipo que mostrará las limitaciones de la técnica.

Istvan Novak tiene una buena hoja de cálculo de modelo analítico que se puede descargar en http://www.integridad-electrica.com. En la página de herramientas, mire el modelo que dice: "Calcula la autoimpedancia de placas paralelas rectangulares desnudas en ubicaciones arbitrarias". Continuemos con un ejemplo usando este patrón.

Supongamos que tenemos un plano cuadrado de 2 pulgadas con una separación de 0,003 mil construido con FR4. Suponga también que la carga está en el centro del plano y que el mejor modelo de impedancia está en el centro del cuadrado. Al incluir estos parámetros en el modelo, obtenemos los siguientes resultados.

Los planos parecen un condensador hasta 600 MHz, luego parecen un inductor hasta unos 3 GHz y, finalmente, las cosas se ponen raras porque estamos tratando con una cavidad resonante. Un buen modelo de LTspice debe generar capacitancia, inductancia,
y el primer pico de resonancia. Se puede encontrar un modelo SPICE útil en el artículo de DesignCon 2013 titulado "Pautas innovadoras de diseño de PDN para PCB prácticos de alto número de capas" de Shringarpure, Pan y Kim. Aquí está la figura del documento con el modelo básico, que incluye los condensadores de acoplamiento y los inductores de alimentación:

La parte plana del modelo es la pieza intermedia, así que empezamos por ahí.

El siguiente paso es estimar la capacitancia y la inductancia de los planos usando puntos en el gráfico del modelo de análisis.

Hacemos una conjetura informada sobre el LIC, que da forma a un pico de resonancia, eligiendo 100pH. Ahora dividimos la C y la L por 1/2 y tenemos nuestro primer modelo.

Está claro que el pico de resonancia del avión no está cerca de los 3 GHz, por lo que el siguiente paso es modificar iterativamente el LIC hasta que el pico se acerque a los 3 GHz y coincida con el modelo de análisis, luego los elementos refinan otros hasta que coincidamos con el modelo analítico. . Cuando LIC es 8pF y LP1 y LP2 son 42pF, el modelo SPICE coincide con el modelo analítico.

Sin embargo, faltan las resonancias de la cavidad, ya que el modelo SPICE no tiene elementos para representarlas. Este modelo de diseño se puede utilizar hasta aproximadamente 4 GHz, suponiendo que el diseño rectangular represente correctamente las formas reales de la PCB. Con el modelo de avión en su lugar, podemos continuar modelando el resto de la PDN agregando bios de modelado de condensadores, siguiendo el patrón del artículo de DesignCon. Por ejemplo, aquí hay un prototipo de mapa de punto de carga (POL):

La impedancia objetivo para este PDN fue de 10 mΩ a 10 MHz.

Los resultados medidos están cerca, pero hay algunas desviaciones. Para aproximar los resultados medidos, medí cada capacitor con un VNA Bode 100 y los modelé como RLC. Los inductores de alimentación se aproximan a partir de la experiencia previa. Podrían usarse modelos de aisladores analíticos, pero al modificar empíricamente las inductancias, parte de la inductancia parásita se tuvo en cuenta en el modelo. Como cualquier modelo, debe decidir cuánto esfuerzo está dispuesto a realizar y qué tan preciso es el modelo.

En resumen, puede crear modelos LTspice PDN decentes de hasta 1-3 GHz. Los modelos están limitados por la suposición de planos rectangulares, aproximando la inductancia ensanchada y la inductancia transversal. Asegúrese de validar los modelos midiendo la impedancia de PDN con un VNA. Las mediciones de baja frecuencia de hasta 40 MHz se pueden realizar con un Bode 100 o un instrumento similar. Agilent y otras empresas fabrican VNA que son buenos hasta Ghz. Una vez que haya validado los modelos, puede reutilizarlos en futuros diseños.

Si necesita un modelo muy preciso que no se base en prototipos ni en experiencias pasadas, debe utilizar el modelado 2D/3D. Pero incluso con estas excelentes herramientas de modelado, debe validar sus resultados con VNA para asegurarse de que su modelo sea preciso.