All'interno della Rubrica Firmware Reload potrete trovare una infinità di articoli tecnici appartenenti alla passata rivista cartacea Firmware, con temi di interesse per makers e professionisti. Questo articolo rappresenta la seconda e ultima puntata della mini serie "Power Integrity con freeware “CAD tools”". Per farsi un’idea delle prestazioni di massima del sottosistema di alimentazione dei propri circuiti stampati non si deve necessariamente spendere una fortuna. Bisogna però mettere in conto alcune limitazioni e problemi.
Il modello costruito come somma delle celle elementari è poi simulato in SPICE per estrarre il profilo di impedenza come già visto. Le semplici formule per determinare i parametri RLC delle celle elementari sono presentate, tra l’altro, nel libro indicato in riferimento 4. È del tutto evidente come il tempo richiesto alla preparazione della simulazione sia ben diverso in questo caso, rispetto agli strumenti commerciali che importano la descrizione del circuito stampato direttamente dai file di progetto, sostanzialmente senza alcun intervento manuale. Per analisi più sofisticate occorre passare a tecniche di simulazione diverse, simulatori elettromagnetici in grado di risolvere strutture a due dimensioni ed a tre dimensioni, calcolando i parametri elettrici distribuiti sulle superfici o nello spazio. I simulatori a due dimensioni (2D) lavorano su strutture fisiche aventi sezioni costanti e lunghezza teoricamente infinita, quanto meno molto grande rispetto alle altre dimensioni. Un esempio classico, visibile in Figura 1, è costituito dalla stripline su circuito stampato.
Figura 1: Stripline su PCB, tipica struttura risolvibile, in prima approssimazione, con un simulatore elettromagnetico 2D
La distribuzione delle correnti e di conseguenza della caduta di tensione su un moderno circuito stampato, può essere critica, in particolare quando si raggiungono alte densità di corrente in zone ristrette del circuito stampato. Questi colli di bottiglia nella distribuzione dell’alimentazione possono costituire un punto debole dell’applicazione e generare nel tempo problemi di affidabilità. L’identificazione dei “punti caldi” può essere realizzata attraverso l’uso di simulatori 2D, come nel caso del pacchetto freeware FEMM (vedi riferimento 5). Il FEMM (Finite Element Method Magnetics, il nome richiama il procedimento matematico utilizzato) è un simulatore sviluppato per risolvere problemi magnetici ed elettrostatici su geometria planare. Il programma gira su ambienti Windows e Linux utilizzando Wine. Il pacchetto è composto da un’interfaccia grafica, dal generatore di mesh e da vari calcolatori. L'operazione di mesh, letteralmente maglia o griglia, consiste nella scomposizione della superficie da analizzare in porzioni elementari nelle quali si possa considerare costante la grandezza da calcolare. Per analizzare la caduta di tensione e la distribuzione di corrente sui piani del circuito stampato si può importare un disegno in formato DXF (AutoCAD compatibile), comprendente la sagoma dei piani di alimentazione, di massa e tutte le vie. Il file DXF può richiedere un pò di lavorazione prima di essere importato, semplificando i profili dei piani e convertendo le curve in linee a 45°. Con una certa perdita di precisione, questo consente di semplificare la geometria da simulare, evitando dettagli troppo minuti che potrebbero far esplodere il tempo di simulazione e l’occupazione di memoria e disco. Il lavoro di preparazione non finisce con l’importazione della descrizione meccanica, ma va completato con la definizione dei parametri elettrici dei conduttori e dei materiali isolanti. Il FEMM non importa i nomi dei segnali e quindi la verifica dell’oggetto sottoposto a simulazione va fatta in modo manuale, per confronto con il file di progetto originale del circuito stampato. Il risultato ottenibile è simile a quanto presentato in Figura 2.
Figura 2: Distribuzione di tensione sul piano di alimentazione di un circuito stampato
Un altro interessante freeware è il pacchetto MEFiSTo di Faustus Scientific Corporation. MEFiSTo è l’abbreviazione di “Multi-purpose Electromagnetic Field Simulation Tool”. Anche in questo caso siamo in presenza di un simulatore 2D, in grado di risolvere problemi in cui i parametri calcolati dipendono da una o due dimensioni spaziali e dal tempo. La classe di applicazioni è piuttosto ampia, comprendendo anche guide d’onda rettangolari e tutti quei problemi 3D che si possono ridurre o approssimare con modelli 2D. La documentazione fornita con il programma presenta un’ampia selezione di casi trattabili. Il pacchetto è utilizzabile per disegnare i piani di massa e alimentazione del PCB, definire una sorgente di eccitazione ad esempio sinusoidale, sceglierne la posizione e simulare la propagazione delle onde stazionarie eventualmente createsi, studiando quindi i fenomeni di risonanza connessi alla cavità creata dai piani affacciati. La documentazione fornita con il programma si rivela molto interessante. Dopo l’installazione si troverà nella directory HelpDoc/PDF il manuale d’uso, un tutorial ed un e-Book che costituisce una chiara introduzione alla simulazione 2D. L’acquisizione di questa documentazione è di per sé una ragione sufficiente a giustificare l’installazione del pacchetto. Vengono chiaramente descritti la teoria alla base del pacchetto (TLM, Transmission Line Modeling Method), la definizione delle condizioni al contorno, gli errori e la loro gestione. Il MEFiSTo è nato come supporto didattico per corsi universitari. Il suo uso è molto facilitato dall’avere un’interfaccia standard Windows, consentendo così al nuovo utente di lavorare in un ambiente familiare. Un’interessante alternativa ai programmi freeware può essere costituita dalle versioni demo o “lite” di programmi commerciali. Generalmente, questi hanno qualche limitazione, anche significativa, rispetto ai pacchetti commerciali, essendo limitati nel tempo di utilizzo oppure nella complessità degli oggetti simulati. Il grande vantaggio è la possibilità di valutare di persona, su un proprio progetto, il pacchetto scelto, decidendo solo in seguito se acquistare il pacchetto commerciale in una delle sue versioni, oppure valutare un altro prodotto. Un esempio è rappresentato da Sonnet Lite, entry level di una suite di pacchetti di simulazione 3D con performance e costo crescenti, vedi riferimento 6. Sonnet Lite non ha limitazioni temporali ma limitazione della memoria usabile, nella complessità dell’oggetto simulato, nel numero di punti di osservazione. Il pacchetto si rivela utile nella simulazione di strutture di alimentazione di PCB, stripline, microstrip, cavità risonanti e antenne.
Articolo pubblicato sulla rivista Firmware: Anno 2015 - Numero 109-110
