用牛郎星方法构建智能扬声器：虚拟PCB设计验证与分析

如果您在我以前的博客文章中读过（或希望两者）在这里和在这里），您将知道我正在讲述内部智能扬声器设计项目的故事。去年夏天由一支才华横溢的阿尔提斯人进行，目的是展示模拟驱动的发展方法的实际效益。特别是，在世界上越来越多地由多物理产品设计统治的世界中，我们热衷于展示Altair解决方案如何帮助克服与物理原型设计和测试相关的成本，延迟和妥协。

上节课，我谈到了由我们的智能扬声器设计提出的结构和声学问题。这一次，人们的注意力转向了印刷电路板(PCB)。我将利用另一个优秀的网络研讨会，这次由项目工程师Aniket Hedge主持，并得到了EM应用工程师Jaehoon Kim的支持。我很高兴地告诉你，你会找到一个按需观看的版本在这里，以及整个智能扬声器系列。这篇文章的目的是为他们的演讲提供一种风格。但是，如果您想了解更多关于物理测试和原型设计的虚拟替代方案的信息，我完全建议您全面阅读。

正如Aniket所解释的，PCB代表了无线扬声器的核心。它承载所有功能模块，主要元件包括无线、音频、电源和充电。Aniket还提醒我们，许多PCB设计师现在所处的艰难商业环境。在消费电子领域，降低成本、小型化和加快上市时间的需求几乎是普遍的。此外，对于无线扬声器来说，挑战包括可靠的、基于标准的连接、无缝音频流和清晰的音频输出，以提供最重要的感知质量。

我们的PCB设计包括USB连接、充电IC、蓝牙IC和天线、音频放大器、控制IC、存储器、LCD驱动IC和扬声器输出。对于这个阶段的项目，重点是两个设计考虑：音频质量和高速性能。对于前者，Aniket演示了差分音频线、屏蔽音频线和主IC的热行为如何对实现预期结果至关重要。对于后者，他强调设计者需要确保比阻抗的满足和高速母线的安全使用。

你可能还记得我之前的文章，我们项目最重要的主题是采用统一和集成的设计环境的价值全部的智能产品所采用的物理原理。为此，Aniket和Jaehoon选择的工具是牵牛星大拇指．这种全面的PCB级EDA软件套件涵盖了设计评审，分析和制造。旨在显着降低开发周期，其主要功能包括具有ECAD连接的PCB型号，统一部件编辑器（UPE），PCB求解器（包括信号，电源完整性和热分析），PCB验证（包括电气设计（DFE））和逻辑/凸轮。

为了验证差分音频线和屏蔽音频线，DFE检查被认为是最合适的方法。这反映了DFE在消费电子产品中变得越来越重要的事实，由于增加的操作速度和产品的复杂性。小批量生产的趋势，更短的产品生命周期和快速的技术变革也推动了对DFE的需求。

这些因素都意味着电子企业在发展阶段进行DFE检查已成为一种必然。通过节省时间和资源，它们减少了成本和上市时间。更重要的是，使用PollEx, DFE工作流再简单不过了。首先，我们导入设计文件，然后应用公司设计规则和ODM客户端规则。生成一个可操作的DFE检查结果，使工程师能够轻松地评估和修改他们的设计。

在我们的计画中，音质是透过差分对的强度来验证的，差分对的强度是由它的线间距和耦合比标准来定义的。Aniket进行的第二个过程是验证接地层对音频线的屏蔽，再次通过DFE检查。

强调DFE检查过程的灵活性，DFE规则很容易定制。此外，检查的任何故障都可以链接回原始ECAD绘图以进行快速整流。请记住，Altair的DFE工具可以解决许多其他属性，例如电高速，功率，元件分离和EMI环稳定性。

接下来是信号完整性（SI）。为什么？很简单，在更高的比特率和更长的距离上，电信号会退化到出错的程度，系统或设备就会出现故障。有了SI分析的好处，就有可能在对物理原型和制造进行投资之前减轻任何此类损害。此外，对于PollEx，SI在很大程度上是一站式服务理念的一部分。设计师可以从众多的解算器中进行选择，包括2.5D和3D解算器，以实现快速反馈和任何必要的更改。

演示的SI工作流是现在熟悉的导入现有设计文件的过程，这次是通过I/O缓冲区模型。将所有这些文件输入SI工具后，Altair专有的SPICE引擎生成波形、S参数、眼图和网络拓扑等形状的结果。

Aniket使用SI验证了我们的智能扬声器的高速性能，演示了如何利用它通过USB数据线快速高效地实现无缝连接。在本例中，这意味着符合usb2.0规范。阻抗要求必须与整个频率相匹配。Aniket展示了PollEx的SI工具如何不仅方便USB线路的网络分析，而且方便网络拓扑分析。这是一个简单的过程。可以检查电路板上组件之间的网络结构，并通过创建和修改拓扑快速轻松地进行“假设”研究。通过波形查看器分析结果，Aniket向用户展示了比较任何此类调整的结果是多么容易。同样，对高速内存总线进行SI分析，以验证它们是否满足DDR要求。

在我们的设计旅程中，通过使用PollEx来解决热分析，这是我们最新的一步。再一次，这是许多消费电子产品的关键问题。通过在这一阶段检测和纠正热问题，可以防止成本高昂的过度设计，并确定整个系统的热需求。

在我们的智能扬声器的情况下，充电IC和音频放大器代表了主要的加热源。他们需要在对音频性能的影响方面仔细评估。如前所述，Pollex在计算各种组件的结和底板温度的方面进行全部工作，然后以我们板的热图形式显示结果。在重新运行热量分析之前，Aniket实际上介绍强制对流，并在屏幕上观察热图的变化。SPOILER ALERT：它上有很多蓝色。

智能音箱PCB的机械设计和验证是确保系统可靠性和设计整体成功的另一个重要参数。在电气、电子、机械或电路元件方面任何不适当的运作都可能导致这些系统的故障。因此，机械可靠性是至关重要的。

一旦PollEx从PCB设计中获得了准确的材料力学数据，并进行了流体流动模拟来获得扬声器加热和冷却的传热，这些数据就可以考虑机械热应力的传导。

将这些热应力作为预紧力进行动力学分析是获得PCB精确力学验证的一个非常重要的步骤。为了进行动力学仿真，需要对全说话人模型进行动力学加载。这可以从测试实验室或虚拟测试实验室获得，以模拟基于随机振动的疲劳，从而确认PCB设计的可靠性。至关重要的是，这些模拟提供了识别关键点的洞察力，并支持对不同装载配置的“假设”研究和探索。它还加快了产品开发过程。

与整个智能扬声器旅程一样，Altair在这里的方法都是关于一个统一的解决方案的速度和灵活性，解决了设计师或工程师所面临的所有挑战。在我的下一篇也是本系列的最后一篇文章中，我们将为我们的演讲者介绍另外两个重要的设计注意事项。具体来说，我们如何将迄今为止在我们的模拟驱动过程中看到的所有好处应用到天线设计和电磁干扰的需求中?但正如我在开头提到的，没有必要等我把笔写下来。你可以找到智能音箱项目的全部故事，由那些实现它的人讲述，在这里．