Design-Praxis: Systemsimulation (Teil 1) Zur Versorgungsintegrität von Embedded Hardware

Emissionen untersuchen

Den zweite physikalischen Effekt stellen stehende Wellen in den Versorgungslagen der Leiterplatte dar. Zwischen zwei Kupferebenen können sich transversal elektrische und magnetische Wellen ausbreiten. Das elektrische Feld steht, wie in einem Plattenkondensator, senkrecht zu den Kupferebenen und das Magnetfeld verläuft parallel zu den Ebenen; die Welle bewegt sich senkrecht zu diesen beiden Richtungen mit Lichtgeschwindigkeit des Substrats. Diese Wellen werden an den Enden der metallisierten Flächen reflektiert und bei entsprechenden Frequenzen bilden sich dabei stehende Wellen aus: etwa im Bereich einiger hundert MHz je nach Leiterplattengröße.

Sie beeinflussen die Versorgungsintegrität und führen auch zu Abstrahlungsproblemen. Diese Resonanzen können mit Hilfe einfacher Simulationen in Ansys SIwave gefunden und wie in Bild 6 als Spannungsverläufe zwischen zwei Ebenen visualisiert werden. Die so ermittelten Resonanzfrequenzen korrelieren mit den Parallelresonanzen aus der Analyse der Versorgungsimpedanzen.

Die Visualisierung erlaubt es Gegenmaßnahmen abzuleiten, wie z.B. geeignete Positionen für Stütz- oder Eckkondensatoren oder die Veränderung der Kupferflächen. Diese Analysen zur dynamischen Versorgungsintegrität helfen auch EMV-Problemen vorzubeugen, da typischerweise die Kupferflächen als Antennen für die Abstrahlung wirken.

Physikalische Simulationen, z.B. mit SIwave, helfen dabei, die Strompfade und die dazugehörigen Induktivitäten zu bestimmen, Resonanzen in den Ebenen zu finden, Verständnis aufzubauen und Versorgungskonzepte zu optimieren:

  • Die Lage der Versorgungsebenen in der Leiterplatte: für die Versorgungsintegrität sind hier Lagen in der IC-Nähe zu bevorzugen.
  • Die Abstände dieser Lagen: typischerweise sind hier geringe Abstände bevorzugt, um das Verhältnis aus Kapazität zwischen den Ebenen zur Induktivität zu maximieren.
  • Die Form der Kupferflächen und die Via- und Pad-Konfigurationen für die IC-Verbindung
  • Die Position der Stützkondensatoren: unterhalb oder neben dem IC, welche Kondensatorwahl führt zum besten Ergebnis?

Bei der Beantwortung all dieser Fragestellungen und zur Vermeidung von Entwicklungsschleifen ist physikalische Simulation ein wichtiges Werkzeug.  
Es können Vorhersagen über die Designgrenzen getroffen werden. Eine Alternative bzw. Ergänzung zur Simulation bildet natürlich die Messung. Hier ist auf ausgezeichnetes Messequipment zu achten, eine sorgfältige Auswahl von Messköpfen und Kalibrierung sind für zuverlässige Ergebnisse unabdinglich.

Physikalisches Verständnis und Simulation helfen also zielgerichtet Designs zu entwickeln, die eine gute Versorgungsintegrität sowohl im DC- als auch im AC-Bereich gewährleisten. Auf diese Weise lassen sich zeitaufwändige und kostenintensive Redesigns vermeiden, was es auch ermöglicht innovative Ideen zu entwickeln und neue Designregeln abzuleiten. (ct)

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