Stromversorgung in Leiterplatten Simulieren von PCB-Stromversorgungssystemen

Dynamisches AC-Verhalten

Neben dem statischen DC-Verhalten muss auch das dynamische Verhalten über den Frequenzbereich betrachtet werden. Schalten Bauteile, dann nehmen sie plötzlich elektrische Ladung auf und die Spannungsversorgung muss diese Ladungsaufnahme ausgleichen, ohne dabei die Spannung unter die geforderten Mindestwerte sinken zu lassen. Um ein plötzliches Absinken der Spannungspegel an den Versorgungsspannungsanschlüssen zu verhindern, werden Abblock- bzw. Stützkondensatoren eingesetzt, die schnell und lokal die Ladung bereitstellen. Schaltet zum Beispiel ein IC an einem Pin mit einer Anstiegszeit von 1 ns einen (dynamischen) Strom von 2 A, ist ein Abblockkondensator so zu dimensionieren, dass die Spannung um nicht mehr als 20 mV sinkt. Basis für die Berechnung des Kondensators ist die Formel:

I space equals space C space x space d U divided by d t

Damit errechnet sich der Kondensator in obigen Beispiel zu:

C space equals thin space I divided by left parenthesis d U divided by d t right parenthesis thin space equals space 2 space A thin space divided by space left parenthesis 20 space m V space divided by thin space 1 space n s right parenthesis

C space equals thin space 100 space n F

Ein keramischer X7R- oder NPO-SMT-Kondensator mit einer Kapazität von 100 nF kann einen Versorgungsspannungsanschluss mit 2 A für 1 ns lang versorgen – das entspricht der Zeit, die der Ausgang zum Schalten benötigt. Während des Schaltens sinkt die Versorgungsspannung maximal um 20 mV.

Diese Berechnung erklärt, warum in den Design-Richtlinien häufig Angaben stehen wie: »Platzieren Sie möglichst mit geringem Abstand an jeden VCC-Pin einen 100-nF-Kondensator«. So eine Anforderung ist schnell geschrieben, aber ist sie auch zu realisieren?

Bilder: 3

Dynamisches AC-Verhalten, Bilder 3 bis 5

Dynamisches AC-Verhalten, Bilder 3 bis 5

Der berechnete Kondensator ist als idealer Kondensator nicht erhältlich. Jeder als physikalisches Bauteil erhältliche Kondensator hat neben der Kapazität auch einen ohmschen Innenwiderstand (ESR, Equivalent Series Resistance) und eine Inneninduktivität (Intrinsic Inductance). Diese beiden Werte beeinflussen die Wirkung eines Abblockkondensators zum Teil stark (Bild 3). Bei Simulationen werden diese Werte berücksichtigt.

Zu der internen Induktivität eines Kondensators muss noch die Anschlussinduktivität (Mounted Inductance) hinzugerechnet werden (Bild 4). Durch diese parasitären Eigenschaften der Kondensatoren ergibt sich eine Frequenzabhängigkeit des elektrischen Verhaltens. Aufgrund der parasitären Eigenschaften der Kondensatoren sowie der Leiterplatte an sich, ist es zweckmäßig, die Betrachtung in den Frequenzbereich zu verlagern. Zur Untersuchung der Qualität der Spannungsversorgung kann für jeden Frequenzwert eine Impedanz errechnet werden – z.B. 20 mV/2 A. Dies ergibt eine Zielimpedanz für das Stromversorgungssystem (Bild 5).

Die Zielimpedanz darf erst bei der Grenzfrequenz überschritten werden. Die Grenzfrequenz (fg) errechnet sich aus der Anstiegszeit (tAn) nach der Gleichung:

f subscript g equals fraction numerator 1 over denominator 2 cross times t subscript A n end subscript end fraction

In unserem Beispiel also fg = 1/ (2 × 1 ns) = 500 MHz. Für die Frequenzen von Null bis 500 MHz muss die Impedanz des Stromversorgungssystems unterhalb der Zielimpedanz liegen.

Für ein IC, bei dem viele Ausgänge gleichzeitig schalten, errechnet sich die Zielimpedanz, indem die erlaubte Spannungsschwankung durch die Summe aller Ströme dividiert wird.

Reale Werte für die Grenzfrequenz eines Stromversorgungssystems liegen im Bereich 2 GHz und höher, da sich die Anstiegszeiten heutiger digitaler ICs im Bereich 500 ps und kleiner bewegen.

Wenn für jede Spannung eine Lage mit geschlossener Kupferfläche verwendet wird und direkt neben jedem VCC-Pin ein richtig dimensionierter, idealer Kondensator platziert ist, wäre die Stromversorgung für jedes IC sichergestellt. Aber leider ist die Umsetzung dieser einfachen Vorgaben in der Realität nicht möglich. Für Leiterplatten-Entwickler stellt sich also die Frage, ist die Stromversorgung im konkreten Layout sichergestellt?

Die große Frage in der Ausgestaltung eines stabilen Stromversorgungssystems auf der Leiterplatte ist: Wo werden wie viele Kondensatoren platziert? Mit der Methodik: »viel hilft viel« kommt der Entwickler nur bedingt ans Ziel, da jeder Kondensator auf der Leiterplatte nicht nur Geld kostet, sondern auch noch die Verluste der Schaltung und des gesamten Geräts erhöht. Hinzu kommen auch gegenseitige Wechselwirkungen der Kondensatoren in Form von Resonanzen bei bestimmten Frequenzen.

Der Weg führt also zu einer Optimierung. Mit dem Cadence Sigrity Tool für Power-Integrität zum Beispiel lässt sich die Leiterplatte analysieren und das Tool schlägt Platzierungen für Kondensatoren mit unterschiedlichen Kapazitäten vor. Aus tausenden Simulationen kann der Anwender die Vorschläge nach besten elektrischen Eigenschaften oder nach dem Preis filtern bzw. auch die Auswahl der Kondensatoren einschränken auf Bauteile, bei denen auf mehr als einen Hersteller zurückgegriffen werden kann (Second Source).

Wie Prüfen oder Messen?

In der Leiterplatten-Entwicklung stellt sich schnell die Frage, wie die Spannungsdifferenz im Stromversorgungssystem zu messen ist. Doch leider sind Messverfahren der Spannungen im Zeitbereich hier nicht praktikabel, da nicht nur ein Prototyp erstellt werden müsste, der im Betrieb untersucht wird, sondern auch einige VCC-Pins unter BGAs nicht für Messungen zugänglich sind und die Messanordnung die Ergebnisse bei solch engen Spannungstoleranzen stark verfälschen kann.

Was bleibt ist die Simulation mit einer Software, die auf den Layout-Daten basiert. Da hier sowohl das Gleichstromverhalten als auch das Verhalten bei hohen Taktfrequenzen berücksichtigt werden muss, ist dies eine komplexe Aufgabe.

Wie soll hier eine Software dem Leiterplatten-Entwickler helfen? Mit einer Simulations-Software können das physikalische Verhalten einer Leiterplatte nachgebildet und Spannungen sowohl im statischen Gleichstromfall wie auch über den Frequenzbereich betrachtet werden. Hierzu werden aus den Informationen des Lagenaufbaus und der Kupferverteilung auf den Lagen und den jeweiligen Spannungsversorgungen, Kondensatoren und Verbrauchern Modelle extrahiert. Diese Modelle werden dann mit einem Feldlöser (Field Solver) in Berechnungen (virtuelle Messungen) verwendet, die anschließend Ergebnisse in Form von Impedanzkurven anzeigen.

Die Power-Integritäts-Software lokalisiert die Problemstellen von Strömen sowie Temperaturen und kann diese grafisch anzeigen. Diese Simulation muss eine elektrisch-thermische Co-Simulation sein, da der Strom zur Erwärmung führt und die Erwärmung den Strom beeinflusst. Diese Wechselwirkung muss solange mit neuen Eingangswerten berechnet werden, bis sich ein stabiler Zustand einstellt. So lassen sich kritische Bereiche frühzeitig erkennen und entsprechende Vorkehrungen treffen, um die Entwicklungsvorgaben einzuhalten.

Die Simulations-Software hilft, den Lagenaufbau und die Verteilung der Spannungen auf einer ganzen Lagenfläche oder unter bestimmten Voraussetzungen auf geteilten Flächen zu optimieren. Zwar gibt es Vorgaben über die Art und Anzahl der Abblockkondensatoren, jedoch gelten diese immer nur für einen IC-Hersteller. Sind mehrere Kondensatoren mit unterschiedlichen Werten auf einer Leiterplatte platziert, so wird es auch zu ungewollten Parallel-Resonanzen kommen, die eine signifikante Erhöhung der Impedanz zur Folge haben. Daher hilft die Sigrity-Software bei der Wahl der richtigen Kondensatoren unter Berücksichtigung der realen Anschlussinduktivität. So kann die Anzahl der Stützkondensatoren auf der Leiterplatte ggf. verringert und ein »Über«- bzw. »Unter-Designen« verhindert werden.

Unterschiede in der Simulations-Software

Worin unterscheiden sich die verschiedenen CAD-Programme der Anbieter? Als wichtigstes Kriterium ist die Korrelation zu nennen, d.h. man geht der Frage nach, ob die angezeigten Werte überhaupt plausibel sind. Hierzu können reale Impedanzmessungen an gefertigten Leiterplatten mit den Ergebnissen der Simulations-Software verglichen werden, um zu beweisen, dass die von der Software errechneten Werte mit der Wirklichkeit übereinstimmen.

Ein weiterer Punkt ist die Integration in den Entwicklungsprozess. Da Layout-Daten zur Simulation verwendet werden, ist es entscheidend, wie lange der Ex- und Import der Daten dauert oder ob die Simulation direkt im PCB Editor stattfindet. Wichtig ist dabei auch die Frage, ob alle Informationen aus dem Leiterplatten-Layout (Datenexport) unverfälscht in der Simulationsumgebung ankommen bzw. ob die Simulation direkt auf den Layout-Daten basiert. Meist ist nicht nur eine Simulation erforderlich, sondern nach Änderungen im Leiterplatten-Layout muss eine Kontrolle durch eine erneute Simulation erfolgen.

Ein weiterer Unterschied ist die Rechenzeit. Da es sich bei den Vollwellensimulationen um sehr komplexe mathematische Operationen handelt, werden bei allen CAD-Tools Rechner mit viel RAM-Speicher vorausgesetzt. Die Parallelisierung der Berechnungen auf mehrere CPU-Kerne kann die Rechenzeiten deutlich reduzieren.

Die meisten CAD-Software-Pakete erlauben es dem Anwender zwischen verschiedenen Genauigkeiten zur Modellierung bzw. der Methoden der Feldlöser zu wählen. So können in einer groben und schnellen Voranalyse schwerwiegende Probleme lokalisiert werden. Bei anschließenden detaillierten Simulationen werden dann engmaschigere Strukturen verwendet, um komplexere Fehler zu finden.

Bei Frequenzen über 1 GHz ist auch die Oberflächenbeschaffenheit (Rauigkeit) der Leiterbahnen zu beachten, da diese Auswirkungen auf die Leitfähigkeit der Materialien hat.

Hilfreich ist auch, wenn bereits aus dem Stromlaufplan die Struktur der Stromversorgung (Power-Tree) erzeugt wird, und so die aufwendige Modellierung des Stromversorgungssystems automatisiert abläuft. Zur Analyse verschiedener Problemstellungen sollte die Stromversorgungsstruktur wiederverwendet werden können, damit nicht für die statische Analyse sowie die PI-Analyse jeweils die Modellierung erneuert werden muss oder gar andere Verfahren verwendet werden müssen.

 

Der Autor

 

Dirk Müller

studierte Elektrotechnik mit der Vertiefungsrichtung Technische Informatik/ Rechnerstrukturen und arbeitete fast zehn Jahre bei einem Hersteller für Embedded-Controller von Industriedrucksystemen.

Seit 2003 ist Müller als Geschäftsführer bei FlowCAD EDA-Software Vertriebs GmbH für den Vertrieb von Cadence PCB-Software in Zentraleuropa verantwortlich. FlowCAD bietet inzwischen Software verschiedener renommierter Hersteller für die Entwicklung und Simulation von Elektronik.

info@flowcad.de