Stromversorgung in Leiterplatten Simulieren von PCB-Stromversorgungssystemen

Die Simulation- und Analyse-Verhalten der Stromversorgungssysteme während des Entwurfs überwachen verhindern Fehlfunktionen.
Das Stromversorgungssystem bereits beim Leiterplattenentwurf simulieren und analysieren.

Heutige digitale ICs arbeiten mit kleinen Betriebsspannungen und engen Toleranzen. Um Fehlfunktionen durch unzulässige Versorgungsspannungen zu vermeiden, können Entwickler das Verhalten ganzer Stromversorgungssysteme auf Leiterplatten bereits während des Entwurfs simulieren und analysieren.

Geräte werden kleiner und immer leistungsfähiger. Aus diesem Grund unterliegen die Versorgungspannungen digitaler Schaltungsteile einem Wandel: aus den früher typischen 5 V sind heute mehrere Spannungspegel um ca. 1 V geworden. Diese Verringerung um 80 % erfordert viele neue Maßnahmen beim Design von Leiterplatten. In den Datenblättern der Halbleiterhersteller ist zu lesen, dass die absoluten Toleranzen der Versorgungsspannung auch um etwa 80 % gesunken sind. Das bedeutet, dass die Qualität einer aktuellen Strom- und Spannungsversorgung auf Leiterplatten um ein Vielfaches besser sein muss, als zu Beginn der Digitaltechnik.

Die Leistung der Elektronikbaugruppen ist aber nicht gesunken. Da die Leistung das Produkt aus Spannung und Strom ist, steigt in den heutigen Leiterplatten also der Strom, der auf einzelnen Versorgungsleitungen fließt. Ströme von mehreren Ampere sind keine Seltenheit. Diese hohen Stromstärken führen zu Problemen auf Leiterpatten, die durch ein geschicktes Layout vermieden werden können.

Power-Integrität (PI)

Power-Integrität auf einer Leiterplatte bedeutet, dass die Anforderungen an die Strom- und Spannungsversorgung an jedem Bauteil auf der Leiterplatte gemäß den Anforderungen der Bauteilhersteller zu jeder Zeit eingehalten werden müssen. Da aber der Funktionsumfang auf den Leiterplatten zunimmt, ist eine stabile Strom- und Spannungsversorgung keine triviale Anforderung.

Kern eines Stromversorgungssystems ist ein Netzteil, meist ein getaktetes Schaltnetzteil. Ein Schaltnetzteil kann Spannungsschwankungen nur bis in den kHz-Bereich nachregeln und ist für die Stabilität in höheren Frequenzbereichen zu träge. Daher werden auf der Leiterplatte Stütz- oder Stabilitätskondensatoren verteilt, die je nach Kondensatortyp als lokale Zwischenspeicher die benötigte Ladung mit der benötigten Geschwindigkeit abgeben – über den geforderten Frequenzbereich. Elektrolytkondensatoren können größere Ladungsmengen bei mittleren, Keramik- und Tantal-Kondensatoren kleinere Ladungsmengen bei höheren Frequenzen abgeben.

Bei der Power-Integrität wird die Stabilität des Power Delivery Networks (PDN) in allen Betriebszuständen betrachtet – und zwar über den Frequenzbereich von Gleichspannung bis zur 3- oder 5-fachen Oberwelle der auf der Leiterplatte verwendeten Taktfrequenz.

Gleichspannungsanalyse (IR-Drop)

Nach dem ohmschen Gesetz erzeugt der vom Verbraucher aufgenommene Strom (Sink Current) eine Spannungsdifferenz über die Zuleitung, die proportional zum Widerstand der Zuleitung ist. Die Gleichspannungsanalyse ist ein wichtiger Sonderfall der Power-Integrität. Bei langen und schmalen Zuleitungen auf Leiterplatten kann dieser Effekt dazu führen, dass die Spannungsdifferenz so groß wird, dass die zu versorgenden Bauteile nicht mehr sicher betrieben werden können.

Die vom Widerstand der Zuleitung verursachte Spannungsdifferenz kann sogar so weit gehen, dass ein Bauteil nie seine erforderliche Versorgungsspannung erreicht und nur durch Zufall außerhalb der Spezifikation funktioniert. Daher sollen Zuleitungen der Spannungsversorgung möglichst breit und kurz sein. Idealerweise führt der Leiterplattenentwickler die Zuleitungen großflächig auf separaten Lagen aus (Powerplanes), um den Widerstand weiter zu reduzieren.

Wie eine Spannungsversorgung im realen Fall aussehen kann, zeigen die beiden Bildschirmfotos aus dem Allegro PCB Designer von Cadence (Bild 1). Das Programm stellt die kritische Spannungsdifferenz farblich auf den Versorgungsleitungen dar und weist den Leiterplatten-Layouter ähnlich einer Rechtschreibkorrektur auf die Problemstelle hin. Mehrere Durchkontaktierungen, die eine Spannungslage auftrennen, verringern den Querschnitt der Fläche und erhöhen damit den Widerstand der Zuleitung. An dieser Stelle fällt die Spannung ab und im weiteren Verlauf der Lage ist die Spannung geringer. Am Widerstand entsteht eine Verlustleistung in Form von Wärme.

Da es auf den derzeitigen Leiterplatten meist nicht nur eine Versorgungsspannung gibt, kann die Forderung, jede Versorgungsspannung auf einer eigenen Lage zu verteilen, kommerziell nicht umgesetzt werden. Dies würde den Lagenaufbau um viele Lagen erweitern und die Kosten erhöhen. Daher werden geteilte Flächen mit mehreren Versorgungsspannungen (Split-Planes) auf einer Lage umgesetzt.

Durch die unglückliche Platzierung von Steckern oder Durchkontaktierungen kann es zu Veränderungen im Leitungsquerschnitt kommen. Der im Bild 2 gezeigte Fall wird von einem geübten Leiterplatten-Layouter auch ohne CAD-Tool erkannt. In komplexeren Schaltungen oder unter Termindruck ist allerdings keineswegs einfach zu erkennen, welche Ströme in welchen Bereichen der Versorgungsflächen fließen und wo es zu kritischen Spannungswerten kommt. Solche kritischen Stellen, oder auch die Summe vieler kleiner Verengungen, lassen sich in einer IR-Drop-Analyse mit der Allegro PCB Design Software erkennen. Die Analyse berücksichtigt die Werte der Versorgungsspannung und der erforderlichen Spannungen für alle Bauteile. Die Zuleitungen vom Netzteil bis zu allen Versorgungsspannungsanschlüssen eines ICs (VCC-Pins) werden untersucht. Dabei werden Werte für die Kupferlagendicke und Verbindungen über Durchkontaktierungen sowie die Stromrichtungen berücksichtigt.