Geräte werden kleiner und immer leistungsfähiger, was zu einem Wandel der Versorgungsspannungen von digitalen Schaltungsteilen von früher 5 Volt auf heute um ca. 1 Volt nach sich zieht. Diese Verringerung um 80 Prozent erfordert viele neue Maßnahmen beim Design von Leiterplatten. In den Datenblättern der Bauteilhersteller ist zu sehen, dass die absoluten Toleranzen in der Versorgungsspannung außerdem um etwa 80 Prozent gesunken sind. Das bedeutet, dass die Qualität einer aktuellen Strom- und Spannungsversorgung auf Leiterplatten um ein Vielfaches besser sein muss. Die Leistung der Elektronik-Baugruppen ist aber nicht gesunken. Da die Leistung das Produkt aus Spannung und Strom ist, ist also der Strom, der auf einzelnen Versorgungsleitungen fließt, in der heutigen Leiterplatte gestiegen. Ströme von mehreren Ampere sind keine Seltenheit. Diese hohen Stromstärken führen zu Problemen auf Leiterpatten, die durch ein geschicktes Design vermieden werden können.

Unterschiedlicher Spannungsabfall durch ungeschickte Platzierung der Durchkontaktierungen.

Unterschiedlicher Spannungsabfall durch ungeschickte Platzierung der Durchkontaktierungen. Flowcad

Power-Integrität in allen Betriebszuständen

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 die Funktionalität auf den Leiterplatten zunimmt, ist eine stabile Strom- und Spannungsversorgung keine triviale Anforderung. Bei der Auslegung eines Versorgungssystems gibt es ein Netzteil, das meist aus einem getakteten Schaltnetzteil besteht. 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 die benötigte Ladung aus dem lokalen Zwischenspeicher mit der benötigten Geschwindigkeit (über den Frequenzbereich) abgeben. Elektrolytkondensatoren können größere Ladungsmengen bei mittleren, Keramik- und Tantal-Kondensatoren kleinere Ladungsmengen bei höheren Frequenzen abgeben. Bei der Powerintegrität betrachtet man die Stabilität des Power Delivery Networks (PDN) in allen Betriebszuständen über den Frequenzbereich von Gleichspannung bis zur 3- oder 5-fachen Oberwelle der auf der Leiterplatte verwendeten Taktfrequenz.

Strompfade auf einer Lage der Leiterplatte.

Strompfade auf einer Lage der Leiterplatte. Flowcad

Spannungsversorgung-Zuleitungen optimal auslegen

Nach dem Ohmschen Gesetz erzeugt ein Strom am Verbraucher (Sink Current) einen Spannungsabfall in der Zuleitung, der proportional zu deren Widerstand ist. Die Gleichspannungsanalyse ist ein wichtiger Sonderfall der Power-Integrität. Bei langen und schmalen Zuleitungen auf Leiterplatten kann dieser Effekt dazu führen, dass der Spannungsabfall so groß wird, dass die zu versorgenden Bauteile nicht mehr sicher betrieben werden können. Spannungsabfälle in der Zuleitung können 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 man die Zuleitungen großflächig auf separaten Lagen aus (Powerplanes), um den Widerstand weiter zu reduzieren.

Wie solch ein Spannungsabfall im realen Fall aussehen kann, lässt sich im Softwaresystem Allegro PCB Designer von Cadence darstellen. Das Tool stellt den kritischen Spannungsabfall farblich auf den Versorgungsleitungen dar und weist den Layouter auf die Problemstelle hin. Mehrere Durchkontaktierungen, die eine Spannungslage auftrennen, verringern den Querschnitt der Fläche und damit den Widerstand der Zuleitung. An dieser Stelle fällt die Spannung ab und ist im weiteren Verlauf der Lage geringer. Der Spannungsabfall erzeugt Wärme.

Da es auf den derzeitigen Leiterplatten meist nicht nur eine Versorgungsspannung gibt, kann die Forderung nach Spannungen auf einer eigenen Lage kommerziell nicht umgesetzt werden. Dies würde den Lagenaufbau um viele Lagen erweitern und die Kosten erhöhen. Daher werden Split-Planes, also geteilte Flächen mit mehreren Versorgungsspannungen, als Flächen auf einer Lage umgesetzt. Durch die unglückliche Platzierung von Steckern oder Durchkontaktierungen kann es zu Veränderungen im Leitungsquerschnitt kommen.

In komplexeren Strukturen oder unter Termindruck ist es nicht einfach zu erkennen, welche Ströme in welchen Bereichen der Versorgungsflächen fließen und wo es zu kritischen Spannungsabfällen 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 Vcc-Pins eines Bauteils werden untersucht. Dabei werden Werte für die Kupferlagendicke und Verbindungen über Durchkontaktierungen sowie Stromrichtungen berücksichtigt.

Impedanzkurven von unterschiedlichen Kondensatoren.

Impedanzkurven von unterschiedlichen Kondensatoren. Flowcad

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 Entnahme ausgleichen, ohne dabei die Spannung unter die geforderten Mindestwerte fallen zu lassen. Um dieses Einbrechen der Spannungspegel an den Versorgungspins zu verhindern, werden Abblock- bzw. Stützkondensatoren eingesetzt, die schnell lokal die Ladung bereitstellen. Schaltet zum Beispiel ein IC an einem Pin mit einer Anstiegszeit von 1 ns einen (dynamischen) Strom von 2 Ampere, ist ein Abblockkondensator so zu dimensionieren, dass der Spannungsabfall nicht größer als 20 mV wird (Basis bildet die Formel I = C • dV / dt).

 

2 A • 1 ns = 2 Nanocoulomb = 100 nF • 0,02 V

 

Ein keramischer X7R oder NPO SMD-Abblockkondensator kann einen Vcc-Pin mit 2 Ampere Strom 1 ns lang bei einem Spannungsabfall von maximal 20 Millivolt versorgen. Die zuvor erwähnte Rechnung erklärt, warum in den Designrichtlinien 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?

Anschlussinduktivität verschiedener PAD-Formen.

Anschlussinduktivität verschiedener PAD-Formen. Flowcad

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

Zu der internen Induktivität muss noch die Anschlussinduktivität (Mounted Inductance) hinzugerechnet werden. 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 (20 mV geteilt durch 2 Ampere). Dies ergibt eine Zielimpedanz für das Versorgungssystem. Die Zielimpedanz muss bis zu einer maximalen Kniefrequenz eingehalten werden. Der Wert für die Kniefrequenz ist 0,5 geteilt durch die Anstiegszeit. Im Beispiel also 0,5 / 1 ns = 0,5 GHz. Für die Frequenzen von Null bis 0,5 GHz muss die Impedanz des Versorgungssystems unterhalb der Zielimpedanz liegen.

 

Kniefrequenz = 0,5 / rise time

 

Betrachtet man nun ein IC, bei dem viele Ausgänge gleichzeitig schalten, errechnet sich die Zielimpdeanz, indem man die erlaubte Spannungsschwankung durch die Summe aller Ströme dividiert. Reale Werte für die Kniefrequenz liegen im Bereich 2 GHz und höher, da sich die verwendeten Anstiegszeiten in der Zwischenzeit im Bereich 500 ps und kleiner bewegen. Wenn für jede Spannung eine Lage ohne Löcher verwendet wird und direkt neben jedem Vcc-Pin ein richtig dimensionierter, idealer Kondensator platziert ist, wäre die Stromversorgung sichergestellt. Aber leider ist in der Realität die Umsetzung dieser einfachen Vorgaben nicht möglich. Es bleibt also die Frage, ist die Stromversorgung im konkreten Layout sichergestellt?

Zielimpedanz und Kniefrequenz.

Zielimpedanz und Kniefrequenz. Flowcad

Die große Frage im Design eines stabilen Versorgungssystems ist, wo werden wie viele Kondensatoren platziert. Viel hilft viel, ist hier nicht zielführend, da jeder Kondensator auf der Leiterplatte nicht nur Geld kostet, sondern auch noch die Verluste des Geräts erhöht. Hinzu kommen auch gegenseitige Wechselwirkungen der Kondensatoren in Form von Resonanzen bei bestimmten Frequenzen. Der Weg führt also zu einer Optimierung. Mit der Softwarelösung Cadence Sigrity für Power-Integrität wird die Leiterplatte analysiert und es werden Platzierungen von Kondensatoren mit unterschiedlichen Kapazitäten vorgeschlagen. Aus tausenden Simulationen kann der Anwender die vorgeschlagenen Ergebnisse nach besten elektrischen Eigenschaften oder nach dem Preis filtern und auch die Auswahl der Kondensatoren einschränken auf Bauteile, bei denen eine Second Source vorhanden ist.

Wie prüfen oder messen?

Schnell stellt sich die Frage, wie der Spannungsabfall 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 Designdaten basiert. Da hier sowohl das Gleichstromverhalten als auch das Verhalten bei hohen Taktraten berücksichtigt werden muss, ist dies eine komplexe Aufgabe. Wie kann eine Software helfen? Mit einer Simulationssoftware kann das physikalische Verhalten einer Leiterplatte nachgebildet und Spannungsabfälle 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.

PI-Software lokalisiert die Hotspots 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 Designvorgaben einzuhalten.

Zielimpedanz des Versorgungssystems mit unterschiedlicher Software berechnet.

Zielimpedanz des Versorgungssystems mit unterschiedlicher Software berechnet. Flowcad

Die Software hilft, den Lagenaufbau und die Verteilung der Spannungen auf komplette Planes oder unter bestimmten Voraussetzungen auf Split Planes 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 Software Sigrity bei der Wahl der richtigen Kondensatoren unter Berücksichtigung der realen Anschlussinduktivität. So kann die Anzahl der Kondensatoren gegebenenfalls verringert und ein Über- oder Unterdesignen verhindert werden.

Unterschiede in der Software

Worin unterscheiden sich die verschiedenen Softwarelösungen der Anbieter? Als wichtigstes Kriterium ist die Korrelation zu nennen, das heißt man geht der Frage nach, ob die angezeigten Werte überhaupt plausibel sind. Hierzu können reale Impedanzmessungen an gefertigten Leiterplatten und Vergleiche der Simulationssoftware untereinander beweisen, dass die errechneten Werte mit der Wirklichkeit übereinstimmen. Ein weiterer Punkt ist die Integration in den Designflow. 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 unverfälscht in der Simulationsumgebung ankommen oder ob die Simulation direkt auf den Layout-Daten basiert. Meist ist nicht nur eine Simulation erforderlich, sondern nach Änderungen im Layout eine Kontrolle durch eine erneute Simulation.

Ein weiterer Unterschied ist die Rechenzeit. Da es sich bei den Vollwellen-Simulationen um komplexe mathematische Operationen handelt, ist bei allen Tools viel RAM-Speicher vorausgesetzt. Die Parallelisierung auf mehrere CPU-Kerne kann hier die Rechenzeiten deutlich reduzieren. Die meisten Pakete lassen die Wahl von verschiedenen Genauigkeiten zur Modellierung bzw. der Methoden der Fieldsolver zu. 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 > 1 GHz ist auch die Oberflächenbeschaffenheit (Rauigkeit) zu beachten, da diese Auswirkungen auf die Leitfähigkeit der Materialien hat. Hilfreich ist auch, wenn bereits aus dem Stromlaufplan ein Power-Tree erzeugt wird, der die aufwändige Modellierung des Stromversorgungssystems automatisiert. Zur Analyse verschiedener Problemstellungen sollte der Power-Tree wiederverwendet werden können, damit nicht für den statischen Spannungsabfall sowie die PI-Analyse jeweils die Modellierung erneuert werden muss bzw. andere Verfahren verwendet werden müssen.