Nebenstraßen oder Autobahn: Verwalten der Stromverteilung auf dem PCB mit PDN Analyzer

Wer hat sich nicht schon einmal beim Tagträumen erwischt, wenn man einen Autobahnstau sieht und sich überlegt, wie man leichter oder effektiver pünktlich zur Arbeit kommen kann? Und selbst dann sind manchmal die Alternativrouten nicht immer die schnellsten – vielleicht wegen Straßenbauarbeiten oder einer Veranstaltung, was dazu führt, dass Sie noch mehr Ausweichrouten nehmen müssen. An diesem Punkt neigen die meisten dazu, alle Hoffnungen auf ein pünktliches Erscheinen zur Arbeit aufzugeben (oder, wenn sie in London wohnen, auf die Busspur zu wechseln).

Stellen Sie sich vor, jede Straße und jede Kreuzung oder jede Stockung in Ihrem Verkehrsfluss wäre ein Teil des Stromnetzes Ihrer PCB. Ihre Aufgabe besteht dann darin, durch die Leiterplatte zu navigieren und zu analysieren, wie Sie Ihre Stromversorgungs-Effizienz bei minimalem Verlusten optimieren können. Da Sie immer kleinere PCBs entwerfen wollen, wird der Platz für Ihr Stromverteilungsnetz (PDN) zwangsläufig immer knapper. Das führt zu einer ganzen Reihe von Designproblemen: Wie fahre ich diesen Sattelschlepper durch eine einspurige Gasse zwischen Wohnblocks? Wenn die Seiten meines Autos an den Leitplanken kratzen und Funken sprühen, könnte vielleicht irgendetwas Feuer fangen?

PCB-Designer müssen sich mit höheren Konzentrationen von Wärme und Rauschen auseinandersetzen, was empfindliche Bauteile gefährden und benachbarte Strukturen sowie die Funktionalität des gesamten Systems beeinträchtigen kann. So wie man als Kind seinen Eltern beim Einparken in einen viel zu engen Parkplatz zugesehen hat, kann man auch ausreichend Strom mit minimalen Verlusten verteilen, solange man sich an solide Designtechniken hält.

Zusammenführen von Verkehr und das Wärmemanagement bei der Stromverteilung

Eine der größten Ursachen für Verspätungen auf Autobahnen, vor allem in Kalifornien, ist, dass Vorschriften fürs Einfädeln und andere Regeln nicht beachtet werden. Nun, im PCB-Design sind ICs, Mikroprozessoren, Speichermodule, DSPs (digitale Signalprozessoren) und FPGAs (Field-Programmable Gate Arrays) Ihre Verkehrsregeln. Wenn Sie sich außerhalb der Toleranz der Versorgungsspannungen bewegen, können Sie nicht erwarten, dass Ihre Leiterplatte die Spezifikationen einhält. Einige Grundlagen sind hier ein guter Anfang:

1. Halten Sie die Leiterbahnen kurz und breit, um die Wärmedichte zu verteilen.
2. Reduzieren Sie die Impedanz, indem Sie  Bypass-Schleifen so klein wie möglich in Bezug auf Fläche und Länge halten, mit Leiterbahnen mit einem Verhältnis von Länge zur Breite von 3:1.
3. Durch optimierte Abstände zwischen den Bauteilen ergeben sich die geringsten Strom- und Wärmedichten.
4. Vermeiden Sie spitze Winkel, um die Wärme möglichst gleichmäßig über die ganze Leiterplatte zu verteilen.

Minimaler Verlust und optimale Energieeffizienz gehen Hand in Hand mit dem Wärmemanagement. Jede Kupfer-Leiterbahn mit hohen Strömen und jedes elektrisch leitfähige Bauteil ist aufgrund des elektrischen Widerstands eine Wärmequelle. Selbst passive Bauteile wie Widerstände, Kondensatoren und Spulen erzeugen eine ohmsche bzw. reaktive Erwärmung. Wenn Sie zusätzlich mit weniger Platz auskommen müssen, sehen Sie sich mit mehr Hotspots und Kupfer-Perforationen konfrontiert, was zu einer weiteren Steigerung der Stromdichte und Erwärmung führt. Designs zur Reduzierung der I²R-Effekte waren schon immer wichtig, aber für Niederspannungs-Bauelemente sind sie unerlässlich.

^{Wärmeverteilung ist eine der entscheidendsten Designüberlegungen für Ihr PCB-Layout.}

Schlaglöcher und Wild sind nicht das einzig Störende

Beim Erreichen des Ziels, Strom mit optimaler Effizienz zu verteilen, gibt es noch eine weitere Art von „Verlust“, die unter Kontrolle gebracht werden muss, nämlich Signalverluste in Form von Rauschen und Übersprechen – auch elektromagnetische Interferenz oder EMI genannt. Das Problem ist, dass praktisch jedes IC Rauschen erzeugt und jede Leiterbahn mit hohen Strömen elektromagnetische Störaussendungen abgibt, die Rauschen verursachen können und damit im Prinzip wie eine Antenne wirkt. Wenn Signale mit 300 MHz oder mehr ein- und ausgeschaltet werden, erzeugen sie außerdem magnetische Impulse, die in benachbarte Schaltungen übersprechen können. Hier sind einige Tipps zur Minimierung von EMI und Übersprechen:

• Halten Sie HF mit Ferritperlen und Bypass-Kondensatoren von Stromverteilungs-Leiterbahnen fern.
• Nicht genutzte I/O-Pins im Eingangsmodus verbinden Sie mit der Leitung mit der niedrigsten Impedanz; falls möglich, verbinden Sie die direkt mit der Masse.
• Halten Sie rauschfreie Leiterbahnen von rauschenden Bauteilen wie Verbindungen, Oszillatoren und Relais fern.
• Fassen Sie verrauschte Leiterbahnen zusammen und umgeben Sie sie mit Masseleitungen. Verlegen Sie sie außerdem nicht an den Rändern der Leiterplatte.
• Um die Ausbreitung von Rauschen zu reduzieren, kontrollieren Sie Form und Impedanz des Rücklaufwegs. Beachten Sie, dass die Spannung und der zugehörige Strom des Rauschens den Weg der geringsten Impedanz zurück zum Punkt ihres Entstehens nehmen.

• Führen Sie benachbarte Leiter nicht parallel.
• Halten Sie zwischen Signalpaaren einen Abstand ein, der dem Fünffachen der Leiterbahnenbreite entspricht.

Beim Verwalten der Stromverteilung und der Signalverluste gilt es einiges zu beachten. Besonders dann, wenn Sie mit sehr spezifischen Fertigungsanforderungen arbeiten, kann es schnell passieren, dass Sie aufgrund Ihrer Erfahrung und Expertise eine Regelüberprüfung übergehen oder eine mögliche Störquelle ignorieren. Mit einer leistungsfähigen PCB-Designsoftware wird jedoch viel Arbeit, die durch doppelte Überprüfung und Rückverfolgung entsteht, in die automatisierten Funktionen Ihrer Layout-Software verlagert.

^{Nicht immer sagen Ihnen Warnsignale, ob es auf Ihrem PCB Signalstörungen gibt.}

Obwohl er keine Abkürzung ist, wird Sie PDN Analyzer an Ihr Ziel bringen

Elektronische Bauelemente mit niedriger Spannung und hohen Stromstärken fordern jeden PCB-Designer heraus, die Verteilungsverluste zu reduzieren – trotz knapper werdendem Platz und zunehmender Bauteildichte. Stromverteilungsnetze und Fortschritte bei den ICs haben mit den wachsenden Anforderungen Schritt gehalten. Trotz aller Theorie und der überragenden Qualität der Bauteile auf der Leiterplatte, bleibt als Quintessenz dennoch: Können Sie schnell und kosteneffizient eine statistisch robuste Leiterplatte entwickeln? Die Antwort ist ein klares Ja — mit der Unterstützung von Tools zur Analyse von Stromversorgungs-Netzwerken.

Wenn Sie in der Lage sind, Stromverteilungsnetze, die Ausbreitung von Rauschen vor und nach dem Layout zu modellieren und EMI-Felder zu analysieren, haben Sie wieder etwas Spielraum. Wenn Sie thermische Muster bei der Betrachtung von Stromdichten beurteilen können, wo sie sich auf der 1-V-Versorgungslage konzentrieren und wo die Stromdichten ansteigen — unter dem Strich erhalten Sie eine optimale Stromverteilung auf einem PCB, das sich außerdem leicht an die Fertigung übergeben lässt. Finden und lösen Sie Ihre Stromverteilungsnetz-Probleme mit der intelligenten PCB-Designsoftware von Altium Designer , mit einer visuellen Stromversorgungs-Analyse direkt in Ihrer Entwicklungsumgebung, ohne Arbeitsunterbrechung sowie ohne spezielle und teure Werkzeuge oder besonderes Fachwissen.

Verleihen Sie sich die Fähigkeit, Ihre Arbeit zu analysieren, zu modifizieren und erneut zu analysieren. Wenn Sie weitere Fragen zur Optimierung Ihres Stromverteilungsnetzes und zur Minimierung von Verteilungsverlusten haben, wenden Sie sich am besten noch heute an einen Experten von Altium.