Optimierung von Leistungsangaben für Bauteile mithilfe eingebetteter Entwurfsregeln

Quellenangabe: nic_r auf Flickr (CC BY 2.0)

Ich erinnere mich an mein erstes Schaltungsdesign, das die Qualifikation nicht bestand. Es handelte sich um ein bewährtes Design, das bereits eine vorherige Qualifikation absolviert hatte. Dementsprechend überrascht war ich, als mein Manager mir mitteilte, dass der Test fehlgeschlagen sei. „Die Schaltung ging in Flammen auf“, so das Gerücht. Selten entzündet sich eine elektronische Schaltung wirklich – sie rauchen eher ein bisschen. Die Brandpuren auf der Leiterplatte ließen jedoch keinen Zweifel: ein Transistor hatte sich so überhitzt, dass er thermisch durchging und schließlich brannte. Wie konnte das geschehen? Es war doch ein bewährtes Design. Was hatte sich geändert?

Nach kurzer Untersuchung erwies sich die Schaltung als die gleiche. Die gleichen Bauteile, die gleichen Ein- und Ausgänge, ebenso dieselbe Partie und derselbe Hersteller. Nur eins hatte sich geändert: das Layout. Als ich diese Platine entwarf, musste das Format an einen Teil der mechanischen Baugruppe angepasst werden. Das den Leistungstransistor umgebende Kupfer war ursprünglich etwa einen Quadratzoll groß. In diesem Design wurde es jedoch auf ungefähr ein Drittel davon reduziert. Aufgrund von Platzbeschränkungen waren andere Wärme produzierende Bauteile auf dem PCB näher als ideal aneinander gerückt. Beide Faktoren verursachten mehr Wärme als diese geringe Menge an Kupfer ableiten konnte, was zum vorzeitigen Ableben meines Transistors beitrug.

Führen Sie eine Liste mit Entwurfsregeln zum Quantifizieren kritischer Bauteile

Der Wissenstransfer ist am Arbeitsplatz nahezu immer der größte Engpass und das größte Zeitgrab. Unter idealen Umständen legen Designer sorgfältig alle Gedankengänge bei der Ausarbeitung ihrer Designs schriftlich nieder, damit ihr Vorgehen später nachvollziehbar ist. In der Realität aber ist es meist anders, weil es a) langweilig ist und b) Notizen verloren gehen. Der Haken dabei ist, dass zwar die Wiederverwendung bewährter Designs auf dem Papier eigentlich effizienter ist, wenn aber viele der kritischen Design-Parameter vergessen werden – entweder aufgrund schlechter Aufzeichnungen oder unvollständiger Weitergabe von Wissen – werden Sie mit dem Erraten und Überprüfen von Design-Parametern Zeit verschwenden. Mit dem Einbetten einiger weniger Entwurfsregeln lässt sich verhindern, dass kleine Änderungen ein Design vernichten. Gleichzeitig sparen sie Zeit. Und so macht man es gleich von Anfang an richtig:

Erstellen und Einbetten von Designregeln, so dass sie für immer Bestand haben

Ich mag Regeln, die einen Sinn ergeben. Deshalb ist es wichtig, die Verlustleistungs-Restriktionen zu definieren, bevor Sie Entwurfsregeln dafür erstellen. Am besten geht dies, indem Sie ein Datenblatt anlegen. Ein gut geschriebenes Datenblatt hat in der Regel mindestens drei Klassifikationen von Leistungswerten, die vom besten bis zum schlechtesten Fall alle Szenarien abdecken.

1. Der erste Wert ist die Verlustleistung für das freistehende, nicht angeschlossene Bauteil. Das kann als Verlustleistung im schlimmsten Fall angenommen werden.
2. Der zweite Wert ist die Verlustleistung des Bauteils, wenn es auf „typische“ Art und Weise auf eine FR-4-Kupferplatine gelötet wird, wobei „typisch“ ein eher subjektiver Begriff ist. Dieser Leistungswert kann als durchschnittlich betrachtet werden, sollte aber nach Möglichkeit empirisch überprüft werden.
3. Der dritte Wert ist die Verlustleistung im günstigsten Fall. Der tritt ein, wenn das Bauteil perfekt auf einen Quadratzoll von zwei Unzen Kupfer montiert ist. Dieser Wert sollte als theoretischer Wert betrachtet werden, der in der Praxis kaum erreicht werden wird.

Die bei der Berechnung zugrunde gelegte Verlustleistung sollte nach eigenem Ermessen irgendwo zwischen dem typischen und dem besten Fall angesiedelt werden.

Nachdem Sie jetzt wissen, wieviel Leistung abfällt, können Sie eine Regel erstellen. Falls einmal jemand Ihr Design verwendet, braucht er so nicht einmal in Ihrem Original-Datenblatt nachzusehen. Das soll aber nicht heißen, dass Sie alle Sorgfalt über Bord werfen und Ihre Datenblätter schlecht führen sollen. Betrachten Sie sie einfach als Rückfallebene oder als zusätzliche Verdeutlichung Ihrer Designs. Moderne Design-Software mit Bauteilbibliotheken kann dazu beitragen, Zeit bei der Bewertung von Bauteilen zu sparen und es den Benutzern ermöglichen, bestimmten Bauteilen Regeln zuzuweisen. Ich weiß jetzt, dass ich mein Design, sofern das Layout keine hinreichende Entwärmung ermöglicht, lieber dann ‚debuggen‘ möchte, wenn es noch virtuell ist und nicht in Brand geraten kann.

Weitere Wärmetricks

Das Einbetten von Entwurfsregeln ist die Lösung der Wahl für den Transfer von Wissen über die Verlustleistung von Bauelementen. Es gibt jedoch noch ein paar weitere Tricks:

Verwenden Sie Stitching Vias – Stitching Vias können zur Ableitung von Wärme auf die andere Seite einer Leiterplatte genutzt werden. Ist eine Platinenseite übermäßig dicht mit Bauelementen besetzt, können Stitching Vias die entstehende Wärme oft sehr effektiv an die andere Seite abführen, wo möglicherweise mehr Fläche zur Entwärmung zur Verfügung steht.

Externe Wärmequellen – Kalkulieren Sie die Möglichkeit ein, dass Wärme von außen auf Ihr PCB gelangt. Eine Schaltung kann im Laborversuch einwandfrei funktionieren, aber in Brand geraten, sobald sie mit einer Metallfläche verschraubt wird, die von außen erwärmt wird. Schon die passive Erwärmung durch direktes Sonnenlicht auf der Armaturentafel eines Autos kann ausreichen, um grenzwertige Designs zu beschädigen. Meist sind es gerade die unerwarteten Einflüsse, die zu Schäden führen.

Redesigns vermeiden mit eingebetteten Entwurfsregeln

Wenn man diese Fälle beim Entwerfen eines PCB berücksichtigt, lassen sich am Design kleine Anpassungen vornehmen, die Ihnen spätere unerwartete Revisionen ersparen. Aufzeichnungen zu machen, ist immer unverzichtbar. Abhängig davon, wie diese Notizen im Team geteilt werden, können sie jedoch auch verlorengehen. Durch das Einbetten von Entwurfsregeln direkt in das Design sind relevante Informationen stets dort, wo sie benötigt werden – im Design. Mit der Entwurfregel-Funktion von Altium Designer kann jeder Designer vorausschauend jene Fallstricke vermeiden, die später zu Redesigns führen können.