Analyse und Modellierung der PDN-Impedanz: Vom Schaltplan zum Layout

Zachariah Peterson
|  Created: November 3, 2019  |  Updated: March 10, 2021

Traces and components on a PCB for use in PDN impedance analysis

Wir sprechen hier viel über Signalintegrität. Die Signalintegrität ist jedoch eng mit der Integrität der Spannungsversorgung verbunden. Es geht dabei um mehr als nur um die Reduzierung von Schaltgeräuschen oder Welligkeit Ihres Spannungsversorgungsreglers. Hier kann die Impedanz des PDN in Ihrer Leiterplatte in bestimmten Designs Stromversorgungsprobleme verursachen und verhindern, dass Bauteile auf Ihrer Leiterplatte wie vorgesehen funktionieren.

Deshalb ist ein Verständnis bestimmter grundlegender Modelle für die PDN-Impedanzanalyse hilfreich. Wenn Sie einigermaßen genaue Modelle für die PDN-Impedanz erstellen, können Sie geeignete Entkopplungsnetzwerke für Ihren Bauteil entwerfen, um so die Impedanz des PDN in akzeptablen Grenzen zu halten.

Warum sollte eine PDN-Impedanzanalyse durchgeführt werden?

Hochgeschwindigkeits- und Hochfrequenzdesigners, die dies lesen, kennen die Antwort auf diese Frage bereits. Angesichts der steigenden technologischen Anforderungen werden wir jedoch alle bald und schneller als wir es möchten Hochgeschwindigkeits- und Hochfrequenzdesigners sein. Daher ist es wichtig zu verstehen, wie sich die PDN-Impedanz auf das Verhalten von Signalen auf Ihrer Leiterplatte auswirkt. Leider leisten wir nicht immer die beste Arbeit, wenn es darum geht, diese Informationen an einem zentralen Ort zu platzieren. Deshalb übernehme ich dies gerne.

Kurz gesagt, die PDN-Impedanz beeinflusst die folgenden Aspekte Ihrer Schaltungen:

  • Einergiebus-Rauschen. Die durch transiente Ströme in der Leiterplatte verursachte Spannungswelligkeit. Da die PDN-Impedanz eine Funktion der Frequenz ist, ist die durch ein Umschalten verursachte Spannungswelligkeit auch eine Funktion der Frequenz. Diese Transienten können unabhängig vom Rauschpegel im Ausgang des Spannungsversorgungsreglers auftreten.

  • Dämpfung des Energiebus-Rauschens. In einigen Fällen kann eine Welligkeit des Energiebusses sich als Klingeln (d. h. eine unterdämpfte, vorübergehende Schwingung) äußern. Dieses Problem kann auftreten, wenn der Glättungskondensator falsch dimensioniert ist oder falls Sie die Eigenresonanzfrequenz Ihres Glättungskondensators in Ihrem Entkopplungsnetzwerk nicht berücksichtigen.

  • Erforderlicher Entkopplungsgrad. In der Vergangenheit waren Kondensatoren aufgrund ihrer relativ niedrigen Eigenresonanzfrequenzen (~ 100 MHz) nicht ausreichend, um eine Entkopplung in Leiterplatten mit TTL und schnelleren Logikfamilien zu gewährleisten. Deshalb verwendeten Designers die Kapazität zwischen den Ebenen, um eine ausreichende Kapazität für die Entkopplung sicherzustellen. Auf dem Markt sind nun neuere Kondensatoren mit GHz-Eigenresonanzfrequenzen verfügbar, die für die Entkopplung in Hochgeschwindigkeits-/Hochfrequenz-Leiterplatten ausreichen.

  • Stromrückführungspfad. Der Rückstrom folgt dem Pfad des geringsten Widerstands (für Gleichstrom) oder der geringsten Reaktanz (für Wechselstrom). Die Impedanz in Ihrem Massenetz variiert im Raum, was teilweise von der parasitären Kopplung zwischen den Signalleiterbahnen und dem PDN abhängt.

  • Spannungsabfall. Der Gleichstromanteil des Versorgungs- und Rückstroms geht aufgrund des inhärenten Widerstands der Leiter, aus denen das PDN besteht, etwas verloren. Das Bild unten zeigt Beispiele der PDN-Analysenergebnisse und veranschaulicht den Rückstrom unter einer bestimmten Signalleiterbahn und den Gleichstrom in derselben Massefläche.

  • Timing-Jitter. Da Signale eine begrenzte Übertragungszeit haben, dauert es einige Zeit, bis der aus den Glättungskondensatoren und dem Regler entnommene Strom die Schaltkomponente erreicht. Wenn diese Signale die Komponente erreichen, können sie das Ausgangssignal stören, wodurch in der Anstiegszeit des Signals ein gewisser Jitter entsteht. Im Allgemeinen nimmt der durch das Rauschen der Stromschiene verursachte Timing-Jitter mit der Geräuschintensität und der Länge zwischen dem Regler und der Komponente zu. Auf langen Stromschienen kann dies dazu führen, dass Timing-Jitter Hunderte in der Größenordnung von Nanosekunden erreicht, wodurch Daten desynchronisiert und die Bitfehlerrate erhöht werden können.

PDN impedance analysis output

Beachten Sie die Signalleiterbahn in der PDN Analyzer-Ausgabe

Ein einfaches Modell für die PDN-Impedanzanalyse

Sie können das Impedanzspektrum Ihres PDN und dessen Einschwingverhalten direkt aus dem Schaltplan modellieren, solange Sie in Ihrem PDN die Parasitics berücksichtigen. Im folgenden Modell erkennen Sie mehrere Schaltungselemente. Dieses Modell enthält jedoch nur zwei reale Bauteile. Das erste ist Ihr Netzteil / Regler, der eine bestimmte Ausgangsimpedanz Z(out) aufweist und in der Regel eine RL-Serie ist. Das zweite Bauteil ist der Glättungskondensator, der eine ideale Kapazität von Cc1 hat. Die übrigen Schaltungselemente sind parasitär. Die Rs- und Ls-Werte sollen den Eigenwiderstand des Leiters und die Induktivität der parasitären Versorgungsfläche modellieren. Die Rp-, Lp- und Cp-Elemente stellen die parasitäre Kopplung zwischen Strom- und Masseflächen (d. h. die Kapazität zwischen den Ebenen) dar.

PDN impedance analysis model

Ein einfaches Modell für die PDN-Impedanzanalyse. Bildquelle:  nwengineeringllc.com

Vor der Analyse dieses Modells müssen Sie die Werte der verschiedenen Elemente in Ihrem Modell bestimmen oder schätzen. Die Werte des Glättungskondensators sind einfach. Sie können Sie dem Datenblatt des gewünschten Kondensators entnehmen. Die Kapazität zwischen den Ebenen kann auch leicht grob geschätzt werden. Verwenden Sie einfach die dielektrische Konstante für Ihr Substrat, den Bereich der überlappenden Masse-/Stromversorgungsflächen, und die Distanz zwischen ihnen im Lagenaufbau und Sie erhalten die Kapazität-Cp zwischen den Ebenen. Die verbleibenden R-Werte können unter Verwendung der beabsichtigten Leiterbahndimensionen berechnet werden. Die L-Werte müssen aus der ungefähren Schleifeninduktivität für jeden Teil des Schaltkreises geschätzt werden. Diese Werte liegen im Allgemeinen in der Größenordnung von pH bis zu einigen nH.

Bei der Analyse dieses Modells haben Sie ein zweifaches Ziel:

  1. Ermitteln Sie die Impedanz zwischen den Anschlüssen + und - auf der rechten Seite als Funktion der Frequenz. Dies kann mit einem einfachen Frequenzdurchlauf erreicht werden.

  2. Stellen Sie sicher, dass die PDN-Impedanz unter Ihrer Zielimpedanz liegt. Die Zielimpedanz wird unter Verwendung des Stroms, den ein Schalt-IC in das PDN aufnimmt, und der zulässigen Spannungswelligkeit berechnet:

PDN impedance analysis model

Zielimpedanz

  1. Untersuchen Sie das Verhalten der Transienten, indem Sie eine Stromquelle parallel zum Stromversorgungsausgang hinzufügen (setzen Sie den Pluspol vor Z (out)). Stellen Sie die Stromquelle so ein, dass sie einen Delta-Funktionsimpuls mit der in der folgenden Gleichung gezeigten Gesamtladung Q oder einen gestuften Strom liefert. Dies simuliert einen Stromstoß, der sich zu einem Schalt-IC am rechten Ende des PDN ausbreitet.

PDN impedance analysis model

Impulsgröße, die Sie verwenden sollten, um das Einschwingverhalten in dem PDN zu simulieren

  1. ⦁    Stellen Sie sicher, dass die PDN-Resonanz mit der niedrigsten Frequenz (d. h. die Spitze im Impedanzspektrum) größer ist als die Kniefrequenz für Ihre Schalt-ICs. Das Ziel ist, die Welligkeit über ein möglichst breites Frequenzband zu minimieren.

Beachten Sie, dass Punkt Nr. 3 dazu gedacht ist, das Einschwingverhalten aufgrund von nachgeschalteten Schalt-ICs zu modellieren. Wenn Sie 10 ICs haben, die gleichzeitig schalten und alle den gleichen Übergangsstrom in das PDN ziehen, dann ist Ihre Impulsgröße um den Faktor 10 größer und die Zielimpedanz muss um den Faktor 10 kleiner sein. Nachdem Sie diese drei Punkte untersucht haben, können Sie mit der Interpretation Ihrer Ergebnisse fortfahren und bestimmen, welche Designmaßnahmen Sie zur Unterdrückung von Stromschwankungen in Ihrem PDN ausführen können.

Interpretieren der Ergebnisse der PDN-Impedanzanalyse

In Bezug auf die Punkte 1 und 2 sollten Sie sicherstellen, dass die PDN-Impedanz bei allen Frequenzen zwischen der Taktfrequenz und der Kniefrequenz (für digitale Signale) oder innerhalb der von Ihnen verwendeten Frequenz (für analoge Signale) niedriger ist als die Zielimpedanz. Wenn dies der Fall ist und Sie die Impedanz basierend auf dem Fall, in dem jeder IC gleichzeitig schaltet, berechnet haben, wird Ihr PDN wahrscheinlich wie vorgesehen funktionieren, ohne dass sich daraus Signalintegritätsprobleme ergeben.

Die Behandlung der Ergebnisse von Punkt 3 hängt davon ab, ob das Einschwingverhalten in dem PDN als unterdämpfte Schwingung auftritt. Wenn das Einschwingverhalten unterdämpft ist, dann müssen Sie die Schwingung in den kritisch gedämpften oder überdämpften Bereich bringen. Dazu benötigen Sie einen größeren Glättungskondensator oder einen Kondensator mit niedrigerer effektiver Serieninduktivität. Der Glättungskondensator sollte so dimensioniert sein, dass er die oben angegebene Impulsladung liefert. Sie können jedoch auch versuchen, einen größeren Glättungskondensator zu verwenden, um die Bedingungen für die niedrigste PDN-Resonanz so zu ändern, dass das Einschwingverhalten überdämpft oder unermesslich klein ist.

Das Erreichen des Ziels in Punkt 4 ist nicht immer möglich. Sie sollten jedoch trotzdem einen Versuch unternehmen. Auch wenn Sie das Designziel nicht erreichen, sind Sie dennoch sicher, wenn die Impedanz bei einer PDN-Resonanz immer noch geringer ist als die Zielimpedanz und wenn es nur eine PDN-Impedanzresonanz in Ihrer relevanten Bandbreite gibt. Wenn es innerhalb der relevanten Bandbreite mehrere Impedanzresonanzspitzen gibt, haben Sie möglicherweise ein Problem, da die Gesamtimpedanz, die vom transienten Strom gesehen wird, ungefähr die Summe der Spitzenimpedanzen ist. Es ist nun wahrscheinlich, dass diese Gesamtimpedanz die Zielimpedanz überschreitet.

Zusätzlich zu den oben erwähnten Problemen mit der Dimensionierung des Glättungskondensators und der Eigenresonanz sollten die Ergebnisse aus Punkt 3 veranschaulichen, weshalb die Kapazität zwischen den Ebenen als Voraussetzung für die ordnungsgemäße Entkopplung von ICs mit einer Logik von 1 ns oder schneller (z. B. ECL) aufgeführt ist. Abgesehen von der Verwendung von sehr großen Glättungskondensatoren mit sehr hohen Eigenresonanzfrequenzen (die jetzt auf dem Markt erhältlich sind) war die Platzierung der Masse- und Leistungsflächen auf benachbarten Lagen historisch gesehen die einzige Möglichkeit, das erforderliche Maß an Entkopplung in einem PDN zu liefern. Unabhängig davon, ob Sie die Kapazität zwischen den Ebenen erhöhen oder die Kapazität entkoppeln, indem Sie mehrere Kondensatoren verwenden (siehe auch den Link zum Artikel im vorherigen Abschnitt), wird das Einschwingverhalten bei ausreichend großer Kapazität in den überdämpften Bereich versetzt, wodurch es effektiv beseitigt wird.

Wie steht es mit Die und Verpackung?

Der Designer hat hoffentlich bemerkt, dass die Beiträge der Verpackung und Die-Impedanz nicht in die oben erwähnte Analyse einbezogen wurden, da sie im Verbraucher im PDN integriert sind. Sie müssen auch im PDN berücksichtigt werden, da sie kapazitive und induktive Parasitics enthalten.

PDN impedance analysis with component die and package

PDN-Modell mit Verpackung und Die-Parasitics

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About Author

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Zachariah Peterson verfügt über einen umfassenden technischen Hintergrund in Wissenschaft und Industrie. Vor seiner Tätigkeit in der Leiterplattenindustrie unterrichtete er an der Portland State University. Er leitete seinen Physik M.S. Forschung zu chemisorptiven Gassensoren und sein Ph.D. Forschung zu Theorie und Stabilität von Zufallslasern. Sein Hintergrund in der wissenschaftlichen Forschung umfasst Themen wie Nanopartikellaser, elektronische und optoelektronische Halbleiterbauelemente, Umweltsysteme und Finanzanalysen. Seine Arbeiten wurden in mehreren Fachzeitschriften und Konferenzberichten veröffentlicht und er hat Hunderte von technischen Blogs zum Thema PCB-Design für eine Reihe von Unternehmen verfasst. Zachariah arbeitet mit anderen Unternehmen der Leiterplattenindustrie zusammen und bietet Design- und Forschungsdienstleistungen an. Er ist Mitglied der IEEE Photonics Society und der American Physical Society.

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