PDN-Impedanz in SPICE simulieren und analysieren

Einige der am schwierigsten zu simulierenden Aspekte einer Leiterplatte sind das Signalverhalten im Hochgeschwindigkeitsbereich ("High Frequency" oder HF), die HF-Signalausbreitung und PDN-Simulationen. Um brauchbare Ergebnisse zu erzielen, erfordern zwei von diesen drei elektromagnetischen Phänomenen spezifische Feldlöserwerkzeuge – und zwar die HF-Signalausbreitung und -Ausbreitung. Dabei gibt es einfach viel zu viele Störeinflüsse und designspezifische Effekte, um sie alle in einer einzigen Schaltungssimulation zu berücksichtigen. So sehr wir uns auch bemühen, es gibt einfach zu viele Informationen und wir können nicht alle ausreichend in diesen beiden Situationen modellieren.

PDN-Simulationen sind jedoch etwas anders: Der zu simulierende relevante Frequenzbereich ist hier nämlich niedriger, typischerweise weniger als 10 GHz für die meisten Geräte. Ein PDN, welches digitale Komponenten mit moderater Geschwindigkeit auf einer relativ kleinen Leiterplatte unterstützt, kann daher eher mittels SPICE-Simulationen modelliert werden, als durch elektromagnetische Feldlöser-Simulationen. Sie können dabei mit einer SPICE-Simulation einige nützliche Ergebnisse erzielen, solange die Leiterplatte klein genug ist oder die Frequenzen niedrig genug sind.

All dies ist noch Neuland für Sie? Keine Angst, ich zeige Ihnen, wie Sie es richtig einrichten und welche Ergebnisse Sie erwarten können. Durch die Simulation von Schaltvorgängen in einer Lastkomponente, welche mit einem PDN verbunden ist, können Sie einige nützliche Daten extrahieren; Daten, mit denen Sie Ihr PDN beschreiben und sogar seine Netzwerkparameter berechnen können. Das Ziel der unten dargestellten Simulationen ist dabei die Extraktion folgender Daten:

• ein PDN-Impedanzspektrum
• das am Eingangspin der Lastkomponente gemessene Einschwingverhalten
• wie sich diese Parameter ändern, wenn sich die Kapazität ändert.

Die Beschränkung auf relativ langsame und kleine Leiterplatten ist hier wichtig; ich werde im weiteren Verlauf etwas genauer beschreiben, was das wirklich bedeutet.

PDN-Simulation einrichten

Eine Standardsimulation zur Beschreibung der PDN-Impedanz und zur Berechnung des Einschwingverhaltens ist im folgenden Schaltplan einmal exemplarisch dargestellt. Ich habe ihn in Altium 365 Viewer eingerichtet, damit Benutzer durch das Design blättern und sehen können, wie die Simulation genau eingerichtet ist.

Der Simulationsschaltplan wurde mit einer Reihe von Entkopplungskondensatoren erstellt. Diese wurden nicht in einer bestimmten Reihenfolge ausgewählt. Ich habe die Zahl der Kondensatoren anfangs niedrig gehalten, werde sie aber später in der Simulation erhöhen, nur damit wir sehen können, wie sich die Erhöhung der Kapazität auf die Ergebnisse auswirkt. Auch die anderen Parameter werden wir im weiteren Verlauf anpassen.

Äquivalentes Schaltungsmodell

Dieser Schaltplan wird mit Komponenten aus der Bibliothek „Simulation generischer Bauteile“ eingerichtet; die Bibliothek ist in Altium Designer integriert. Falls Sie kein Benutzer von Altium Designer sind, können Sie all dies auch in jedem anderen Simulationsprogramm nachbilden. Dazu müssen Sie dann allerdings generische Komponenten in einem SPICE-Paket oder einem anderen Schaltplan-Editor verwenden. Die Gesamtsimulation besteht aus vier Abschnitten, wie ich im Schaltplan angegeben habe:

• Regler: Dies ist das Spannungsregler-Modul oder der Spannungsregler-Stromkreis, das bzw. der das PDN mit Strom versorgt. Ich habe hier den nominalen Ausgangswiderstand und die Induktivität mit angegeben.
• Entkopplung: Dies ist der Bereich der Entkopplungskondensatoren. Bei den Kondensatoren sind ESL und ESR als diskrete Komponenten enthalten, um sie deutlich hervorzuheben. Beachten Sie, dass Sie die Werte der Komponenten auch direkt als Parameter mittels des Properties Panels definieren können.
• Fläche: Dieser Abschnitt definiert die Kapazität, Induktivität und den Widerstand unseres Versorgungs-/Masseflächenpaares. Bei der Induktivität in diesem Bereich handelt es sich um eine Streuinduktivität – tiefgehendere Details zu dieser habe ich schon in einem anderen Artikel beschrieben.
• PWR_IN: Dies ist der Bereich der Eingangsleistung in unserem Last-IC. Ich habe versucht, den Eingang über Induktivität (Pin-Gehäuse-Induktivität) und Kontaktwiderstand am Eingang zu modellieren. Diese Werte sind dabei produkt- und gehäusespezifisch, aber stellen durchaus typische Größenordnungszahlen dar.

Dieses gleichwertige Schaltungsmodell erfordert die Anpassung der Flächenkapazität (CP1), der Flächeninduktivität (LP1) und der Anzahl der Entkopplungskondensatoren. Um diese Daten zu erhalten, verwenden wir die Analyse von Einschwingvorgängen (Transientenanalyse) und AC-Sweep-Simulationen. Zuvor sollten wir aber kurz die oben dargestellte NMOS-Komponente besprechen.

Modellierung der Last

Der Bereich PWR_IN enthält ein Modell für die Last, welches einfach einen schaltenden n-Kanal (MOSFET) darstellt. Bei der Modellierung der Last und der Betrachtung des Einschwingverhaltens auf dem PDN besteht das Ziel letztlich darin, zu untersuchen, wie das PDN auf Schaltvorgänge reagiert, die dann Strom aufnehmen. Einen schnellen MOSFET auf diese Weise zu verwenden, ist eine Methode, um zu untersuchen, wie der Laststrom basierend auf einem Logikeingang plötzlich in einen Hochstromzustand umschaltet. Dieser Logikeingang wird mit dem VSRC-Element modelliert, das im Properties Panel auf Impulsmodus eingestellt ist. Ich habe die Anstiegs- und Abfallzeiten hier auf 1 ns eingestellt. Dies liegt nicht im Superhochfrequenzbereich, obwohl die Bandbreite von 1/(Anstiegszeit) 500 MHz beträgt, so dass das Signal durch schlechte Entkopplung in den Flächen und größere Kondensatoren beeinträchtigt werden könnte.

Dies kann auch erreicht werden, indem man eine Stromquelle auf den gepulsten Modus einstellt. So würde effektiv die gleiche Funktion des Umschaltens der Last zwischen Zuständen mit niedrigem und hohem Strom ausgeführt. In der Simulation werden dann der resultierende Strom und die Spannung abgelesen, welche an den MOSFET-Drain abgegeben werden. Eine genauere Methode wäre es, einen CMOS-Pufferschaltkreis zu platzieren und so einen IO zu modellieren. Aber dies eignet sich besser für die Untersuchung von Dingen wie Ground Bounce oder Jitter, also heben wir es uns für später auf. Im Moment betrachten wir das obige Modell. Wir schauen uns hier genau an, was passiert, wenn Logikschaltkreise den Zustand wechseln und Strom durch das PDN ziehen.

Ergebnisse

Zunächst möchte ich die Ergebnisse für den obigen Fall betrachten. Hier haben wir 9 Entkopplungskondensatoren mit verschiedenen Werten parallel vorliegen, alle mit ähnlichen ESL- und moderaten ESR-Werten. Der ESR-Wert ist hier wichtig, da er dazu beiträgt das PDN-Impedanzspektrum abzuflachen (dies habe ich in einem anderen Artikel zur PDN-Impedanz schon gezeigt). Die Simulationsparameter lauten hier wie folgt:

• Transientenanalyse: 10 ns Schrittweite, 5–10 us Gesamtsimulationszeit
• AC-Sweep: 10 GHz maximale Frequenz, Berechnung von |Z| für das PDN
• Anzahl der Entkopplungskondensatoren: Ich werde mir hierzu den obigen Block mit 9 Kondensatoren und einen vierfachen Block mit 36 Kondensatoren ansehen.
• Flächenkapazität: Low-Zustand (CP1 = 20 pF) und High-Zustand (CP1 = 1 nF)
• Kernspannung: VDD = 1,8 V

9 Kondensatoren, 20 pF Flächenkapazität

Bei nur 9 Entkopplungskondensatoren und 20 pF Flächenkapazität sind sehr große Schwankungen im Einschwingverhalten zu erkennen. Diese können eine Amplitude von bis zu ~300 mV erreichen und die gewünschte Kernspannung von 1,8 V überlagern. Dies ist für jede praktische Anwendung unannehmbar groß und würde erhebliche Störungen am Ausgang erzeugen. Die hier gezeigten Daten wurden aus der .sdf-Datei extrahiert und in das Excel-Format exportiert.

36 Kondensatoren, 1 nF Flächenkapazität

Schauen wir uns einmal an, was passiert, wenn wir die Anzahl der Entkopplungskondensatoren vervierfachen und die Flächenkapazität um den Faktor 50 erhöhen. Die neue und verbesserte Version dieses Designs ist unten dargestellt. Der Entkopplungskondensatorblock wird im Grunde also kopiert, um die äquivalente Kapazität dieses Entkopplungsnetzwerks zu erhöhen.

Die Ergebnisse zeigen dabei deutlich den Vorteil von Versorgungs-/Masseflächenpaaren und einer höheren Zahl an Entkopplungskondensatoren. Denn mit zunehmender Kapazität nimmt die Amplitude des Einschwingvorgangs im Allgemeinen ab, genau wie wir es auch erwarten würden. Wenn wir also die Anzahl der Kondensatoren vervierfachen und die Flächenkapazität erhöhen, schwankt die Reaktion der Stromschiene auf das PDN auf einmal nur noch mit einer Amplitude von 100 mV.

Dies ist für eine 1,8-V-Schiene immer noch etwas groß und man könnte meinen, dass die Verwendung von 36 Kondensatoren ein besseres Ergebnis erzielen sollte. Indem wir uns jeweils die Impedanzspektren genauer ansehen, können wir ein besseres Gefühl dafür bekommen, warum wir mit mehr Kondensatoren keine signifikantere Dämpfung erhalten.

Vergleich der Impedanzen

Wir können die PDN-Impedanz auch erhalten, indem wir das Verhältnis der komplexen V/I-Antwortfunktionen im Frequenzbereich (AC-Sweep-Ergebnisse) nehmen und anschließend die Größe dieses Verhältnisses berechnen. Wir sehen, dass die PDN-Impedanz immer noch etwas groß ist, insbesondere in der Nähe der Bandbreitengrenze von 1/ (Anstiegszeit). Wir können den Vorteil auch sehen, wenn wir uns das PDN-Impedanzspektrum ansehen, wie unten dargestellt. Das folgende Diagramm vergleicht die aktuelle Situation mit 36 Entkopplungskondensatoren/1 nF mit der vorherigen Situation von 9 Entkopplungskondensatoren/20 pF.

Beachten Sie, dass wir über etwa 1 Dekade hinweg nur eine niedrige Impedanz (100 mOhm) vorliegen haben. Wir möchten, dass dieses Band mit geringer Impedanz möglichst flach und breit ist. Wir haben auch einige Spitzenwerte um 3 MHz und einen Hochfrequenzbereich bei 630 MHz. Um diese Probleme zu lösen, benötigen wir möglicherweise eine größere Anzahl und Vielfalt von Kondensatoren. Wir können auch einige andere Tricks anwenden, wie z. B. die Anzahl der Durchkontaktierungen beim Lagenübergang in den IC zu erhöhen. Denn dies würde die Gesamtinduktivität an der PWR_IN-Eingangsstufe verringern und wir könnten dies wiederum in der SPICE-Simulation berücksichtigen.

In der Praxis sind 36 Low-ESL-/Low-ESR-Kondensatoren bei ICs mit hoher IO-Zahl durchaus üblich. Wir finden Sie definitiv bei ICs, die in einem einzigen Impuls 720 mA Strom ziehen müssen. Wenn Sie sich einige Referenzdesigns oder Evaluierungsprodukte ansehen, die Hochgeschwindigkeitskomponenten mit hoher IO-Zahl verwenden, werden Sie feststellen, dass 36 Entkopplungskondensatoren eine noch eher geringe Zahl darstellen. Nur zur Veranschaulichung: Der dI/dt-Wert für diesen Impuls beträgt 720 mA/s (das sind 720 Mega-Ampere pro Sekunde!). Das ist eine gewaltige Zahl, die eine sehr schnelle Entladung vieler Kondensatoren erfordert. Eingebettete Kapazitätsmaterialien auf diesem dünnen Dielektrikum zur Flächentrennung erhöhen dabei auch die Flächenkapazität.

Warum „kleine” Leiterplatten?

Was genau ist ein „kleines“ Spannungsversorgungssystem (PDN)? Erinnern Sie sich daran, dass beim Schalten der Last ein Breitband-Stromimpuls in das PDN gezogen wird, welcher sich mit Lichtgeschwindigkeit hierdurch bewegt. Stellen Sie sich das einfach als ein sich ausbreitendes Signal vor, welches jedoch Strom statt Daten überträgt. Bei einem kleinen PDN können wir Ausbreitungseffekte ignorieren – ähnlich wie wir es bei einer Übertragungsleitung tun würden. Tatsächlich ist der Vergleich mit Übertragungsleitungen hier angebracht: Denn ein PDN wird manchmal mit demselben pauschalen Schaltungsmodell beschrieben, welches auch in Übertragungsleitungen verwendet wird.

Wenn die Wellenlänge mit der größten Frequenzkomponente im abgegebenen Leistungsimpuls viel größer ist als die Nenngröße der Leiterplatte, können wir einfach ignorieren, dass sich eigentlich unsere abgegebene Leistung vom Reglerausgang zum Lasteingang ausbreiten müsste. Dies folgt der gleichen Logik, mit der wir verstehen, warum wir eine kritische Länge in einer Übertragungsleitung definieren können. Sobald das Design allerdings zu groß wird oder wenn die relevante Bandbreite sehr hohe Frequenzen erreicht, ist es an der Zeit für elektromagnetische Löser. Wir benötigen diese dann, um eine vollständige Simulation der PDN-Impedanz durchzuführen und das Einschwingverhalten korrekt zu extrahieren.

Was fehlt?

Dem aufmerksamen Design-Entwickler ist wahrscheinlich aufgefallen, dass etwas Wichtiges hier fehlt: Wir haben den Leistungsverlust in der Flächenkapazität nicht berücksichtigt! Dies bezieht sich auf den imaginären Teil der dielektrischen Konstante; den Teil, der durch das Hinzufügen eines Vorwiderstands mit der Flächenkapazität modelliert werden würde. Er spielt im Grunde die gleiche Rolle wie G in einer Impedanzgleichung für Übertragungsleitungen. Die Größe dieses Widerstands erfordert dabei einige zusätzliche Berechnungen. Diese hängen unter anderem von der Verlustmenge im dielektrischen Material ab – jenes Material, welches die Kupferlage trennt. Im folgenden Artikel über Versorgungsflächenresonanzen werden wir uns die positiven Auswirkungen einer Tangente mit hohen Verlusten im Laminat näher ansehen können.

Was können wir sonst noch simulieren?

Die oben dargestellten Ergebnisse zeigen deutlich, wie die zusätzliche Kapazität die PDN-Impedanz verringert und die Kernspannung stabilisiert. Die oben genannten Kondensatoren wurden dabei zufällig ausgewählt, sie basieren nicht auf einer gründlichen Analyse hinsichtlich bestimmter Frequenzbereiche. Wir könnten noch bessere Ergebnisse erzielen, wenn wir diese Übung wiederholen und eine Reduzierung der PDN-Impedanz über eine größere Bandbreite vornehmen würden.

Zu den weiteren Punkten, die wir in SPICE simulieren könnten, gehören:

• S-Parameter für das PDN durch Berechnung der Impedanz an den Ein- und Ausgangsports, was wir bereits durchgeführt haben.
• Impulsantworten für jeden Stromimpuls, der in das PDN gezogen wird.
• Übertragungsimpedanzen zwischen mehreren Schienen im PDN
• Die Auswirkungen zusätzlicher Induktivität, wie zum Beispiel durch Hinzufügen eines Ferrits zum Stromanschluss (dies schauen wir uns aber genauer in einem späteren Artikel einmal an).
• Hinzufügen eines Bypass-Kondensators direkt zum Leistungseingang an der Last (parallel zu Q1)

Das integrierte SPICE-Paket in Altium Designer® hilft Ihnen bei der Durchführung einer Reihe von Simulationen – einschließlich PDN-Simulationen. Sie möchten diese Dateien an Ihre Mitarbeiter für weiter fortgeschrittene Simulationen freigeben? Dies können Sie mithilfe der Altium 365™-Plattform einfach und schnell tun. Die Plattform erleichtert Ihnen dabei allgemein die Zusammenarbeit mit mehreren Akteuren und die gemeinsame Nutzung Ihrer Projekte. Alles, was Sie für das Design und die Herstellung moderner Elektronik benötigen, finden Sie bei Altium also in einem einzigen Softwarepaket.
Dabei haben wir hier nur an der Oberfläche dessen gekratzt, was mit Altium Designer auf der Altium 365-Plattform möglich ist. Starten Sie noch heute Ihre kostenlose Testversion von Altium Designer + Altium 365.