Analyse von Spannungsversorgungsnetzen für ein effektives PCB-Design von entscheidender Bedeutung ist

Woher kommt dieser Brandgeruch? Hoffentlich ist es nicht Ihr Prototyp.

Ich habe mich einmal im Holzhandwerk versucht, was sich als dumme Idee herausstellte. Ich dachte, ich könnte mit etwas einfachem wie einem Schaukelstuhl anfangen. Aufgrund meines begrenzten Wissens über Strukturen und Statik stellte ich erfolgreich einen Stuhl her, der aber, sobald ich mich darauf setzte, auseinanderbrach. In den YouTube-Tutorials, die ich genutzt hatte, wurde der Teil, in dem der Stuhl unter einem zusammenbricht, nicht erwähnt. Es ist meistens eine gute Idee, einen Experten zur Hand zu haben, der vor der mechanischen Prüfung einen Blick auf selbstgebaute Dinge wirft. Das gleiche gilt für das PCB-Design. Sie mögen ein ausgezeichneter Designer sein, ich vermute jedoch, dass Sie kein Experte sind, was die Stromversorgung angeht.

Eine Analyse-Software für Spannungsversorgungsnetze (Power Delivery Network, PDN) bietet Ihnen an Ihrem PC all die Fachkenntnissen eines Spannungsversorgungsexperten Ein gutes PDN-Analyseprogramm unterstützt Sie bei der Überprüfung von Stromdichten, möglichen Temperaturproblemen und Spannungsabfällen, bevor Sie Ihr Geld in einen Prototypen investieren, der in Flammen aufgeht.

Stromdichten und Temperaturen

Bei der Herstellung meines Schaukelstuhls ging ich in Bezug auf die Breite der Stützelemente nach der guten alten „Pi mal Daumen“-Regel vor. Es stellte sich heraus, dass man bei der Anwendung dieser Methode eine Bauchlandung erleben kann. Beim Design von Leiterbahnen für Ihre Leiterplatte wird oftmals in ähnlicher Weise vorgegangen. Man wählt eine passend erscheinende Breite aus - was kann denn schon schiefgehen? Ihre Leiterplatte könnte Feuer fangen. Stromversorgungs-Lagen, die wie ein Schweizer Käse aussehen und überladene Durchkontaktierungen können höhere Stromdichten und Temperaturen zur Folge haben. Strom fressende integrierte Schaltungen (ICs) können Ihr PCB ebenfalls warm werden lassen.

Spannungsversorgungs-Lagen: Überdimensionierung kann bei Produkten niemals wirklich das Ziel sein. Wenn allerdings Kupfer im Spiel ist, wird dies nicht weiter beachtet. Sie geraten jedoch in Schwierigkeiten, wenn Sie zu viele Stromversorgungs-Lagen aufbringen. Trotzdem nehmen Stromversorgungs-Lagen aufgrund der immer kleiner werdenden Designs oftmals an Umfang ab oder seltsame Formen an. Kleinere Stromversorgungs-Lagen können zu Enpässen mit übermäßigen Stromdichten führen.

Durchkontaktierungen: Durchkontaktierungen sind ein weiterer wichtiger Bereich. Es kann sein, dass Sie zu sehr damit beschäftigt sind, Ihre Durchkontaktierungen zur EMI-Reduzierung anzupassen, und sich weniger darum  kümmern, wie sich diese mit dem Strom auf Ihrer Leiterplatte vertragen. Bedenken Sie, dass hohe Stromdichten zu so hohen Temperaturen führen können, dass Ihre Leiterbahnen schmelzen.

ICs: Wenn man zu viel isst, kann die Belastungsgrenze eines durchschnittlichen Stuhls überschritten werden. Neue integrierte Schaltungen (ICs) nehmen so viel Strom auf, dass die Obergrenzen nomineller Leiterbahnen überschritten werden könnten. Moderne Elektronik-Geräte aber sind auf immer schnellere integrierte Schaltungen angewiesen, die wiederum mehr Strom verbrauchen. Es könnte sein, dass Ihnen der Stromverbrauch unter Umständen erst dann bewusst wird, wenn Ihr Prototyp zu rauchen anfängt.

Leider ist es nicht möglich, Ampere-Klemmen für PCBs zu erwerben.

Ein gutes PDN-Analyseprogramm lässt Sie Ihre aktuellen Stromdichten schon während der Design-Phase überprüfen. Viele PDN-Analysetools bieten eine visuelle Anzeige von Bereichen mit hohen Stromdichten in Ihrem Design. Obwohl solche Tools keine Temperaturen anzeigen können, steht die Wärmeerzeugung auf Ihrem PCB in direktem Zusammenhang mit der Stromstärke. Dementsprechend schlagen Sie zwei Fliegen mit einer Klappe, da Sie sehen können, in welchen Bereichen der Strom und die Temperatur auf Ihrem PCB zu hoch sind. Daraufhin müssen Sie lediglich eine ausreichende Menge an Kupfer hinzufügen, um beide Probleme zu lindern.

Spannngsabfall

Jeder Elektroingenieur muss das Mantra seiner Zunft lernen: „V = IR“. Der Legende nach erscheint einem Benjamin Franklin (der Vater der elektrische Experimente und der Schaukelstühle), wenn man seinen Namen oft genug hintereinander ausspricht. Es ist wichtig, sich beim Design von Netzen an dieses Mantra zu erinnern, um Spannungsabfälle zu reduzieren. Viele Chips von heute benötigen nicht nur viel Strom, sondern arbeiten auch mit niedrigen Versorgungsspannungen. Wenn Sie mit einem 6-V-IC arbeiten, bereitet Ihnen ein Spannungsabfall vielleicht nicht allzu große Sorgen. Wenn Ihre ICs jedoch mit 2 V arbeiten, wird jeder Spannungsabfall schnell zum Problem. Sie müssen Ihre Design-Strategie überarbeiten, um Spannungsabfälle so weit wie möglich zu verringern.

Aber wie lässt sich ein Spannungsabfall am besten reduzieren? Aus dem Begriff lässt sich die Antwort bereits ableiten. Es ist erforderlich, die Stromstärke, den Widerstand oder beides zu verringern. Die beste Möglichkeit, die Stromstärke bei Leitern zu verringern, besteht darin, diese zu verbreitern. Mehr Metall bedeutet geringere Stromdichten und weniger Spannungsabfälle. Zur Verringerung des Widerstands sollten die Leiterbahnen verkürzt werden. Weniger Metall bedeutet weniger Widerstand. Unglücklicherweise stehen diese beiden Empfehlungen im Gegensatz zueinander. Die Reduzierung der Stromstärke setzt das Hinzufügen von Kupfer voraus, die Reduzierung des Widerstands verlangt nach weniger Kupfer. Glücklicherweise kann Sie ein gutes PDN-Analysetool dabei unterstützen, das für Sie beste Verfahren herauszufinden. Ihr PDN-Analysator stellt die Spannungsabfälle auf Ihrer Platine visuell dar. Je nach Layout können Sie entscheiden, wie der Spannungsabfall verringert werden soll. Wenn Sie zum Beispiel eine kurze, dünne Leiterbahn mit Spannungsabfall-Problem haben, können Sie die Leiterbahn verbreitern. Wenn Sie eine lange Leiterbahn mit zu großem Spannungsabfall haben, können Sie versuchen, den Weg um Bauteile herum abzukürzen.

Vermeiden Sie es, so zu werden, verwenden Sie einen PDN-Analysator.

Ich dachte, es sei einfach, etwas herzustellen, auf dem man sitzen kann. Doch ich habe mich geirrt. Die Konzepte hinter der PDN-Analyse sind einfach, aber die zur Suche nach Lösungen verwendete Mathematik gestaltet sich komplex. Anstatt PDN-Probleme während der Design-Phase einfach zu ignorieren und Prototypen zu verwenden, die auf iterativem „Raten und Überprüfen“ basieren, sollten Sie einen Simulator nutzen. Ein PDN-Analysetool übernimmt die Berechnungen für Sie und zeigt an, an welchen Stellen Probleme auftreten werden. Somit können Sie sich sicher sein, dass nicht alles auseinanderfällt, wenn es an der Zeit ist, Ihren ersten Prototypen zu testen.

Ich habe das PDN-Analysewerkzeug aus gutem Grund die ganze Zeit über als „gut“ und „hervorragend“ bezeichnet. Es gibt Simulations-Tools, die lediglich komplexe Wellenformen ausgeben, welche Ihnen nur Kopfzerbrechen bereiten. PCB-Tools sind nutzlos, wenn Sie diese nicht verstehen können. Altiums PDN-Analyzer unterstützt Sie mit visuellen Benutzeroberflächen dabei, Stromdichte und Spannungsabfall-Probleme auf Ihrer Leiterplatte zu lokalisieren. Ersparen Sie einigen Prototypen den Tod durch Verbrennen, indem Sie dieses Tool nutzen.

Haben Sie noch Fragen zur PDN-Analyse? Rufen Sie einen Experten bei Altium an.