Power-Integritätsanalyse innerhalb Ihrer PCB-Designsoftware

Eine Power-Integritätsanalyse umfasst eine Reihe von Methoden, die feststellen sollen, wie Ihre Komponenten Strom verbrauchen und wie die Struktur der Leiterplatte die Stromzufuhr beeinflusst. Altium Designer bietet wichtige Tools für die Power-Integritätsanalyse, darunter die neue Erweiterung Power-Analyzer von Keysight. In diesem Artikel erhalten Sie einen Überblick darüber, wie man Power-Integritätsanalysen für eine Leiterplatte durchführt und wo man in Altium Designer auf diese Funktionen zugreifen kann.

Denn Probleme mit der Power-Integrität können in modernen Leiterplatten häufiger vorkommen – insbesondere bei Highspeed-Boards, die mit hoher Flankengeschwindigkeit laufen. Diese Systeme erfordern eine präzise Messung der Impedanz des Spannungsversorgungssystems, um sicherzustellen, dass im gesamten System stets eine stabile Leistung geliefert wird. Wenn Sie die Impedanz des Spannungsversorgungssystems nicht sorgfältig berücksichtigen, besteht die Gefahr, dass es bei schnellen Signalumschaltungen im Stromverteilungsnetz zu Welligkeit und Rauschen kommt. Je mehr Signale in großen ICs geschaltet werden, desto höher ist das Gefahrenpotenzial für Leistungsinstabilität und Systemunterbrechungen während des Betriebs.

Herausforderungen mit der Power-Integrität bei Gleich- und Wechselstrom

Einige Produkte arbeiten mit erhöhten Spannungen, Geschwindigkeiten, Strömen und Frequenzen, oder einer Kombination hiervon. Während des Betriebs kann dies zu einer Reihe von Problemen bezüglich der Signal- und Power-Integrität führen. Die Power-Integritätsanalyse zielt darauf ab, betriebliche Probleme zu identifizieren und aus zwei Perspektiven zu betrachten: Gleich- und Wechselstrom. Darüber hinaus kann die Power-Integritätsanalyse in zwei Phasen durchgeführt werden: im Schaltplan- und im Leiterplattenlayout. Simulationsexperten werden manchmal hinzugezogen, um ein Design vor dem Prototyping oder der Produktion zu bewerten. Ihre Aufgabe hier ist es mögliche Probleme mit der Power-Integrität in Gleich- und Wechselstrombereichen im Voraus zu identifizieren.

Die Power-Integritätsanalyse umfasst dabei die Analyse zum einen der Struktur und zum anderen des elektrischen Verhaltens des Spannungsversorgungssystems innerhalb einer Leiterplatte. Genauer gesagt geht es um die Berechnung spezifischer elektrischer Werte, die auf Probleme mit der Power-Integrität hinweisen können. Insbesondere jene Werte, die im Spannungsversorgungssystem mithilfe von Simulationswerkzeugen berechnet werden können. Diese können mit bestimmten Power-Integritätsproblemen in Verbindung gebracht werden, die während des Betriebs in einer Leiterplatte beobachtet werden können. Zu den zu berechnenden Werten zählen (unter anderem):

• Z-Parameter (Eigenimpedanz und Transferimpedanz) des Spannungsversorgungssystems in Wechsel- und Gleichstrom oder S-Parameter
• Gleichstromwiderstand und Stromdichte in Schienen und Flächen
• Spannung und Stromverteilung im gesamten Leiterplattenlayout
• Einschwingverhalten auf Stromschienen über den Zeitverlauf

Die für die Analyse der Power-Integrität relevanten mathematischen Größen können entweder innerhalb der Schaltpläne kalkuliert werden, indem man SPICE- oder IBIS-Modelle verwendet, oder sie werden auf der Leiterplatte mit Hilfe eines elektromagnetischen Feldlösers selbst berechnet. Nach der Berechnung der relevanten Größen gilt es diese mit Sollwerten zu vergleichen. 

Welche Power-Integritätsprobleme können bei einer Leiterplatte auftreten?

Es gibt mehrere Probleme bezüglich der Power-Integrität, die in einer Leiterplatte auftreten können. Viele davon können mit den oben aufgeführten Größen zusammenhängen. Zu häufigen Power-Integritätsproblemen innerhalb von Leiterplatten gehören:

• Kollaps großer Stromschienen (Welligkeit, als Einschwingverhalten beobachtet) und Ground Bounce
• Strahlungsemissionen aufgrund schwacher Entkopplung und Welligkeit
• Rauschkopplung zwischen verschiedenen Bereichen einer Leiterplatte
• Übermäßige Verlustleistung, die Wärme erzeugt

Das Ziel bei der Konstruktion eines Spannungsversorgungssystems besteht darin, sicherzustellen, dass der Strom, der in die Komponenten auf einer Leiterplatte gezogen wird, mit minimaler Instabilität geliefert wird. Einige der oben aufgeführten Probleme der Power-Integrität treten als Signalintegritätsprobleme (speziell Ground Bounce) und als EMI-/EMC-Probleme (Rauschkopplung und Emissionen) auf. Die folgende Matrix zeigt, welche Probleme der Power-Integrität mit den oben aufgeführten mathematischen Größen zusammenhängen können.

Um die Power-Integritätsanalyse besser zu verstehen, können Sie die folgenden Resourcen hinzuziehen. Dort finden Sie u.a. Informationen hinsichtlich der relevanten Faktoren eines Spannungsversorgungssystem und deren möglichen Auswirkung auf die Stabilität der Stromversorgung.

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Wie verhält sich Power-Integrität in Schaltplänen?

Schaltpläne sind ein guter Ausgangspunkt für die Modellierung der Wechselstrom-Power-Integrität in einem Leiterplattenlayout. Denn hier ist es möglich, SPICE-Simulationen oder IBIS-basierte Simulationen zu verwenden, um Entkopplungsstrategien zu modellieren und festzustellen, ob das idealisiertes Leiterplattenlayout eine stabile Stromversorgung unterstützen kann – insbesondere bei schnellen digitalen integrierten Schaltungen.

Die Power-Integrität auf Schaltplanebene berücksichtigt dabei nicht die wichtigen physikalischen Faktoren in einem Leiterplattenlayout, die sich auf die Power-Integrität auswirken. Vielmehr hilft diese Art der Untersuchung dem Designer beim Ausarbeiten von Design-Zielen für das Spannungsversorgungssystem. So kann er zum Beispiel sicherstellen, dass die Versorgung so stabil wie möglich ist. Dazu wiederum muss die Reaktion des Spannungsversorgungssystems mit generischen Komponenten modelliert werden, um die physikalischen Aspekte des Leiterplattenlayouts zu modellieren. Diese physikalischen Aspekte umfassen:

• Modelle mit Entkopplungs-/Bypass-Kondensator, einschließlich ESR- und ESL-Werten
• Flächenkapazität, die sich typischerweise im pF-Bereich bewegt
• Spreizinduktivität bzw. die Induktivität des Bereichs, in dem Strom in der Leistungs-/Masse-Ebene fließt
• Via-Induktivität, wobei diese normalerweise in Entkopplungs-/Bypass-Kondensatormodellen enthalten ist
• Topologie mit mehreren Schienen im Spannungsversorgungssystem
• Ein Schaltelement, das einen Bitstream simuliert, damit ein regelmäßiges Einschwingverhalten beobachtet werden kann.

Ein relativ einfaches Modell, das nur RLC-Elemente enthält, ist beispielhaft im folgenden Schaltplan dargestellt. Dieses Beispiel kann verwendet werden, um die Impedanz des Spannungsversorgungssystems und die induktive Steigung im Impedanzspektrum des Spannungsversorgungssystems auf mehrere hundert MHz abzuschätzen. Mit dem Modell kann außerdem die Welligkeit auf dem Spannungsversorgungssystem direkt visualisiert werden, indem eine Einschwingsimulationsanalyse ausgeführt wird.

Die obigen Reihen-RLC-Schaltungsblöcke werden verwendet, um ein Entkopplungskondensator-Netzwerk zu modellieren, das auf der Platine platziert werden könnte. Im unteren Abschnitt werden die Verbindungen zwischen den Kupferlagen und einem Komponentenpaket angezeigt. Schließlich wird ein Transistor mit einer Impulsquelle verwendet, um den in das Netzwerk gezogenen Strom zu modellieren. Die Strom- und Spannungsmessungen an den Ausgangspunkten können genutzt werden, um die Impedanz des Spannungsversorgungssystems anhand des Ohm'schen Gesetzes zu bestimmen.

Jede der Standardmethoden in einer SPICE-Simulation (Sensitivität, Monte-Carlo, Impulsreaktionsermittlung usw.). Anhand dieser Ergebnisse lassen sich Zielwerte für die RLC-Elemente in Ihrem SPICE-Modell bestimmen. Die primären physikalischen Aspekte, auf die sich das auswirkt, sind die Flächenkapazität sowie die Anzahl der Entkopplungskondensatoren. Weitere Informationen können dann ermittelt werden, sobald das Leiterplattenlayout fertiggestellt und zur Auswertung bereit ist.

Wie lässt sich die Gleichstrom-Power-Integrität im Leiterplattenlayout analysieren?

Der Gleichstromwiderstand in einer Leiterplatte hängt von den Abmessungen der Versorgungsfläche und deren Verbindungen ab. Er ist der Ausgangspunkt zum Verständnis der Power-Integrität. Sobald dieser Aspekt einer Leiterplatte geklärt ist, kann der Designer weitere Maßnahmen ergreifen, um sicherzustellen, dass die angestrebte Impedanz erreicht wird. So können Probleme mit der Signalintegrität vermieden werden, die durch eine instabile Stromversorgung entstehen.

Die DC-Leistungsanalyse beginnt im PCB-Layout. Die Analyse erfordert dabei die Einrichtung einer Simulation, welche die Leistungsverteilung in den verschiedenen Leistungsnetzen des PCB-Layouts abbildet. Dies wird visuell als Baumstruktur mit unterschiedlichen Stromstufen dargestellt. Darin wird der Stromfluss von einem Eingang auf der obersten Ebene bis zur Geräteebene abgebildet. Die neueste Erweiterung für die Power-Integritätsanalyse im Altium Designer ist der Power-Analyzer von Keysight. Dieses Tool kann eigenständig anhand Ihrer Netzliste und Projektinformationen eine Strombaumstruktur erstellen. Ein Beispiel für eine solche Strombaumstruktur ist unten dargestellt.

Sobald diese Struktur erstellt ist, kann damit der Gleichstromwiderstand im Spannungsversorgungssystem bestimmt werden. Die folgende Abbildung zeigt eine beispielhafte Ausgabe des Power-Analyzers im Altium Designer. Diese Erweiterung ermöglicht Berechnungen der Leistungsintegrität schon innerhalb des PCB-Editors im Altium Designer. Die Ergebnisse werden dabei automatisch mit den vorgegebenen Designzielen und/oder -einschränkungen verglichen. Für die Implementierung dieser Berechnungen sind keine zusätzlichen Analysewerkzeuge erforderlich. Auch die Ergebnisse müssen nicht manuell mit Blick auf Ihre Designregeln überprüft werden.

Die folgenden Ergebnisse zeigen den Gleichstrom (in Form einer Heatmap) in einer großen Leiterbahn zwischen zwei Vias. Das Werkzeug zeigt, dass der berechnete Strom in den verbundenen Vias 1,785 A beträgt. Basierend auf den Betriebszielen im Design und den Betriebsstromgrenzen, die in den IPC-Standards definiert sind, lässt sich nun bestimmen, ob das Design geändert werden muss. Nachdem Modifikationen vorgenommen wurden, kann die Simulation direkt erneut ausgeführt werden. Zudem können die Ergebnisse näher geprüft werden, um sicherzustellen, ob die ermittelten Probleme vollständig gelöst wurden.

Wenn wir aus einzelnen Leiterbahnen oder Schienen herauszoomen, können wir die Stromverteilung über eine Kupferlage oder entlang großer Verbindungen beobachten. Mehrere Bereiche auf einer Stromschiene können ausgewählt und auf Spannungsabfall oder Stromdichte untersucht werden, wobei dies als Heatmap visualisiert wird. Diese Ansicht bietet eine einfache Möglichkeit festzustellen, wann der Gleichstromwiderstand eines Netzes zu groß wird oder wenn ein Stromengpass vorliegt, der zu einer hohen Wärmeentwicklung führt.

• Um mehr über den Power Analyzer von Keysight zu erfahren, lesen Sie die folgende technische Dokumentation

Wie funktioniert die Wechselstrom-Power-Integritätsanalyse bei Hochgeschwindigkeitsdesigns?

Hochgeschwindigkeitsleiterplatten sind auf eine exakte Impedanz der Übertragungsleiterbahnen angewiesen, um den ordnungsgemäßen Betrieb des Designs zu gewährleisten. Sie erfordern jedoch auch eine sehr niedrige Impedanz des Stromverteilungsnetzes. Leiterplatten für digitale Hochgeschwindigkeitssysteme werden mit einer Sollimpedanz konstruiert. Die Impedanz des Spannungsversorgungssystems wird dabei beeinflusst durch den Lagenaufbau der Leiterplatte, die ausgewählten Entkopplungskondensatoren sowie die Stärke des Leiterplattenlaminats. Das Laminat selbst sollte so ausgelegt sein, dass es innerhalb eines bestimmten Sollimpedanzspektrums liegt.

Eine niedrige Impedanz des Spannungsversorgungssystems wiederum ist wichtig, um sicherzustellen, dass Hochgeschwindigkeitskomponenten beim Schalten keine Stromschienenwelligkeit und Ground Bounce erzeugen. Wenn die Impedanz des Spannungsversorgungssystems niedrig genug ist, machen sich diese Effekte im System nicht bemerkbar. Sobald die Flächenimpedanz im Spannungsversorgungssystem berechnet wurde, lässt sich bestimmen, ob Stromschienenwelligkeit und -rauschen dazu führen, dass die Stromversorgung außerhalb der zulässigen Grenzen liegt.

Der Power Analyzer von Keysight und die Simulationstools des Altium Designers^® helfen Ihnen, die Power-Integrität erfolgreich zu analysieren und die Funktionalität Ihrer Leiterplatte richtig einzuschätzen. Sobald neue Funktionen verfügbar sind, wird die Power Analyzer Erweiterung ebenfalls aktualisiert, einschließlich der Wechselstrom-Power-Integritätsanalyse direkt innerhalb des PCB-Editors selbst. Behalten Sie die Seite Neuigkeiten im Auge, um sich über weitere Funktionen und Updates des Altium Designers zu informieren.

• Der Altium Designer bietet Ihnen alles, was Sie für Design, Fertigung, Layout, Routing und Simulation benötigen.

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• Das Dienstprogramm Power Analyzer übernimmt Daten direkt aus dem Layer Stack-Manager und dem PCB-Editor. So kann es leistungsstarke Simulationen erstellen und Designern zügig Einblicke zur Sicherung der Power-Integrität geben.

  Erfahren Sie mehr über das Power Analyzer Tool des Altium Designers.

• Sobald Sie bereit sind, Ihr Projekt mit anderen Designern oder Ihrem Hersteller zu teilen, steht Ihnen Altium 365 zur Seite. Hiermit können Sie Ihre Leiterplattendesign- und Produktionsdaten innerhalb des Altium Designers oder im Internet freigeben.

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Altium hat sich zum Ziel gesetzt, Ihnen stets die besten Tools für die Power-Integritätsanalyse bereitzustellen – alles innerhalb des Schaltplans und Leiterplattenlayouts. Durch die Integration dieser Funktionen in einer Anwendung wird es zukünftig möglich sein auf fortschrittlichere Power-Integritätssimulationen innerhalb des Leiterplatteneditors selbst zuzugreifen. Darüber hinaus werden weitere Funktionen im Rahmen der Plattform Altium 365^™ zur Verfügung gestellt werden.

Wir haben nur an der Oberfläche dessen gekratzt, was mit Altium Designer auf Altium 365 möglich ist. Starten Sie noch heute Ihre kostenlose Testversion von Altium Designer und Altium 365.