Power-Integritätsanalyse von Stromverteilungsnetzen

Als ich zum ersten Mal ein einfaches Gleichstrom-Board für eine kleine Sensorengruppe gebaut hatte, war ich angesichts des starken Rauschens bei meinen Spannungsmessungen überrascht. Ich war mir sicher, dass mein 5000-Dollar-Messgerät funktionierte, und wusste, dass die Fluktuationen an der Stromquelle weiter unter dem gemessenen Rauschen lagen. Wie war es also möglich, dass meine Signale so stark überlagert wurden?

Damals war mir nicht klar, dass ich beim Design meines einfachen Gleichstrom-Boards einige schlechte Entscheidungen getroffen hatte, die die Ursache für das Rauschen waren. Mit der richtigen Simulationssoftware hätte ich das Design verbessern und intelligentere Entscheidungen treffen können. Das hätte mir viel Kopfzerbrechen und wochenlange Arbeit erspart.

Analyse der Power-Integrität von Stromverteilungsnetzen und Masseflächen

Versorgungslagen und Masseflächen sind wichtig, um den Stromkreis Ihrer Leiterplatte zu schließen. Dabei sollte der Widerstand dieser Schichten durch ein passendes Design so gering wie möglich gehalten werden. Allerdings kann sich dies je nach Ausdehnung und Schichtdicke als schwierig erweisen und dann zu einem erhöhten Widerstand mit zwei nachteiligen Effekten führen.

Erstens kommt es möglicherweise durch den sogenannten IR-Drop zu einem Energieverlust auf der Versorgungslage und in den Leiterbahnen, die Komponenten mit Strom versorgen. Das wiederum bewirkt einen leichten Spannungsabfall an allen nachgeschalteten Komponenten. Zweitens kann bei zu großem Widerstand der Massefläche eine Masseschleife entstehen, die über verschiedene Komponenten auf der Leiterplatte verläuft.

Die Ursache für die Entstehung einer solchen Masseschleife sind Potenzialdifferenzen zwischen zwei Masseanschlüssen der Versorgungslage. In diesem Fall fließen Störströme in Gegenrichtung durch den Stromkreis, die den Signalfluss zur betreffenden Massefläche überlagern können. Daneben treten auch natürliche Fluktuationen im Potenzial der Massefläche auf, die beispielsweise auf Wärmerauschen oder rosa Rauschen sowie Rauscheffekte durch elektromagnetische Interferenz, Restwelligkeit oder andere spontane Schwankungen der Ausgangsspannung zurückzuführen sind. Diese Fluktuationen erzeugen dann Rückkopplungseffekte in anderen Bereichen der Leiterplatte.

Wie Sie Power-Integritätsprobleme identifizieren

Da der Widerstand der Massefläche immer größer Null ist, treten unweigerlich Potenzialdifferenzen zwischen verschiedenen Punkten auf der Massefläche und der Versorgungslage auf. Designer und Hersteller müssen sich daher darum bemühen, diese Potenzialdifferenzen ausfindig zu machen und durch geeignete Designs zu minimieren.

Mit einem einfachen Tool, das das Leitungsnetz Ihrer Leiterplatte simuliert und dabei auch die Massefläche einbezieht, können Sie Ihr Layout sowohl auf mögliche Masseschleifen als auch auf übermäßigen Energieverlust durch IR-Drop überprüfen. Ein gutes Analyse-Tool zeigt Ihnen das elektrische Potenzial und den Stromfluss auf der Versorgungslage und allen sonstigen Ebenen und weist sie auf Spannungsabfälle an Durchkontaktierungen hin.

Der Output des Tools wird üblicherweise unter Zugrundelegung einer Farbzuordnung auf Ihr Layout projiziert. Dadurch lassen sich auf einfache Weise die Punkte identifizieren, zwischen denen möglicherweise hohe Potenzialdifferenzen auftreten können, die dann eventuell zu Masseschleifen führen. Achten Sie bei der Sichtung der Ergebnisse auch auf Durchkontaktierungen, die für die Rückleitung des Signals zur Versorgungslage genutzt werden, da diese eventuell höhere Spannungsverluste verursachen können als die mit ihnen verbundenen Leiterbahnen.

Grob gesagt sollten Sie dafür sorgen, dass die Potenzialdifferenzen auf Ihrer Massefläche unter einem Millivolt liegen, da schon Differenzen von einem Millivolt Masseschleifen verursachen können. Die dadurch entstehenden Störströme sind zwar nicht stark genug, um unbeabsichtigtes Switching in digitalen Schaltungen hervorzurufen, können aber in jedem Fall sensible Gleichstrommessungen beeinträchtigen. Ergänzend können Sie Wärmerauschen oder durch die Stromquelle hervorgerufene Fluktuationen im Potenzial der Massefläche reduzieren, indem Sie jeden Ausgang der Stromquelle beziehungsweise jeden Stromanschluss der Versorgungslage und der Massefläche über einen Kondensator mit hoher Kapazität leiten.