PDN-Grundlagen für Leiterplattenentwickler

„PDN“ oder „Power Distribution Network“, ruft das mitunter Gedanken an Bode-Diagrammen, schwarzer Magie und anderen mysteriösen, unheimlichen Dingen hervor. Im Grunde ist deren Ziel jedoch ebenso einfach wie die meisten Aspekte des Leiterplattendesigns, die Einfluss auf die PDN-Performance haben. In diesem Beitrag erläutern wir die unterschiedlichen Aspekte eines typischen PDN-Designs und wie die PCB-Designsoftware diese beeinflussen.

THEMEN IN DIESER AUSGABE

• Generelles Ziel: ausreichende Strom- und Spannungsversorgung aller Verbraucher
• Anforderung 1: genug Kupfer zwischen Quelle und Last
• Anforderung 2: Kondensatorgrößen, -werte, -anzahl und -platzierung
• Ein Hinweis zur Designkomplexität

Generelles Ziel: ausreichende Strom- und Spannungsversorgung aller Verbraucher

Das grundsätzliche Ziel eines Power Distribution Networks ist simpel: Jedem Verbraucher genügend Strom und Spannung zur Verfügung zu stellen, um seinen ordnungsgemäßen Betrieb zu gewährleisten. Während das gesamte PDN-Design, einschließlich Spannungsregler, On-Die-Entkopplung, Gehäuse, Montage der Komponenten usw., sehr komplex ist und spezielle Ausbildung und Erfahrung erfordert, ist die Leiterplattenoptimierung weniger kompliziert, denn die Freiheitsgerade des Entwicklers sind eingeschränkt. In diesem Beitrag konzentrieren wir uns darauf, was beim Leiterplattenlayout zu beachten ist, um sicherzustellen, dass Ihr PCB-Design ausreichend Betriebsstrom bzw. Spannung an alle ihre Verbraucher liefert.

Anforderung 1: genug Kupfer zwischen Quelle und Last

Der kritischste Aspekt des PDN-Designs ist es, sicherzustellen, dass zwischen den einzelnen Quellen und den entsprechenden Lasten genügend Metall (üblicherweise Kupfer) vorhanden ist. Hierzu bietet die IPC-2152 gegen eine geringe Gebühr recht praktische Hinweise, wie dies zu bewerkstelligen ist. Unter Berücksichtigung der maximalen Stromstärke und des zulässigen Temperaturanstiegs informiert die Richtlinie darüber, wie breit die versorgende Leiterbahnkontur mindestens sein sollte. Allerdings wird ein Designer, der sich ausschließlich auf die IPC-2152 verlässt, seine Konstruktion vermutlich zu konservativ auslegen und sich herrschender PCB Designprobleme nicht bewusst sein, was verschiedene Einschränkungen mit sich bringt:

- Die IPC-2152 Breitenangaben sind sehr konservativ. Sie stellen Berechnungen unter Verwendung von Daten aus einem thermischen Worst-Case-Szenario dar (2-Lagen-Platine ohne angrenzendes Kupfer), und Nutzer machen typischerweise konservative Annahmen (z. B. minimal zulässiger Temperaturanstieg). Daher können Designs, die allein unter Berücksichtigung der IPC-2152 erstellt wurden, viel größere Leiterkonturen für die Stromversorgung aufweisen als nötig.

- IPC-2152 Empfehlungen bzgl. Durchkontaktierungen sind konservativ. Dies ist besonders problematisch. Da Durchsteiger für eine Stromschiene die darüber und darunter liegenden Leiterzüge perforieren können, sollten Anzahl und Größe der Vias optimiert werden. Designs, die lediglich IPC-2152 berücksichtigen, weisen mehr oder größere Power-Vias als nötig auf.

Konservative Kupferfüllung

• IPC-2152 ist nur auf einfache Konstruktionen anwendbar: eine gleichmäßige Leiterbahnbreite von der Quelle bis zur Last ohne Perforationen durch Durchkontaktierungen oder Einschnürungen durch Bauteile und andere Formen. IPC-2152 gibt keine Anleitung, wie man Unzulänglichkeiten in den Leistungskonturen eines Designs beheben kann.
• IPC-2152 gibt keinen Einblick in die Platzierung der zugehörigen Stromschienen. Spannungsregler haben oft spezifische Anforderungen an die verschiedenen Leitungskonturen am Eingang und am Ausgang, ggf. einschließlich der Rückkopplung.

Konstrukteure benötigen also bessere Werkzeuge zur Optimierung der Größe und Form ihrer Stromversorgungs- (und Masse-)Konturen, allgemein als „PI-DC“ oder „IR Drop“ bezeichnet. Mit dem PDN Analyzer hat Altium diese Fähigkeit in seine Designumgebung integriert, um die Umsetzung der PDN-Anforderungen zu vereinfachen. Statt sich auf IPC-2152 zu verlassen, kann der Entwickler jede Stromschiene analysieren, um zu sehen, wie viel Metall angemessen ist. Dabei werden auch Aspekte berücksichtigt, die IPC-2152 nicht adressiert, wie etwa:

• Abstand zwischen der Quelle und Verbrauchern
• Zulässiger Spannungsabfall zwischen der Quelle und den Lasten
• Zulässiger Strom durch Anschlusspins

Kompensation von Durchbrüchen oder Einschnürungen in der Masseebene aufgrund von Durchkontaktierungen, Steckverbindern usw.

• Teile der Stromversorgungs- bzw. Massekonturen, die keinen Strom führen, was sie zu Kandidaten für potenzielle Probleme wie elektromagnetische Störungen und übermäßiges Nebensprechen macht
• Effizienz der Stromversorgungs- und Masseflächen

Mit PDN Analyzer kann der Entwickler die wichtigsten Anforderungen seines PDN-Designs schnell und einfach erfüllen: die Optimierung des Designs hinsichtlich des Metalls zwischen den Quellen und Lasten.

Design mit „Kupferhalbinsel“ und „Inseln“ (in blau)

Anforderung 2: Kondensatorgrößen, -werte, -anzahl und -platzierung

Ein weiterer Designaspekt, der mit dem PCB-Editor gesteuert wird, ist die Kondensatoroptimierung. Dies mag auf den ersten Blick abschreckend wirken, da wir es hier mit frequenzabhängigen Kennlinien zu tun haben, die weit weniger intuitiv sind als der PI-DC-Aspekt. Glücklicherweise wird die Komplexität aber durch die Anzahl der Parameter begrenzt, die einen Einfluss auf die Wirksamkeit der Kondensatoren haben und im Schaltplan beeinflussbar sind:

• Auswahl der Kondensatoren (Größen, Werte und Anzahl)
• Kondensatorplatzierung
• Lagenaufbau

Die beiden letztgenannten Faktoren kann der Leiterplattenentwickler am stärksten beeinflussen und ihre Optimierung erfordert die Einhaltung spezieller Richtlinien (Bogatin, 2011):

Verteilung der Kondensatoren um das Gehäuse der Last

• Enge Platzierung der Kondensatoren
• Platzierung von Stromversorgungs- und Masseebenen so nah wie möglich an der Leiterplattenoberfläche.
• Verwendung eines möglichst dünnen Dielektrikums zwischen Stromversorgungs- und Masseebene
• Wechselnde Ausrichtung von Kondensator-Durchkontaktierungen, wenn diese eng beieinander liegen

Platzierung der Kondensatoren im Umfeld des Verbrauchers

Es gibt auch kostenlose Tools, die den Designer bei der Kondensatoroptimierung unterstützen, u. a. von Rolf Ostergaard (www.pdntool.com) und Altera (als deren „PDN-Tool“).

EIN HINWEIS ZUR DESIGNKOMPLEXITÄT

Es gibt anspruchsvollere Stromversorgungssysteme, z. B. Motorsteuerungen mit zusätzlichen Anforderungen wie Drosseln, Rückkopplungsschleifen usw., die wir hier nicht behandelt haben. In diesen Fällen sind komplexere Analysewerkzeuge und/oder Richtlinien erforderlich, als den meisten PCB-Designern zur Verfügung stehen.

Stromdichte-Diagramm bei komplexer Starr-Flex-Konstruktion

WAR'S DAS?

Das Design einer systemweiten PDN-Lösung, die den Fähigkeiten und Anforderungen jeder Stromquelle und jedes Verbrauchers entspricht, ist eine sehr anspruchsvolle Aufgabe. Mit dem PDN Analyzer kann die PCB-Designsoftware jedoch Stromversorgungs- und Masseflächen auf einfache Weise optimieren, um nicht unnötig Platinenfläche zu verbrauchen und die Zuverlässigkeit des Designs zu erhöhen.

Stromdichte-Plot bei einer Starr-Flex-Ausführung