Power-Integritätsanalyse von Stromverteilungsnetzen

power resistor

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.

Power-Integritätsanalyse von Versorgungslagen 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.

PCB from a switching power supply

Design-Richtlinien zur Sicherstellung der Power-Integrität

Welche weiteren Maßnahmen Sie zur Minderung des durch Fluktuationen auf der Massefläche hervorgerufenen Rauschens und zur Sicherstellung der Power-Integrität in Ihrem Gerät ergreifen können, hängt zum Teil von der verwendeten Stromquelle ab. So enthält beispielsweise ein Schaltnetzteil ICs, die RF-Rauschen erzeugen. Dagegen geben ungeregelte Stromquellen neben dem eigentlichen Output auch einen Rippelstrom von signifikanter Stärke ab. Dies trifft – in geringerem Maße – auch auf geregelte Stromquellen zu.

Obwohl sich diese Störquellen auch durch ein optimales PCB-Design nicht vollständig ausschalten lassen, besteht doch die Möglichkeit, zumindest einen Teil des Rippelstroms oder RF-Rauschens durch Frequenzunterdrückung herauszufiltern. Darüber hinaus sollten Sie stets den Best Practices für das PCB-Design folgen, um Leiterbahnen für die Signalübertragung und die Stromversorgung vor elektromagnetischen Störungen schützen – unabhängig davon, ob diese von anderen auf der Leiterplatte verbauten Komponenten, von einer Stromquelle oder sonstigen externen Ursachen hervorgerufen werden.

Ein weiterer wichtiger Design-Aspekt ist das Routing von Signalen über eine Massefläche. Hier können Masseschleifen und ein ähnliches, unter der Bezeichnung Ground Bounce bekanntes Phänomen auftreten. Außerdem können Durchkontaktierungen, wie bereits erwähnt, beträchtliche Spannungsabfälle verursachen, wenn sie für die Stromrückleitung zu einer Massefläche genutzt werden.

Durchkontaktierungen verdienen hier besondere Berücksichtigung, weil sie eine natürliche Induktivität aufweisen, die typischerweise im nH-Bereich liegt. Dadurch variiert ihre Impedanz mit der Signalfrequenz, was insbesondere bei der Rückleitung von digitalen und hochfrequenten analogen Signalen zu Impedanz-Diskontinuitäten und damit zur Signalreflexion an verschiedenen Punkten der Leiterplatte führen kann.

Und schließlich ist zu bedenken, dass das gleichzeitige Umspringen einer großen Zahl von Signalen im Netz beziehungsweise in verschiedenen Komponenten ein gegenläufiges Signal in den in Wechselwirkung stehenden Durchkontaktierungen induziert, das dem Strom zur Massefläche entgegenwirkt. Gemäß dem Ohmschen Gesetz führt das zu einem Anstieg des elektrischen Potenzials in der Nähe der betreffenden Durchkontaktierungen, was wiederum zu unbeabsichtigten Schaltvorgängen in vorgeschalteten digitalen Schaltungen führen könnte. Dieses Phänomen wird als Ground Bounce bezeichnet und lässt sich mit einem Tool zur Analyse des Stromversorgungsnetzes untersuchen.

Integrated circuits on a black PCB

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Über den Autor

Zachariah Peterson


Zachariah Peterson has an extensive technical background in academia and industry. Prior to working in the PCB industry, he taught at Portland State University. He conducted his Physics M.S. research on chemisorptive gas sensors and his Applied Physics Ph.D. research on random laser theory and stability.

His background in scientific research spans topics in nanoparticle lasers, electronic and optoelectronic semiconductor devices, environmental systems, and financial analytics. His work has been published in several peer-reviewed journals and conference proceedings, and he has written hundreds of technical blogs on PCB design for a number of companies.

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