Die Leiterplatte 2010 - Teil 14 Ohne gezielte Kondensatorbeschaltung ist Ärger programmiert

Autor / Redakteur: Nils Dirks* / Claudia Malllok

Ruhe bitte! So dürfte wohl der Wunsch eines jeden Entwicklers in Bezug auf die Störpegel innerhalb der Powersysteme seiner Leiterplatte lauten. Der bewährte Ansatz breitbandiger Kondensatorgruppen – erweitert um die präzise Berücksichtigung der Flächeneigenschaften – führt zu optimalen EMV-Ergebnissen bei hoher Systemstabilität. Am Beispiel des 1V2-FPGA-Core-Powersystems im meltemi-economic-Board verdeutlicht EMV-Experte Nils Dirks die Eigenschaften korrekt ausgelegter flächiger Stromversorgungssysteme und wie diese durch geeignete Beschaltung zu ergänzen sind.

Firmen zum Thema

( Archiv: Vogel Business Media )

Die Vorteile der korrekten Staffelung verschiedener Kapazitätswerte zu einer sog. „breitbandigen Kondensatorgruppe“ haben EMV-Experten bereits Anfang der 90er-Jahre erläutert. Die Notwendigkeit, Powersysteme zu konstruieren, die breitbandig äußerst niederohmig und damit sowohl in puncto EMV als auch in puncto Stützung besonders leistungsfähig sind, stand seinerzeit jedoch noch kaum im Fokus der Entwicklung. In der jüngeren Vergangenheit hingegen sieht sich der Entwickler immer öfter mit zwei typischen Problemen konfrontiert:

1. Die zulässigen Einbrüche der Versorgungsspannungen an den zu verwendenden ICs (RAM, CPU, ASIC, FPGA etc.) sind äußerst gering spezifiziert und verlangen zum Teil Powersysteme, die Impedanzwerte im m?-Bereich haben müssten. Wie soll das gehen?

Bildergalerie
Bildergalerie mit 9 Bildern

2. Moderne Digitalsysteme konsumieren heutzutage bereits Betriebsströme im zweistelligen Ampere-Bereich, die innerhalb der Powersysteme als Strompulse wieder zu finden sind; dabei können die Spitzenwerte deutlich über der durchschnittlichen Stromaufnahme liegen und für erhebliche EMV-Probleme sorgen.

Die Vorteile korrekt ausgelegter flächiger Stromversorgungssysteme umfassen die Lösung der beiden vorgenannten Prob-leme, bieten aber darüber hinaus noch eine Vielzahl weiterer Vorzüge. Um den Rahmen dieses Artikels nicht zu sprengen, beschränken wir uns auf die Betrachtung dieser beiden Aspekte, die als Motivation für die korrekte Auslegung der Powersysteme bereits mehr als ausreichend sein sollten.

Nachfolgend wird am Beispiel des 1V2-FPGA-Core-Powersystems im meltemi-economic-Board gezeigt, welche Auswirkungen die Eigenschaften solcher PowerPlanes haben, und wie diese durch geeignete Beschaltung zu ergänzen sind. Zunächst soll daher geklärt werden, wie sich ein Powersystem, das aus einer Power- und einer GND-Plane besteht, tatsächlich verhält. Das schematische Layout der Power- bzw. GND-Plane ist in Bild 1 dargestellt.

Struktur aus Power- und Ground-Plane

In Bild 2 ist der Impedanzverlauf des völlig unbestückten 1V2-FPGA-Core-Powersystems in einem meltemi-economic-Board V.1.0 zu sehen (grüne Kurve); gemessen wurde an der Position CN1 (35 mm, 24 mm). Hierzu wurde eine SMA-Buchse vorgesehen, an der im einfachsten Falle mithilfe eines Netzwerkanalyzers die Impedanz gemessen werden kann. Auch die Details eines geeigneten Messaufbaus bzw. Messverfahrens würden hier den Rahmen sprengen.

Die Messung zeigt im unteren Frequenzbereich sehr deutlich den kapazitiven Charakter der Struktur bestehend aus Power- und GND-Plane und einem 50 ?m dicken FR4-Substrat dazwischen. Zum Vergleich zeigt die rote Kurve den Impedanzverlauf einer idealen Kapazität von 5,5 nF, was genau der bei NF gemessenen Kapazität des unbestückten Powersystems entspricht. Bis zu einer Frequenz von ca. 130 MHz verlaufen die beiden Kurven praktisch deckungsgleich. Unser Powersystem verhält sich bei Frequenzen unterhalb von 130 MHz scheinbar wie eine ideale Kapazität, d.h. keine parasitären Komponenten, keine räumliche Ausdehnung etc. Oberhalb dieser Frequenz nähert sich die ideale Kapazität asymptotisch der 0-?-Linie an, während das Powersystem bei ca. 360 MHz ein extrem niederohmiges Minimum zeigt, um dann eine steigende(!) Impedanz aufzuweisen. Die Ursachen hierfür wurden im Beitrag „Die Mär vom Plattenkondensator“ (siehe InfoClick) bereits ausführlich erklärt. In einem ersten Ansatz könnte man den Standpunkt vertreten, das Modell der idealen Kapazität sei auch bis 500 MHz verwendbar, da ja die tatsächlich gemessenen Werte noch besser (kleiner) als die der idealen Kapazität sind. Es sei an dieser Stelle daran erinnert, dass der Betrag der Impedanz in flächigen Powersystemen nicht nur eine Funktion der Frequenz, sondern auch des Ortes ist. Betrachtet man die Impedanz bei 360 MHz, behauptet das Modell der idealen Kapazität eine Impedanz von ca. 80 m?, die Messung ergibt weniger als 10 m?, jeweils am Ort des Messports CN1 betrachtet. Mittels Simulation lässt sich die Impedanz an allen Orten des Systems bei der Frequenz 360 MHz sichtbar machen (Bild 3). Wie schon die Messung, ergibt auch die Simulation am Ort des Ports CN1 eine Impedanz von knapp unter 10 m?. Viel augenfälliger ist jedoch die Tatsache, dass an anderen Orten – beispielsweise den Ecken – des Powersystems ganz andere Verhältnisse herrschen: Hier wer-den rund 30-mal höhere Werte erreicht! In diesem speziellen Fall wären die Werte möglicherweise dennoch brauchbar, da für die Powersysteme des meltemi-Boards durchgängig homogene Flächen, d.h. keine großen Aussparungen, keine ‚Flaschenhälse’ etc. und sehr dünne Substrate verwendet wurden. Bei anderen Geometrien und/oder Substratdicken werden aber sehr leicht Werte von mehreren 10 ? erreicht, die völlig inakzeptabel sind und später zu schwer durchschaubaren Problemen führen können.

Gegenüber den 80 m?, die unsere ideale Kapazität anbietet, sind die realen 300 m? in den Ecken des Systems bereits rund viermal mehr als vorhergesagt und bestätigen die Untauglichkeit dieses Modells in Frequenzbereichen, wo Laufzeiteffekte bereits eine Rolle spielen; in unserem Beispiel also bereits ab etwa 100 MHz. Dies ist einer der Gründe, warum sich geeignete Simulations-Tools heute deutlich komplexerer Modelle für die Beschreibung von Power-Planes bedienen, der ‚klassische’ Field-Solver sei nur als Beispiel genannt.

Kommt ein geeignetes Modell zum Einsatz, lässt sich mithilfe von Simulationen sehr genau vorhersagen, welche Eigenschaften von einem bestimmten Powersystem zu erwarten sind. Dies wiederum ermöglicht, die korrekte Beschaltung im Voraus festzulegen und mögliche Probleme frühzeitig auszuschalten.

Mit dem Wissen um die realen Eigenschaften der Flächenstrukturen wird nun das Verfahren zur Entwicklung einer breitbandigen Kondensatorgruppe angewandt, um im unteren Frequenzbereich niederohmige Verhältnisse zu schaffen. Das Ergebnis der Simulation/Optimierung ist in Bild 4 zu sehen: Im kHz-Bereich sorgen Spannungsregler und Elkos für niedrige Impedanzwerte, weshalb dieser Bereich hier nicht detaillierter betrachtet wird. Im darüberliegenden Frequenzbereich bis ca. 300 MHz sorgt die optimierte Kondensatorgruppe (100 nF, 1206, 10 nF, 0805, 2,2 nF, 0805) für niederohmige Verhältnisse, um zu noch höheren Frequenzen an das niederohmige Flächensystem „zu übergeben“. Dieses zeigt um 700 MHz eine erste Strukturresonanz, die von stehenden Wellen innerhalb der Fläche hervorgerufen wird. Dank des guten Lagenaufbaus und der günstigen Geometrien bleibt aber auch diese Resonanz mit ca. 300 m? in einem gut zu verschmerzenden Bereich und macht zusätzliche Beschaltungen nicht zwingend erforderlich.

Präzise Vorhersagen

Die Übereinstimmung von Messung (Bild 5) und Simulation ist verblüffend: Nicht nur das ‚Resonanzgebaren’ der Kondensatorgruppe lässt sich präzise vorhersagen, sondern auch die Struktureigenschaften werden korrekt abgebildet. Ein leichter Versatz bei den Frequenzen der Strukturresonanzen deutet auf ein nicht ganz exakt bekanntes ?R des Substrat-materials hin; hier wirkt sich bereits die zweite Stelle hinter dem Komma der Dielektrizitätszahl aus.

Bis 1000 MHz unter 500 m?: Ein sehr gutes Ergebnis! Heile Welt! An der Posi-tion CN1! Und der Rest des Systems?

Die Messung macht naturgemäß nur eine Aussage über die Verhältnisse an der Position der Messbuchse, nicht aber über den Rest des Powersystems. Da Simulation und Messung an dieser Stelle eine nahezu perfekte Übereinstimmung zeigen, liegt es nahe, den Rest des Systems nur per Simulation zu überprüfen. Selbst die Überprüfung mittels Simulation könnte durchaus etwas aufwändiger sein, denn um sich ein umfassendes Bild zu verschaffen, müsste die Impedanzverteilung für jede einzelne Frequenz (vgl. auch Bild 3) betrachtet werden. Eine Erleichterung ist hier die so genannte „Maximum-Darstellung“, worin an jeder Position des Systems der im betrachteten Frequenzbereich maximal auftretende Betrag von Z dargestellt wird. Vereinfacht ausgedrückt ist dies der ‚worst-case’, zu sehen in Bild 6.

Das gesamte Powersystembewerten

In einem Serienstück wurde an Port CN1 die Impedanz gemessen (Bild 7) und mit der Simulation (Bild 8) verglichen. Qualitativ ist eine sehr gute Übereinstimmung zu sehen, auch wenn in manchen Bereichen quantitative Abweichungen vorliegen: Im Frequenzbereich bis ca. 200 MHz ist die Simulation offenbar von etwas zu geringen Verlusten innerhalb der verwendeten Kondensatoren ausgegangen, weshalb die Realität etwa 40 m? besser als die Simulation ist. Das erste Maximum, das aus dem Zusammenspiel der bereits induktiv gewordenen Kondensatoren mit dem Flächensystem resultiert, wird amplitudenmäßig präzise simuliert, während die Resonanzfrequenz in der Simulation etwas zu niedrig ausfällt. Diese Abweichung ist auf die verwendeten Modelle zurückzuführen und stellt in der praktischen Anwendung kein Problem dar.

Insgesamt kann gesagt werden, dass sich das reale Verhalten flächiger Powersysteme in Leiterplatten inklusive ihrer Kondensatorbestückung mithilfe geeigneter Simulations-Tools sehr gut vorhersagen und optimieren lässt. Dies ermöglicht dem Entwickler das Design sehr zuverlässiger und EMV-günstiger Spannungsebenen in Leiterplatten.

Bei einer weniger günstigen Auslegung des gesamten Boards können übrigens die gezeigten Effekte dramatische Ausmaße annehmen und ihre Vernachlässigung zu sehr lästigen Symptomen führen: frequenzselektiv sehr hohe Störpegel, verstärke Abstrahlung, unzuverlässige Funktion etc. In Bild 9 ist die „Maximum-Impedanz“ bis 1 GHz eines mit einer C-Gruppe bestückten Powersystems (120 ?m Substratdicke) gezeigt, das z.B. aufgrund von konstruktiven Anforderungen verschiedene Aussparungen aufweist. Ohne eine gezielte Kondensatorbeschaltung ist hier Ärger programmiert.

Die gezeigten Simulationen wurden durchgeführt auf Silent V.4.0.

Kontakt zum Autor, E-Mail: nd@emv.biz

*Nils Dirks, Inhaber von Dirks Corporate Consulting in München, ist in den bereichen EMV-Schulung, Beratung und Software tätig.

(ID:179560)