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PCB-Signalintegrität

Wie Power Aware zuverlässig die Signalintegrität sicherstellt

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Grundsätzliches zur Power-Integrität

Power-Integrität oder PI ist die Beschreibung der Qualität einer Strom- und Spannungsversorgung eines elektrischen Systems. Elektrische Bauteile sind für eine bestimmte Versorgungsspannung ausgelegt, bei der sie fehlerfrei arbeiten. Diese Versorgungsspannung darf in definierten Toleranzen variieren (z.B. +/- 5%). Um eine Spannung im Betrieb der elektrischen Schaltung innerhalb der Toleranz konstant zu halten, muss das Netzteil entsprechend den Strom regulieren.

Leiterbahnstrukturen weisen aber einen Widerstand (Impedanz) auf, was die Stromversorgung beeinträchtigt. Zur lokalen Unterstützung der Stromversorgung werden Abblockkondensatoren und Power-Lagen als lokale „Energieversorger“ platziert. Bei Power-Integrität wird das Verhalten der Störeffekte der gesamten Spannungsversorgung analysiert und vorhergesagt.

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Design eines Stromversorgungssystems

In Form von Machbarkeitsstudien wird unter Berücksichtigung von Störbudgets ein Stromversorgungssystems ausgelegt. Die Ergebnisse der Simulation sind die Anforderungen an den Lagenaufbau. In der Vorgehensweise betrachtet man grundsätzlich zwei unterschiedliche Fälle: das Verhalten bei Gleichstrom (DC) und das Hochfrequenzverhalten (AC), da hier sowohl die Grundversorgung als auch die Störanfälligkeit betrachtet werden muss.

Bei niedrigen Frequenzen als im Gleichstromfall, werden die Dimensionierung des Netzteils und die Implementierung durch diskrete Bauteile vorgenommen. Für den Regelkreis werden entsprechende Elektrolyt-Kapazitäten zur Stabilisierung mit einer Spice-Simulation bestimmt. Es müssen aber Werte für den maximalen Spannungsabfall (IR-Drop) über Zuleitungen festgelegt werden. Diese Werte ergeben dann geeignete Leitungsquerschnitte für Zuleitungen, Flächen und Durchkontaktierungen.

Zur Kontrolle und Regelung der Spannungen werden Messleitungen (Sense) so platziert, dass sie störungsfrei die Spannung am Verbraucher messen können. Bei hohen Strömen kommt es zu Eigenerwärmung der Leiterplatte. Die erhöhten Temperaturen haben eine Veränderung des elektrischen Widerstands der stromführenden Teile zur Folge, sodass der IR-Drop weiter ansteigt. Eine Schaltung ist immer in Bezug auf Strom und Temperatur ausreichend zu dimensionieren.

Bei hohen Frequenzen muss das System gegen interne und externe Einflüsse entstört werden. Dies geschieht durch die geeignete Auswahl von Abblockkondensatoren und EMV-Kondensatoren. Die Platzierung der Kondensatoren spielt eine nicht unerhebliche Rolle, da der Wirkungskreis mit steigender Abblockfrequenz kleiner wird. Impedanz und Störabstand (Noise) des Versorgungssystems lassen sich überprüfen. Wenn das System dimensioniert ist, kann ein PDS-Model für die anschließende SI-Simulation extrahiert werden.

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