Ein Wechselspiel aus Analog- und Feldsimulation

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Optimierung der Versorgungsintegrität

Die ICs beziehen ihren Strom meist nicht gleichmäßig aus dem Versorgungsnetz, sondern arbeiten vorwiegend getaktet. Diese Taktung kann Resonanzen anregen, die möglicherweise dazu führen, dass sich das IC an einer Stelle des Versorgungsnetzwerks befindet, an der zu manchen Zeiten die Versorgungsspannung unter die notwendigen Werte fällt und das IC somit ausfällt.

ANSYS SIwave bietet viele Möglichkeiten, ein Leiterplattendesign auf die Versorgungsintegrität zu untersuchen und das Verhalten durch gezieltes Platzieren von Stützkondensatoren zu verbessern. In einem ersten Schritt wird untersucht, welche Resonanzen des Versorgungsnetzwerkes sich bei welchen Frequenzen ausbilden. Hierbei werden natürlich die schon platzierten passiven Bauelemente berücksichtigt.

Dies erlaubt es, kritische Frequenzen zu identifizieren und auch günstige Positionen für Stützkondensatoren an den Maxima der stehenden Wellen zu bestimmen. Damit diese Stützkondensatoren die Resonanzen unterbinden können, müssen deren parasitäre Induktivitäten so gering sein, dass die Kondensatoren bei den gegebenen Frequenzen noch ein kapazitives Verhalten aufweisen und entsprechend die Maxima der stehenden Wellen reduzieren.

In einer komplementären Analyse werden die Frequenzgänge der Impedanzen der Versorgungswege bestimmt (Bild 1). Dies gibt Aufschluss darüber, welche Resonanzen tatsächlich durch den getakteten Stromverbrauch bei entsprechenden Taktraten und Schaltflanken angeregt werden können und welche Auswirkungen diese auf die Versorgung der ICs haben: Hohe Impedanzwerte bei einer Frequenz bedeuten, dass kleine Stromschwankungen mit dieser Frequenz große Spannungsschwankungen hervorrufen.

Für diese Impedanzen bestehen Limit-Lines, die für ein Leiterplattendesign eingehalten werden müssen. ANSYS SIwave bietet auch die Möglichkeit, die Auswahl von Stützkondensatoren zu optimieren. Hierbei werden aus einer vorgegebenen Liste von Kondensatoren die besten Kombinationen ausgewählt, zum Beispiel bezüglich Preis oder Anzahl, sodass die Grenzwerte an die Impedanzen möglichst erfüllt sind. Diese Analysen erlauben es, Gewissheit über die geeignete Wahl von Stützkondensatoren zu erlangen und „Angstkondensatoren“ zu vermeiden.

Wie zuvor schon erwähnt, ist die Versorgungsintegrität mit den Themen der Signalintegrität und der elektromagnetischen Verträglichkeit eng verwoben. Denn das Versorgungssystem beinhaltet die größten Netze, die Störungen gut weiterleiten und als effiziente Antennen wirken können, speziell bei Resonanzen. Folglich ist eine gute Auslegung des Versorgungssystems eine wichtige Voraussetzung für den Erfolg in der Elektronikentwicklung.

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