Leiterplatten für Hochstromanwendungen

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Widerstände sind frequenzabhängig

Durch die niedrigen Versorgungsspannungen in der Digitaltechnik kommt es heute auch bei großen FPGAs oder Mikroprozessoren zu hohen Versorgungsströmen, die in den Bereich von 30 bis 50 A gehen. Das Prinzip des Ohmschen Gesetzes gilt auch hier, nur ist der Widerstand frequenzabhängig. Es muss also mit der Impedanz des Versorgungssystems an jeder Entnahmestelle (Vcc-GND-Kombination) gerechnet werden. Die Frequenzabhängigkeit erhöht die Komplexität der Simulation erheblich.

Sigrity PowerSI und SystemSI verfügen hier über patentierte Verfahren, die dennoch in akzeptabler Zeit exakte Ergebnisse liefern, die Sign-Off-Qualität haben. Die Impedanz eines Versorgungssystems wird durch die verschiedenen Bauteile bestimmt, die zur Stabilisierung dienen. Dazu gehören neben dem spannungsreguliertem Netzteil (VRM) auch die Abblockkondensatoren mit Ihren unterschiedlichen Resonanzfrequenzen und ESR-Werten (equivalent series resistance). Aber auch zwei Versorgungslagen, die nur durch eine 50 oder 100 µm dicke Isolationsschicht getrennt sind und so eine Art Plattenkondensator bilden, werden bei der Extraktion der Layout-Geometrie und dem Lagenaufbau erkannt und entsprechend bei der Berechnung berücksichtigt.

Techniken, um hohe Ströme auf Leiterplatten zu transportieren

Um hohe Ströme ohne Erwärmung zu ermöglichen, ist entsprechender Leitungsquerschnitt erforderlich. Auf Standard-Leiterplatten mit 35 µm Kupferdicken kommt man schnell an die Grenzen der zulässigen Leiterbahnbreiten. Daher gibt es verschiedene Möglichkeiten die Leitungsquerschnitte zu vergrößern. Mit der Dickkupfer-Methode können Kupferstärken von 100 oder 400 µm und mehr auf einzelnen Lagen verarbeitet werden. Dabei sind die Kupferstärken auf der gesamten gleich dick.

In einer Kombination von Dickkupfer in Hochstrom-Bereichen und Feinleitertechnik, also Leistung und Logik, können auf einer Leiterplatte unterschiedliche Kupferstärken auf einer Lage kombiniert werden. Hierzu sind spezielle Lagenaufbauten für Anwendungen im Strom-Management möglich. Diese Kombination bietet nicht nur Kostenvorteile durch weniger Logistikaufwand, sondern auch durch den Wegfall von Steckverbindern und Kabeln und hohe Zuverlässigkeit.

Mit der Wirelaid-Technologie, die durch das Unternehmen Jumatech entwickelt wurde, können an definierten Bereichen mit im Inneren der Leiterplatte verlegten Flachdrähten die Leiterbahnquerschnitte vergrößert werden. Der Vorteil ist, dass sich stromführende Leitungen auf verschiedenen Lagen kreuzen können und der Platzbedarf minimal ist, somit bleibt viel Platz für andere Bauteile. Die Gesamtkosten der Leiterplatte werden durch den minimalen Platzbedarf gesenkt, weshalb diese Technologie auch in kostensensitiven Anwendungen wie beispielsweise in Kraftfahrzeugen oder der Automatisierungselektronik mit hohen Anforderungen an die Zuverlässigkeit und Gewicht eingesetzt wird.

Hochstromschienen in die PCBeinschrauben oder einpressen

Für spezielle Anwendungen, bei denen hohe Temperaturen abgeführt werden sollen, gibt es auch die Möglichkeit Materialien als Isolator zu verwenden, die eine hohe thermische Leitfähigkeit bei gleichzeitig guter elektrischer Isolation bieten. Zusätzlich können Metallplatten aus Aluminium oder Kupfer auf der Unterseite als integrierter Kühlkörper angebracht werden. Diese 1-, 3- oder 5-lagigen Leiterplatten werden häufig für Motorsteuerungen oder DC/DC-Wandler verwendet.

Es gibt auch die Möglichkeit, Hochstromschienen in die Leiterplatte einzuschrauben bzw. einzupressen. Diese lasergeschnittenen Strukturen haben die Ähnlichkeit mit Zäunen, wobei in der Metallplatte der Strom fließt, der über mehrere Stützen zugeführt wird. Bei solchen Konstruktionen ist aber die unterschiedliche Wärmeausdehnung der Leiterplatte und der Stromschiene zu berücksichtigen und eine entsprechend sichere Befestigung mit angepassten Kontaktierungslöchern zu beachten.

Im OrCAD oder Allegro PCB Editor ist es möglich, auch Teilabschnitten von elektrischen Netzen unterschiedliche Regeln zuzuweisen. So kann zum Beispiel über eine Schaltungssimulation mit PSpice der Strom in jedem Teilstück einer Zuleitung zu mehreren Verbrauchern berechnet werden. Adäquat lassen sich den Teilstücken der Zuleitung auch unterschiedliche Leiterbahnbreiten zuweisen. Das Tool achtet über den Online-DRC-Check darauf, dass die Leiterbahnbreiten eingehalten werden.

Bei Hochstromanwendungen kommt es häufig vor, dass eine dünne Messleitung (Sense) vom Verbraucher zurück zur Stromversorgung geführt wird. Mit dieser Leitung wird der Spannungsabfall zum Verbraucher gemessen und zur Regelung verwendet. Diese Rückleitung ist im selben elektrischen Netz und es muss vom Constraint Manager eine Verdrahtungsreihenfolge (Stromquelle-Verbraucher-Messung) eingehalten werden. Über Net-Schedulung wird dies einfach definiert und online geprüft. Zusätzlich prüft der PCB Editor, ob die Messleitung einen vorgeschriebenen Mindestabstand zur Versorgungsleitung einhält (same Net DRC), damit sichergestellt wird, dass auch wirklich der Spannungswert am Verbraucher gemessen wird und nicht unterwegs an einer unbeabsichtigten Verbindung mit dem gleichen Netz.

* Dirk Müller ist Geschäftsführer der FlowCAD EDA-Software Vertriebs GmbH, Feldkirchen.

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