Power-Integrity-Simulation mit der Software SILENT V4

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Die Zielsetzung dabei ist bis heute, den Einstieg in die PI-Simulation so einfach und schnell wie irgend möglich zu gestalten. Vor diesem Hintergrund mögen die hier abgefragten Parameter eventuell schon recht umfangreich erscheinen. Tatsächlich ist es aber so, dass alle hier erfassten Daten so stark auf das Simulationsergebnis durchschlagen, dass sich eine weitere Vereinfachung verbietet. Wie erheblich z.B. der Einfluss der Layoutgeometrie im Bereich der Kondensator-Pads ist, wurde vom Autor im Artikel ‚Die Layout-Geometrie der Powerplane entscheidet‘ ausführlich erläutert.

Neben diesen Angaben werden einfache Modellparameter zur DC-Quelle (z.B. DC-DC-Wandler) sowie der bevorzugte Kondensatortyp eingestellt. Abhängig von den zu versorgenden Verbrauchern wird außerdem eine Zielimpedanz vorgegeben, die das Powersystem in dem gewählten Frequenzbereich einhalten soll. Anhand dieser Vorgaben ermittelt SILENT automatisch eine „Standard-Kondensator-Gruppe“ zur Beschaltung dieses Powersystems.

Erster Entwurf der Kondensatorbeschaltung

Diese Standard-C-Gruppe wird im Hauptfenster (Bild 3) in der linken Spalte angezeigt, hier 4,4uF und 3,2nF. Bei der ermittelten Kondensator-Gruppe ist sichergestellt, dass auch sie im Zusammenspiel mit den übrigen Komponenten des Powersystems keine problematischen Resonanzen bildet.

Diese Gruppe kann nun (einmal oder auch mehrfach) in das Powersystem eingefügt werden. Anschließend wird der Analyse-Prozess gestartet, der die realen Eigenschaften des gesamten Powersystems exakt ermittelt. Als Ergebnis lässt sich die Impedanz des Powersystems an jeder beliebigen Position der Power-GND-Planes als Funktion der Frequenz (Bild 4, oberes Diagramm), oder für eine einzelne Frequenz als Funktion der Position auswerten (Bild 4, unteres Diagramm). Die in der oberen Hälfte des Diagramms ausgewertete Position liegt (bei X=10cm, Y=1.4mm) in der oberen rechten Ecke des Systems, also am Ende der relativ schmalen Kupferstruktur.

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Derartige Strukturen ergeben sich häufig während des Layoutprozesses durch das Bemühen, mit einer möglichst geringen Anzahl von Lagen auszukommen. Der Impedanzverlauf zeigt hier ein relativ schmales Maximum bei etwa 320MHz mit einer Amplitude von ca. 34Ohm. Zu klären, welche Impedanz das Powersystem zur Erfüllung der genannten Aufgaben genau haben müsste, würde den Rahmen dieses Beitrags sprengen.

Dass die hier vorgefundene Resonanz sich schon allein aus EMV-Rücksichten verbietet, ist jedoch leicht zu erklären: Die hohen Impedanzwerte von über 30Ohm sind offensichtlich darauf zurückzuführen, dass die schmale Kupferstruktur bei etwa 320MHz ihre Lambda/4-Resonanz hat. Die Konstruktion ähnelt damit gängigen UKW-Antennen und ist folglich in der Lage, im Powersystem befindliche Störpegel in diesem Frequenzbereich effektiv abzustrahlen (Abstrahlungserhöhung 20dB und mehr).

Und da passive Antennen bekanntlich reziprok sind, wird diese Konstruktion unter HF-Beeinflussung zu einer kräftigen Anhebung des Störpegels im Powersystem führen. Neben der deutlich erhöhten Abstrahlung des Störpegels dürften erhebliche hochfrequente Schwankungen der Versorgungsspannung auch für den Betrieb hier angeschlossener Verbraucher ein Problem sein. Das Powersystem kann so nicht bleiben!

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