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Reduktion von Spannungsverlust in Stromversorgungen

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Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Wie der Spannungsabfall auf Zuleitungen berechnet wird

Diese beiden Faktoren multiplizieren sich, wenn es um den erlaubten Spannungsverlust im Spannungsversorgungssystem geht. Nach dem Ohmschen Gesetz U=R*I müsste die Formel 4,17*U = 4,17*I*1/17,4*R heißen. Der ohmsche Widerstand der Zuleitungen bekommt also die 17-fache Bedeutung.

Bei Änderungen in dieser Größenordnung, kann der Widerstand des Versorgungssystems nicht mehr vernachlässigt werden. Die Spannungsdifferenz im Versorgungssystem zwischen Netzteil und Verbraucher wird auch IR-Drop genannt.

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Auf Leiterplatten ist die Spannungsversorgung üblicherweise mit Vcc-Zuleitungen und Vcc- und GND-Flächen realisiert. Der IR-Drop ist die Spannungsdifferenz zwischen der Spannung, die am Netzteil eingespeist wird und der Spannung, die an den Anschluss-Pins des Verbrauchers anliegt.

Da es für die Bauteile eine Spezifikation gibt, in welchem Spannungsbereich das Bauteil sicher funktioniert, muss das Spannungs- versorgungssystem am Verbraucher die Spannung der Spezifikation entsprechend bereitstellen. Das bedeutet, dass der Innenwiderstand des Versorgungssystems zu berechnen ist und die Ausgangsspannung am Netzteil um den so ermittelten Spannungsverlust erhöht wird.

Wie lässt sich der Innenwiderstand bestimmen? Für Leitungen mit einem gegebenen Querschnitt gibt es Formeln die auf der Leitfähigkeit von Kupfer beruhen. Für eine ideale Kupferfläche könnte dieser Wert auch rechnerisch ermittelt werden. Aber auf Leiterplatten sehen die Versorgungslagen heute eher aus wie ein Schweizer Käse mit den vielen Aussparungen und Löchern für VIAs. In den Design-Richtlinien steht deshalb meist, dass Zuleitungen so kurz und breit wie möglich umzusetzen sind.

Mit einem Field-Solver ist heute jedoch schnell der Innenwiderstand für den gesamten Stromkreis vom Netzteil über Vcc-Leitungen bis zum Verbraucher und der Rückstrompfad zum Netzteil über das GND-System berechenbar. Wenn jetzt noch die Werte für die Ausgangsspannung und die Leistungsaufnahme des Bauteils bekannt sind, lässt sich der IR-Drop bestimmen.

Da die meisten Schaltungen nicht nur einen Verbraucher haben, ist diese Berechnung für jedes Vcc-GND-Pin-Paar zu wiederholen (also sind für jeden Baustein so viele Berechnungen nötig wie er Versorgungs-Pins hat). Diese Anzahl der Simulationen dauert für komplexe Leiterplatten nur wenige Minuten. Das Simulationsergebnis sind Grafiken oder Tabellen, aus denen zu sehen ist, wo der Spannungsabfall außerhalb der Toleranz ist. Bauteile in der Nähe des Netzteils sehen die erhöhte Spannung, während das Bauteil mit dem größten Zuleitungswiderstand den kleinsten Spannungswert sieht. Aber alle Bauteile sollten innerhalb der Toleranz betrieben werden.

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