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IR-Drop in passiven Bauteilen und an Durchkontaktierungen

Wenn in der Vcc-Zuleitung passive Bauteile wie Null-Ohm-Widerstände eingebaut wurden, haben die meist nicht exakt 0 Ω. Bei einem Blick ins Datenblatt stellt sich heraus, dass es auch an diesen Bauteilen bei Strömen von 1 A einen Spannungsabfall gibt. Dieser Spannungsabfall addiert sich zu dem IR-Drop des Versorgungssystems.

Obwohl die Werte gering erscheinen, ist dies häufig die Ursache für sporadisch ausfallende Bauteile bzw. Ausfälle der gesamten Schaltung. Sinkt die Spannung unterhalb des tolerierten Wertes, so befindet sich das Bauteil außerhalb der Spezifikation und darf sich verhalten wie es will.

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Diese undefinierten Zustände von Bauteilen sind zu vermeiden. Der Strom im Versorgungssystem sucht sich immer den Weg des geringsten Widerstands.

Wenn Zuleitungen oder Kupferflächen über VIAs miteinander verbunden sind, dann ist die Leitfähigkeit dieser Durchkontaktierungen genauso von Bedeutung wie auch deren Position.

Durch ein ungeeignetes Layout kann es dazu führen, dass ein sehr hoher Strom über nur ein VIA fließt. Dies hat nicht nur den Spannungsabfall an dieser Engstelle zur Folge, sondern wie später noch erläutert wird, auch eine Erhöhung der Temperatur.

Selbst wenn zwei gleiche VIAs platziert wurden, teilt sich der Strom nicht unbedingt in jeweils zur Hälfte auf. Die Platzierung spielt hier eine bedeutende Rolle und erschwert die Berechnung. Genaue Aussagen lassen sich durch Simulationen auf Basis von Field-Solvern treffen.

Ursachen für den IR-Drop und thermische Hotspots

Die Ursachen für den Spannungsabfall sind vielzählig. Etwa ist er von der Geometrie des Zuleitungssystems abhängig. Hier kommen die Form, Länge, Dicke und Leitfähigkeit zum Tragen. Die Platzierung der Quellen und unterschiedlichen Lasten hat einen wesentlichen Einfluss, der zum Teil durch den PCB-Designer beeinflusst werden kann. Einige Platzierungen sind aber vordefiniert und können nicht geändert werden.

Die Anzahl der unterschiedlichen Lastströme die durch das GND-System fließen beeinflussen sich gegenseitig. Via keep-outs und Wärmefallen (thermal relieve pattern) haben starken Einfluss auf die Geometrie von Kupferflächen und die Leiterbahnführung. Generell führen Aussparungen in Flächen erhöhten Widerständen der Flächen und zu mehr IR-Drop.

Die Anzahl der Power/Ground-Vias und die Platzierung der VIAs bestimmen, wo der Strom fließt. Der Strom teilt sich nicht gleichmäßig zwischen der Anzahl der Durchkontaktierungen auf. Der Innenwiderstand von Bauteilen, die Quellen und Lasten miteinander verbinden, führt zu einem Spannungsabfall über das Bauteil und addiert sich zum IR-Drop des Versorgungssystems hinzu. Hierzu gehören Null-Ohm-Widerstände und der parasitäre Widerstand von Spulen, der bis zu 5 mΩ betragen kann.

Zuletzt ist auch der Übergangswiderstand bei Steckern zu berücksichtigen, insbesondere, wenn es sich um Systeme aus mehreren PCBs handelt, wie z.B. Einsteckkarten.

Alle diese Aspekte zu bewerten ist schwierig und lässt sich bei immer kleiner werdenden Toleranzen und höheren Strömen nicht manuell bewältigen. Simulationen führen hier zu mehr Überblick und Sicherheit.

Je geringer der IR-Drop im DC-Spannungsversorgungssystem ist, desto mehr Marge bleibt für die wesentlich komplexeren AC-Störungen übrig (beispielsweise SSN, EMV,…).

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