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Simulationswerkzeuge

Reduktion von Spannungsverlust in Stromversorgungen

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Anbieter zum Thema

FlowCAD EDA-Software Vertriebs GmbH
MES Electronic Connect GmbH & Co. KG
Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Wenn es zu einem Spannungsabfall auf Kupferleitungen kommt, dann entsteht unerwünschte Wärme. Je größer der IR-Drop ist, desto mehr kommt es also zu Erwärmungen auf der Leiterplatte. Besonders schlimm wird es, wenn dies nicht gleichmäßig über die ganze Leiterplatte erfolgt, sondern sogenannte Hotspots entstehen.

An diesen Hotspots ist der Leitungsquerschnitt besonders eng und die Stromdichte steigt in diesen Bereichen an. Dies führt zu einer lokalen Erwärmung, die einen negativen Einfluss auf die Leitfähigkeit des Kupfers hat. Um diesen Effekt der temperaturabhängigen Leitfähigkeit zu berechnen ist es erforderlich, eine Co-Simulation aus einer thermischen Simulation und einer elektrischen Simulation durchzuführen. Erst wenn sich ein stabiler Zustand einstellt, können der IR-Drop und die Temperatur angezeigt werden.

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Sind die Hotspots bekannt, dann lassen sie sich meist durch kleine Änderungen im Layout entschärfen. Es können die Engstellen verkürzt, die Leitungen verbreitert oder VIAs umplatziert werden. Diese Änderungen sind meist kostenneutral und können die Layout-Qualität in Bezug auf die AC-Noise Marge erheblich verbessern.

Optimales Platzieren einer Sense Line

Eine Spannungsversorgung wird heute meist über geregelte Schaltnetzteile umgesetzt. Die Regelung erfolgt über eine Sense Line (Messeleitung), mit der an einer bestimmten Stelle auf der Leiterkarte der Spannungswert ermittelt und an das Netzteil über die Sense Line zurückgeführt wird. Im Netzteil wird dann entsprechend nachgeregelt, sodass der gewünschte Spannungswert am Messpunkt anliegt.

Da Netzteile das gesamte System mit einem Spannungswert versorgen müssen, gibt es auch nur einen Messpunkt für die ganze Leiterplatte. Die Wahl des Messpunktes ist so zu wählen, dass die Toleranz der Spannungsversorgung für alle Bauteile eingehalten wird. Bauteile mit unterschiedlicher Leistungsaufnahme haben auch einen unterschiedlichen IR-Drop. Der Sense Point sollte daher in der Mitte aller IR-Drop-Werte sein, mit der Konsequenz, dass einige Bauteile am Ende der oberen Toleranz betrieben werden und andere an der unteren Toleranzgrenze.

Kommt ein Simulationswerkzeug wie beispielsweise Sigrity Power DC von Cadence zum Einsatz, dann kann die optimale Platzierung des Sens Points in Form einer Linie angezeigt werden. Ist der Sense Point auf dieser Linie, so sind alle Spannungstoleranzen ausgemittelt. Das genannte Tool ist direkt in den CAD-Flow von Cadence eingebunden, kann aber auch PCB-Layout-Daten von Mentor Graphics, Zuken oder Altium zur Simulation einlesen.

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

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