Impedanz von Power-GND-Plane-Systemen Regeln für die Impedanzmessung in Stromversorgungssystemen von Leiterplatten

Die Impedanz eines Power-/GND-Plane-Systems gibt Aufschluss darüber, ob diese Konstruktion zum einen gute Stützeigenschaften und zum anderen gute EMV-Eigenschaften hat. Die frequenzabhängige Impedanz muss dabei über einen weiten Frequenzbereich überprüft werden. Wer beim Versuch, vergleichsweise sehr kleine Impedanzen mit einem 50-Ohm-Messsystem zu erfassen, nicht Opfer gigantischer Messfehler werden will, soll bestimmte Regeln beachten.

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Keysight Technologies Deutschland GmbH

DCC Dirks Compliance Consulting

Etliche Networkanalyzer verfügen über eine eingebaute Funktion, die es ermöglicht, die Ergebnisse einer Ein-Tor-Messung (S11) direkt in eine Impedanz umzurechnen. Wie aus Gleichung 1 zu erkennen, lässt sich aus der bekannten Referenz-Impedanz und dem gemessenen Reflektionsfaktor auf die Impedanz des Prüflings schließen.

Die Gleichung offenbart aber auch den gravierenden Nachteil dieser Methode: Ist die zu messende Impedanz erheblich kleiner als die Referenz-Impedanz des Messsystems, wird aufgrund der extremen Fehlanpassung nahezu alle zugeführte Leistung reflektiert; S11 ist betragsmäßig sehr nahe an 1. Unter diesen Bedingungen nimmt die Messunsicherheit erheblich zu, da es für das Messgerät immer schwieriger wird, die sehr kleine Differenz zwischen hinlaufender und rücklaufender Leistung korrekt zu messen.

Praktische Erfahrungen haben zur Erkenntnis geführt, dass es problematisch ist, Impedanzen <100 mΩ mit einem 50-Ω-Messgerät zu ermitteln; dies ist aber gerade bei der Messung in Stromversorgungssystemen der Fall, da diese Systeme darauf ausgelegt werden, breitbandig eine niederohmige (Generator-)Impedanz zu realisieren.

Theoretisch ist es möglich, auch solche Messungen bei brauchbarer Genauigkeit durchzuführen. In der Praxis stellt dies jedoch derartig hohe Anforderungen an die Qualität der Kalibrierung und die Anbindung des Messgerätes an den Prüfling, dass man in der Regel Abstand davon nehmen wird. Besonders letzterer Punkt stellt dabei das Kernproblem dar:

Der Grund dafür sind die parasitären induktiven Impedanzen der Vias, die für die Verbindung von Messbuchse und Power-System zumindest in Mehrlagen-Platinen benötigt werden. Wie viel Induktivität den Vias dabei zuzuordnen ist hängt von etlichen Parametern wie Lagenaufbau, Viadurchmesser, Anzahl der Vias usw. ab; für eine überschlägige Abschätzung nehmen wir (konservativ) eine Induktivität von 1 nH für die volle Länge des Vias an. Weiter wird unterstellt, dass die Messung wenigstens bis 500 MHz verlässliche Ergebnisse liefern soll. Eine Induktivität von 1 nH entspricht bei 500 MHz einer Impedanz von etwa 3,1 Ω. Liegt das zu untersuchende Power-System einigermaßen mittig in den Innenlagen der Leiterplatte, können wir grob mit der halben Impedanz pro Anbindung rechnen.

Wie in Bild 1 zu sehen, liegt diese Impedanz jeweils in Reihe mit der zu messenden Impedanz und wird damit das Messergebnis gravierend verfälschen, in vielen Bereichen sogar eindeutig dominieren. Theoretisch bestünde die Möglichkeit, Kalibrierpositionen in der Leiterplatte vorzusehen um den Einfluss der Vias im Rahmen der Kalibrierung aufzuheben. Es bleibt aber trotz des erheblichen Aufwands (Layout, Floorspace, Kalibrierung etc.) fraglich, ob die Messung später brauchbare Ergebnisse liefert.

Messmethode Zwei-Tor-Messung

Durch den Einsatz einer anderen Messmethode lassen sich die o.g. Probleme sehr elegant umgehen und die Anforderungen an die verfügbare Messtechnik sogar noch reduzieren: Anstelle einer Ein-Tor-Messung wird eine Zwei-Tor-Messung gemäß Bild 2 durchgeführt, womit die parasitären Impedanzen der Vias nicht mehr in Reihe mit dem Prüfling, sondern in Reihe mit der Generator-Impedanz (bzw. Last-Impedanz) des Messgerätes liegen. Der dadurch hervorgerufene Messfehler ist erheblich kleiner als bei der Ein-Tor-Messung und lässt sich überdies durch eine sehr einfache „Kalibrierung“ weit gehend entfernen.

Um abzuschätzen ob es tatsächlich erforderlich ist, den hier auftretenden Fehler durch entsprechende Maßnahmen auszuschalten, eignet sich nachfolgende überschlägige Betrachtung: Gemäß Bild 2 liegt im Längszweig der Messanordnung insgesamt eine Impedanz von gut 6 Ω (bei 500 MHz) was zu einer Einfügungsdämpfung von etwa 1 dB führt. Dieselbe Einfügungsdämpfung wäre zu beobachten, wenn statt der 6 Ω längs etwa 420 Ω im Querzweig (also parallel zum Prüfling) lägen.

Dies hätte aber angesichts der zu messenden Prüflings-Impedanzen im Bereich ~10 mΩ bis ~10 Ω keinen spürbaren Einfluss auf das Messergebnis, wobei gerade bei den sehr kleinen Messwerten der Fehler besonders gering (<<1%) wird. Damit lässt sich diese Messung also nicht nur mit einem Networkanalyzer, sondern sogar auf Spectrumanalyzern mit Tracking-Generator (TG) durchführen, die über keinerlei Kalibriermöglichkeiten verfügen. Kommen allerdings die später erwähnten 6-dB-Dämpfungsglieder zum Einsatz, ist es komfortabel, wenn eine Möglichkeit zum Einpegeln des Tracking-Generators auf die Nulllinie besteht. Dieses Messverfahren ermöglicht damit Impedanzmessungen, bei denen die Messebene scheinbar direkt am Prüfling liegt.

Da Spectrumanalyzer mit TG in der Regel deutlich kostengünstiger zu beschaffen sind, wird im Folgenden das Durchführen und Auswerten der Messung mit Spectrumanalyzer und Tracking-Generator beschrieben, auch wenn sich die Messung selbstverständlich ebenso mit einem Netzwerkanalyzer durchführen lässt.

Die Messung besteht aus wenigen relativ einfachen Schritten, die abhängig vom verwendeten Messgerät mehr oder weniger automatisiert werden können. Die hier vorgestellten Messungen wurden mit einem HP 8560A Option 2 (TG) und einer eigens dafür geschriebenen sehr einfachen Software durchgeführt.

Messung mit Spectrumanalyzer und Tracking-Generator

Grundsätzlich wird bei der Messung eine Einfügungsdämpfung bestimmt. Diese beschreibt, wie viel zusätzliche Dämpfung durch die Ein-fügung eines Filters (hier das Power-System im Querzweig) in einem Übertragungsweg auftritt. Dazu wird in einem ersten Schritt der Übertragungsweg ohne das Power-System gemessen. Praktisch sieht dieser Schritt so aus, dass ein Messkabel vom Tracking-Generator über einen Female-Female-Adapter (Doppel-weibchen) mit dem Messkabel am Spectrum-analyzer verbunden wird. Alternativ könnte auch ein (Dummy-) Via-Pärchen, das in der Leiterplatte nicht kontaktiert ist, als Referenz verwendet werden.

Auf dem Spectrumanalyzer erscheint nun die Dämpfung dieses Übertragungsweges, die im Idealfall nahe 0 dB im betrachteten Frequenzbereich liegen sollte. Abweichungen treten aufgrund der Kabel- bzw. Via-Eigenschaften sowie der Charakteristika des Messgerätes auf. Um bei der späteren Messung des Power-Systems Fehler aufgrund von Fehlanpassungen zu reduzieren, kann an den beiden Prüflings-Enden der Messkabel je ein 6-dB-Dämpfungsglied eingesetzt werden. Diese 12 dB zusätzlicher Dämpfung zeigen sich entsprechend in dieser ersten Referenz-Messung.

Viele Spectrumanalyzer bieten die Möglichkeit, im Rahmen einer Kalibrierung oder A-minus-B-Funktion diese Referenz-Messung zu speichern, um die hier gemessenen Beträge in späteren Messungen zu subtrahieren. Wird solch eine Funktion nun aktiviert, zeichnet der Spectrumanalyzer exakt eine Nulllinie. Im zweiten Schritt wird nun die Einfügungsdämpfung des Power-Systems gemessen, indem dieses anstelle des Doppelweibchens in die Messanordnung eingefügt wird.

Hierfür kann man zwei kurze Stücke Semi-Rigid-Koaxkabel mit SMA-Buchse verwenden, deren freie Enden möglichst kurz an das Power-System angebunden werden: über eigens hierfür vorgesehene Pads oder auch einen freien Kondensator-Bestückungsplatz. Ein Kabel wird dabei auf der Oberseite, das andere auf der Unterseite der Leiterplatte an demselben Via-Pärchen kontaktiert (Bild 3).

Die Herstellung einer mechanisch ausreichend festen Verbindung ist auf eigens hierfür (auf beiden Seiten der Leiterplatte) angelegten Pads deutlich einfacher. Der dritte und letzte Schritt besteht darin, die gemessenen Einfügungsdämpfungswerte A [dB] in eine Impedanz ZSVS [Ω] umzurechnen.

Gleichung 2 ermöglicht die direkte Berechnung der gesuchten Impedanz. Wird diese Berechnung „manuell“ durchgeführt, konzentriert man sich in der Regel zunächst auf die Minima der Einfügungsdämpfung, da diese den (in der Regel durch Resonanzen hervorgerufenen) Impedanz-Maxima des Power-Systems entsprechen.

Besteht die Möglichkeit, die Umrechnung im Spectrumanalyzer oder mit einer Software zu automatisieren, lässt sich direkt der Impedanzverlauf des Power-Systems darstellen (Bild 4). Gut zu erkennen ist eine erste Resonanz bei ca. 45 MHz, die durch die Zusammenschaltung des Power-Systems mit einem 220-µF-Kondensator entstanden ist. Ebenso markant ist die Lambda-Halbe-Resonanz, die durch einen Eigenmode des Flächensystems hervorgerufen wird. Zu höheren Frequenzen hin finden sich weitere Moden des Flächensystems.

Um das Messergebnis zu überprüfen, wurde das Flächensystem mithilfe eines geeigneten Simulations-Tools (SILENT V.4) untersucht (Bild 5) und mit der Messung verglichen.

Bedenkt man die Vielzahl nicht beliebig präzise definierbarer Parameter (Dielektrizitätszahl der Leiterplatte, tatsächliche Dicke der Substratschicht, reale Verluste in Kondensator und Flächensystem etc.), so sind die Ergebnisse dieser Messung absolut plausibel.

*Nils Dirks, Inhaber von Dirks Corporate Consulting, ist in den Bereichen EMV-Schulung, Beratung und Software tätig.

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