Simulation von Leiterplatten

Simulation von Leiterplatten
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Das Ergebnis der Power Integrity Analyse ist die Stromdichte und Stromrichtung
06.06.2013 | Durch die niedrigen Versorgungsspannungen der Digitaltechnik fliessen auf der Leiterplatte entsprechend hohe Ströme von bis zu 50A. Um diese hohen Stromstärken sicher zu transportieren, bedarf es eines ausgefeilten Konzepts für die Stromversorgung.

Hochstromanwendungen sind nicht nur in der Leistungselektronik (z.B. IGBT-Schaltungen) Realität. Durch die stetige Reduktion der Versorgungsspannungen von digitalen Bausteinen, steigen auch in diesem Bereich die Stromstärken. Designregeln aus Hochstromanwendungen werden notwendig. Diese lassen sich aber auch auf digitale Designs übertragen. Denn auch hier gilt das Ohm’sche Gesetz. Die Zuleitung für die Stromversorgung darf keinen zu grossen Widerstand haben, ansonsten wird die elektrische Energie in Wärme umgewandelt und am Verbraucher liegt eine tiefere Spannung an.
 
Dazu kommen noch Temperatureinflüsse durch Eigenerwärmung der Leiterplatte. Damit wäre die Berechnung theoretisch auch noch manuell möglich. In der Praxis ist es jedoch nicht einfach, die Leitungsquerschnitte exakt zu berechnen. Bei Kupferflächen ist dies unmöglich. Nur mit einer Analysesoftware liegt ein Resultat in vernünftiger Zeit vor. Bei manuellen Abschätzungen werden häufig vereinfachte Formeln aus der IPC·2152A-Richtlinie (Standard for Determining Current Carrying Capacity in Printed Board Design) verwendet, die bei entsprechender Dicke der Kupferlagen einer Leiterplatte dann Werte für die minimale Breite für die Kupferverbindung angibt. Rückströme werden hierbei über spezielle Leitungen geführt oder die Masseflächen als ideale Flächen angenommen. Diese Ergebnisse der Faustformeln werden aber zusätzlich mit hohen Sicherheitsmargen ausgestattet, um nichtlineare Effekte und ein Wärmespreizung auf der Leiterplatte von anderen Strömen zu kompensieren. Das führt in der Regel zu überdimensionierten Leitungsbreiten und zu einem zu hohen Platzbedarf auf der Leiterplatte.

Exakte Analyse mit 3D Field-Solver

Exakte Analyse mit 3D Field-Solver
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Anpassung der Leiterbahnbreite entsprechend der Stromstärke

Die echten Verhältnisse der Stromdichteverteilung auf Leiterplatten lassen sich mit 3D·Field-Solvern exakt analysieren und anzeigen. Mit dem 3D-Field-Solver von Sigrity PowerDC werden die elektrischen Verlustleistungen der Verbraucher, der Strom über die Zuleitung und der Rückstrompfad über Versorgungslagen zu einer Simulation herangezogen.
 
Der Solver erstellt über finite Elemente (FEM) eine elektrische Ersatzschaltung die sowohl die Zuleitungen als auch die Kupferflächen berücksichtigt. Dabei werden Aussparungen wie Bohrungen, Wärmefallen, Trenngräben und Durchkontaktierungen in die detaillierten Rechenmodelle einbezogen. Als Ergebnis erhält man eine numerische und grafische Auswertung, wo es zu sogenannten Hotspots kommt. An diesen Hotspots ist der elektrische Widerstand höher und es kommt zu einem Abfall des Spannungspotenzials (lR·Drop) und zu lokaler Erwärmung. Die Software berücksichtigt dabei die thermische Leitfähigkeit von Isolationsmaterial (z.B. FR4) und dem elektrischen Leiter (z.B. Kupfer). Es lassen sich die exakten Spannungswerte und Temperaturen an jedem Punkt der Leiterplatte ablesen. Aus diesen Erkenntnissen der Simulation lassen sich dann geometrische Designregeln, wie etwa eine minimale Leiterbahnbreite für die Zuleitungen ableiten, die mit einer Online·Prüfung im PCB-Layout-System geprüft werden. An den Stellen in den Kupferflächen an denen es zu Hotspots kommt, kann die Struktur der FIäche oder die geänderte Anordnung von Durchkontaktierungen manuell geändert werden.

Widerstände sind frequenzabhängig
Durch die niedrigen Versorgungsspannungen in der Digitaltechnik kommt es heute auch bei grossen FPGAs oder Mikroprozessoren zu hohen Versorgungsströmen, die in den Bereich von 30 bis 50 A gehen. Das Prinzip des Ohm’schen Gesetzes gilt auch hier, nur ist der Widerstand frequenzabhängig. Es muss also mit der Impedanz des Versorgungssystems an jeder Entnahmestelle (Vcc-GND-Kombination) gerechnet werden. Die Frequenzabhängigkeit erhöht die Komplexität der Simulation erheblich.
Sigrity PowerSI und SystemSI verfügen hier über patentierte Verfahren, die den noch in akzeptabler Zeit exakte Ergebnisse liefern, die Sign·Off-Qualität haben. Die Impedanz eines Versorgungssystems wird durch die  verschiedenen Bauteile bestimmt, die zur Stabilisierung dienen. Dazu gehören neben dem spannungsreguliertem Netzteil (VRM) auch die Abblockkondensatoren mit Ihren unterschiedlichen Resonanzfrequenzen und ESR-Werten (equivalent series resistance). Aber auch zwei Versorgungslagen, die nur durch eine 50 oder 100µm dicke Isolationsschicht getrennt sind und so eine Art Plattenkondensator bilden, werden bei der Extraktion der Layout-Geometrie und dem Lagenaufbau erkannt und entsprechend bei der Berechnung berücksichtigt.

Techniken, um hohe Ströme auf der Leiterplatte zu transportieren
Um hohe Ströme ohne Erwärmung zu ermöglichen, ist ein entsprechender Leitungsquerschnitt erforderlich. Auf Standard-Leiterplatten mit 35µm Kupferdicken kommt man schnell an die Grenzen der zulässigen Leiterbahnbreiten. Daher gibt es verschiedene Möglichkeiten die Leitungsquerschnitte zu vergrössern. Mit der Dickkupfer-Methode können Kupferstärken von 100 oder 400µm und mehr auf einzelnen Lagen verarbeitet werden. Dabei sind die Kupferstärken auf der gesamten Lage gleich dick. 

In einer Kombination von Dickkupfer in Hochstrom-Bereichen und Feinleitertechnik, also Leistung und Logik, können auf einer Leiterplatte unterschiedliche Kupferstärken auf einer Lage kombiniert werden. Hierzu sind spezielle Lagenaufbauten für Anwendungen im Strom-Management möglich.
Diese Kombination bietet nicht nur Kostenvorteile durch weniger Logistikaufwand, sondern auch durch den Wegfall von Steckverbindern und Kabeln und hohe Zuverlässigkeit.

Mit der Wirelaid-Technologie, die durch das Unternehmen Jumatech entwickelt wurde, können an definierten Bereichen mit im Inneren der Leiterplatte verlegten Flachdrähten die Leiterbahnquerschnitte vergrössert  werden. Der Vorteil ist, dass sich stromführende Leitungen auf verschiedenen Lagen kreuzen können und der Platzbedarf minimal ist, somit bleibt viel Platz für andere Bauteile. Die Gesamtkosten der Leiterplatte werden durch den minimalen Platzbedarf gesenkt, weshalb diese Technologie auch in kostensensitiven Anwendungen wie beispielsweise in Kraftfahrzeugen oder der Automatisierungselektronik mit hohen Anforderungen an die Zuverlässigkeit und Gewicht eingesetzt wird.

Hochstromschienen in die Leiterplatte einschrauben oder einpressen

Hochstromschienen in die Leiterplatte einschrauben oder einpressen
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Unten Links ist eine Hochstromschiene auf der Leiterplatte integriert

Für spezielle Anwendungen, bei denen hohe Temperaturen abgeführt werden sollen, gibt es auch die Möglichkeit, Materialien als Isolator zu verwenden, die eine hohe thermische Leitfähigkeit bei gleichzeitig guter elektrischer Isolation bieten. Zusätzlich können Metallplatten aus Aluminium oder Kupfer auf der Unterseite als integrierter Kühlkörper angebracht werden. Diese 1-, 3- oder 5-lagigen Leiterplatten werden häufig für Motorsteuerungen oder DC/DC-Wandler verwendet.

Es gibt auch die Möglichkeit, Hochstromschienen in die Leiterplatte einzuschrauben bzw. einzupressen. Diese lasergeschnittenen Strukturen haben die ähnlichkeit, mit Zäunen, wobei in der Metallplatte der Strom fliesst, der über mehrere Stützen zugeführt wird. Bei solchen Konstruktionen ist aber die unterschiedliche Wärmeausdehnung der Leiterplatte und der Stromschiene zu berücksichtigen und eine entsprechend sichere Befestigung mit angepassten Kontaktierungslöchern zu beachten.
 
Im OrCAD oder Allegro PCB Editor ist es möglich, auch Teilabschnitten von elektrischen Netzen unterschiedliche Regeln zuzuweisen. So kann zum Beispiel über eine Schaltungssimulation mit PSpice der Strom in jedem Teilstück einer Zuleitung zu mehreren Verbrauchern berechnet werden. Adäquat lassen sich den Teilstücken der Zuleitung auch unterschiedliche Leiterbahnbreiten zuweisen. Das Tool achtet über den Online-DRC-Check darauf, dass die Leiterbahnbreiten eingehalten werden.
 
Bei Hochstromanwendungen kommt es häufig vor, dass eine dünne Messleitung (Sense) vom Verbraucher zurück zur Stromversorgung geführt wird. Mit dieser Leitung wird der Spannungsabfall zum Verbraucher gemessen und zur Regelung verwendet. Diese Rückleitung ist im selben elektrischen Netz und es muss vom Constraint Manager eine Verdrahtungsreihenfolge (Stromquelle-Verbraucher-Messung) eingehalten werden. über Net-Scheduling wird dies einfach definiert und online geprüft. Zusätzlich prüft der PCB Editor, ob die Messleitung einen vorgeschriebenen Mindestabstand zur Versorgungsleitung einhält (same Net DRC), damit sichergestellt wird, dass auch wirklich der Spannungswert am Verbraucher gemessen wird und nicht unterwegs an einer unbeabsichtigten Verbindung mit dem gleichen Netz.


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