Ein schlecht ausgelegtes PDN kann erhebliche Folgen haben: von sporadischen Störungen bis zum vollständigen Systemausfall.
Dieser Leitfaden fasst die wichtigsten Grundlagen zusammen und erläutert die entscheidenden Aspekte des PDN-Entwurfs auf Leiterplatten.
Die Bedeutung des PDN im Leiterplattenentwurf#
Die Sicherung der Versorgungsqualität wird mit jeder Entwicklungsgeneration anspruchsvoller. Sinkende Kernspannungen von 1,2 V oder weniger gehen mit steigenden Stromanforderungen einher, wodurch der ohmsche Spannungsabfall wichtiger wird: ΔU = I × R. Kompaktere Elektronik verlangt zudem weniger Lagen und dichtere Schaltungen, sodass weniger Platz für die Stromversorgung bleibt. Freistellungen um Vias können Versorgungslagen regelrecht durchlöchern und die Strompfade zusätzlich einschränken.
Layoutentwickler müssen unterschiedliche Vorgaben von Hardware- und Power-Integrity-Spezialisten zusammenführen, die per E-Mail, Telefon oder als Erfahrungsregel eintreffen. Diese Anforderungen sind auf zahlreiche Versorgungsschienen anzuwenden. Anschließend sollen oft noch Abmessungen, Lagenzahl und Bauteilanzahl sinken, nicht selten unter unrealistischen Zeitvorgaben. Das erschwert einen konsistenten PDN-Entwurf.
Elektromagnetische Störungen berücksichtigen#
Mit steigenden Schaltgeschwindigkeiten kann die Empfindlichkeit gegenüber internen und externen elektromagnetischen Störungen zunehmen. Eine geeignete Anordnung von Versorgungs- und Masselagen kann abschirmen und EMI-Probleme verringern.
Ground Bounce begrenzen#
Gleichzeitig schaltende Digitalsignale erzeugen unter Umständen Simultaneous Switching Noise (SSN) oder Ground Bounce. Das tritt typischerweise bei Speicher- und Datenbussen auf: Die Signalpegel kehren nicht sauber zum vorgesehenen Massebezug zurück, sondern schwanken darüber.
Solche Störungen können den Betrieb beeinträchtigen und Fehlschaltungen auslösen. Ein robustes PDN begrenzt diese Effekte durch einen stabilen Massebezug.
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Versorgungsripple beherrschen#
Auch Schaltvorgänge der Stromversorgung erzeugen Rauschen und Restwelligkeit. Durch Kopplung in benachbarte Schaltungen können Übersprechen und eine schlechtere Signalintegrität entstehen.
Was die PDN-Impedanz umfasst#
Zum PDN gehören alle mit Versorgung und Masse verbundenen Elemente: Versorgungs- und Masseflächen, Verbindungsleitungen, stabilisierende Entkopplungskondensatoren und weitere Kupferstrukturen an den Hauptversorgungsschienen. Auch parasitäre Kapazitäten und Induktivitäten der Verbindungen zu integrierten Schaltungen beeinflussen seine Impedanz.
Wichtige parasitäre Anteile sind:
- Flächenkapazität – die Kapazität zwischen den Flächenlagen des PDN.
- Kondensatorinduktivität – parasitäre Induktivität der Anschlüsse, die die Eigenresonanz beeinflusst.
- Leiterbahninduktivität – der induktive Beitrag der stromführenden Leiterbahnen zum gesamten PDN.
Warum die PDN-Impedanz entscheidend ist#
Entwicklern schneller und hochfrequenter Schaltungen ist die Bedeutung der PDN-Impedanz vertraut. Mit fortschreitender Technik wird dieses Wissen für immer mehr Designs relevant. Die folgenden Punkte fassen ihre wesentlichen Auswirkungen zusammen.
Störungen auf der Versorgungsschiene#
Transiente Ströme verursachen Spannungsschwankungen oder Ripple. Deren Ausmaß hängt unmittelbar vom Impedanzverlauf des PDN über der Frequenz ab.
Schwingungen der Versorgung dämpfen#
Auf der Versorgungsschiene können Ringing oder schwach gedämpfte Schwingungen auftreten, etwa wenn Entkopplungskondensatoren falsch dimensioniert oder ihre Eigenresonanzfrequenzen nicht berücksichtigt wurden.
Ausreichende Entkopplung sicherstellen#
In schnellen Logikschaltungen reichen herkömmliche Kondensatoren wegen ihrer begrenzten Eigenresonanzfrequenzen zunehmend nicht allein aus. Bei manchen Bauteilen liegt diese etwa bei 100 MHz; der tatsächliche Wert hängt vom Bauteil und seiner Montage ab. Deshalb nutzen Entwickler zusätzlich die Kapazität zwischen Lagen und neuere Kondensatoren mit Eigenresonanzen bis in den GHz-Bereich, um schnelle und hochfrequente Schaltungen angemessen zu entkoppeln.
Praktischer Ablauf der PDN-Auslegung#
Das Versorgungsnetz umfasst Spannungsregler, Flächen, Leiterbahnen, Vias, Kondensatoren, Gehäuseverbindungen und die Last auf dem Chip. Seine Impedanz muss im relevanten Frequenzbereich niedrig genug bleiben, um Versorgungsstörungen zu begrenzen.
- Zulässige Restwelligkeit definieren und daraus die Zielimpedanz berechnen.
- Lagenaufbau und benachbarte Versorgungs- und Masseflächen so wählen, dass die Ausbreitungsinduktivität sinkt.
- Kondensatoren nach ihrer Impedanz im eingebauten Zustand auswählen, nicht nur nach der Kapazität.
- Vias und Kondensatoren so platzieren, dass die Schleifeninduktivität bei hohen Frequenzen möglichst klein bleibt.
- Antiresonanzen und Wechselwirkungen mit dem Regler im gesamten Netz modellieren.
- Prototypen mit geeigneter Messtechnik untersuchen und die Ergebnisse mit der Simulation vergleichen.
Häufig gestellte Fragen#
Was ist die Zielimpedanz eines PDN?
Sie ist die maximal zulässige Impedanz, berechnet aus der erlaubten Spannungsschwankung geteilt durch den erwarteten Laststromsprung.
Helfen zusätzliche Kondensatoren immer?
Nein. Parasitäre Effekte und Resonanzen können Impedanzspitzen erzeugen. Kapazität, Gehäuse, Platzierung und Anschlussgeometrie sind entscheidend.
Warum Versorgungs- und Masseflächen eng benachbart anordnen?
Eine geringe dielektrische Trennung erhöht die Flächenkapazität und verringert die Schleifeninduktivität. Das verbessert das Hochfrequenzverhalten.