Power-Integrität: 5 weit verbreitete Mythen

Power-Integrität (PI) ist nichts Neues, wird aber immer wichtiger und wird auch weiterhin die Denkweise von fortschrittlichen Entwicklern beeinflussen. Im Trend der schnelleren und kleineren Produkte ist kein Ende abzusehen, wir haben nicht mehr den Luxus, Platz zu haben. Jeder Millimeter ist kostbar, was sich in unseren Designs widerspiegeln muss. Wenn Sie länger als ein paar Jahre in der Branche sind, haben Sie wahrscheinlich schon einmal etwas von folgenden PI-Mythen gehört:

Mehr Kupfer verwenden

Vielleicht wurde Ihnen erzählt, mehr Kupfer wäre besser. Und mit einer simplen Kupferfläche könnten Sie wirklich die meisten, wenn nicht sogar all Ihre Probleme in Sachen Power-Integrität lösen. Das ist natürlich nicht der Fall. Vielleicht vermeiden Sie damit einige Probleme bei der Wärmeabführung, schaffen aber andere Probleme durch Kupferinseln und Halbinseln. Obwohl sie anscheinend harmlos sind, haben Kupferinseln und Halbinseln spezielle Resonanzfrequenzen, die unter den richtigen Bedingungen Ausfälle verursachen können. Diese Ausfälle können zufällig auftreten und sind daher äußerst schwierig zu finden und zu beheben. Bevor Sie also die Schuld in der schwarzen Magie oder beim Voodoo-Priester suchen, prüfen Sie erst einmal, ob Ihre Kupferflächen nicht Inseln oder Halbinseln aufweisen. Sie wollen doch Ihr Design nicht wegwerfen und das ganze Layout neu anfangen.

Was wir als Entwickler vielleicht nicht immer beachten, aber sollten, sind die Kosten. Kupfer ist nicht billig und wir können nicht mit den heutigen Budgeteinschränkungen einfach nach Belieben weitere Lagen hinzufügen. Übertriebenes Design ist kostspielig.

Halten Sie sich an die IPC-2152

Dieser Punkt überrascht Sie vielleicht genau so wie viele andere. Ja, die IPC-2152 ist wichtig und bietet eine Orientierung zur Fehlervermeidung mithilfe von Leiterbahn-Mindestbreiten für akzeptable Temperaturanstiege. Aber die Anwendung der IPC-2152 auf diese Weise zwingt Designer, mehr Platz als nötig für Ihre Spannungsversorgungssysteme aufzuwenden und so wertvolle Fläche zu blockieren oder sogar Lagen zu einem Design hinzuzufügen.

Die IPC-2152 ist ein großartiges Werkzeug, das Sie verstanden haben sollten, wenn Sie ein wirklich effizientes Versorgungssystem entwickeln wollen. Dennoch sollte die Richtlinie nicht blindlings angewendet werden. Entwickler, die die IPC-2152 mit Bedacht und zusammen mit einem Power-Integritätswerkzeug einsetzen, können die Fläche ihres Versorgungssystems reduzieren und trotzdem sicherstellen, dass das Design sicher in die Herstellung geht.

Man kann nie genug Durchkontaktierungen haben

Wenn Sie sich mit der IPC-2152 auskennen, ist Ihnen vielleicht aufgefallen, dass der Umgang mit Durchkontaktierungen darin ziemlich locker ist. Wie auch bei der Leiterbahnbreite ist die IPC-2152 hier sehr traditionell ausgelegt und verpasst Ihrer Leiterplatte möglicherweise größere und mehr Durchkontaktierungen als nötig. Das kann zum Problem werden, wenn Ihre Kupferformen auf einmal mit vielen Durchkontaktierungen durchlöchert sind. Dadurch reduziert sich die verfügbare Fläche für den Strom, wodurch sich die Stromdichte und damit auch die Temperatur erhöht. Aber nicht nur das: Der Platz für den Rest Ihres Design wird knapper, was das Routing für die letzten 10 % Ihrer Leiterplatte zu einer besonders zeitraubenden Herausforderung macht. Wie bei den anderen Regeln der IPC-2152 gilt auch hier: Berücksichtigen und verstehen, aber nicht blind anwenden.

Kupfer ist gleich Kupfer

Was gern übersehen wird: Nicht alle Kupfersorten sind gleich. Ein unscheinbarer und oft übersehener Faktor bei der Analyse von Versorgungssystemen ist die Leitfähigkeit des Kupfers. Wir haben bereits darauf hingewiesen, dass nicht alle Kupfersorten gleich sind. Die Leitfähigkeit von PCB-Kupfer unterscheidet sich von der Leitfähigkeit für reines Kupfer. Wenn Sie Ihr Design mit einem anderen Leitfähigkeitswert analysieren, bekommen Sie also möglicherweise dramatisch veränderte Ergebnisse. Wir fanden heraus, dass die Leitfähigkeit des PCB-Materials im Schnitt 4,7e7 S/m beträgt, wogegen reines Kupfer 5,88e7 S/m hat. Das ist ein Unterschied von 22,3 %!  Sie sollten mit Ihrem Hersteller stets Rücksprache über diese wichtige Variable halten.

Man muss Experte sein

Es stimmte mal, dass man einmal Experte sein (oder eine(n)) kennen musste, um eine Power-Integritätsanalyse vorzunehmen. Oft musste man sein Design an einen Experten für Signal-Integrität oder Simulationen exportieren, weil die verwendete Software einfach zu komplex war und zu viele Optionen und Parameter hatte. Das kommt einer idealen Lösung nicht einmal entfernt nahe. Die Methode ist teuer, zeitaufwändig und Sie müssen oft exportieren und importieren, bis Ihre Leiterplatte endlich fertig ist.

Bei den heutigen kleinen Designs und den hohen Erwartungen der Verbraucher können wir uns nicht mehr vor der Power-Integritätsanalyse drücken – sie ist ein Muss für moderne Produkte. Denken Sie daran: Kupfer ist nicht die Lösung für all Ihre Probleme, Durchkontaktierungen haben ihre Tücken und die IPC-2152 hat die Wahrheit nicht gepachtet, sondern ist mehr als Ausgangspunkt zu sehen.

Was Sie wirklich brauchen, ist ein benutzerfreundliches Werkzeug, dass in Ihre vorhandene Design-Software integriert ist, Ihnen die Probleme visuell aufzeigt und Änderungen im Design ermöglicht. So müssen Sie nicht immer zu Ihrem Simulationsexperten laufen, wenn es ein Problem gibt.