IO-Schnittstellen im Fokus

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POWER AWARE SIGNAL INTEGRITY SIMULATION AM BEISPIEL EINER STROMVERSORGUNG
IO-Schnittstellen im Fokus
Firmenbeitrag - Bei der Simulation von Stromversorgungen wurde bislang das transiente
Verhalten von IO-Schnittstellen vernachlässigt. Doch gerade bei Frequenzen grösser 1
GHz kann sich ein genauerer Blick darauf lohnen. Für diesen hält FlowCAD verschiedene
Werkzeuge bereit.
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hysikalische Vorgänge bei der Signalübertragung im hochfrequenten Bereich
sind sehr komplex. Um ungewollte Effekte
vorhersagen zu können, wird daher versucht, die Realität mit mathematischen Modellen nachzubilden. Diese sind vereinfacht,
um in tolerierbarer Zeit zu akzeptablen Ergebnissen zu kommen, und werden von
Computern mit Simulationsprogrammen berechnet.
Grundlegendes zur Signalintegrität
Die Signalintegrität (SI) beschreibt die Qualität eines elektrischen Signals. In der Digitaltechnik wird eine Reihe von binären Daten
in Form von Spannungswerten oder Stromwerten in einer Kurve übertragen. Da digitale Signale letztendlich auch nur analoge
sind, unterliegen sie ebenfalls Einflüssen
wie Rauschen oder Distortion. Über kurze
Distanzen und mit kleinen Bitraten kann eine einfache Übertragungsstrecke diese Signale mit ausreichender Qualität transportieren. Bei hohen Bitraten und über längere
Distanzen werden sie jedoch so gestört,
dass Fehler auftreten und das übertragene
Ergebnis unbrauchbar wird.
Bei Signalintegrität wird das Verhalten der
Störeffekte auf der gesamten Übertragungsstrecke analysiert und vorhergesagt.
Grundlegendes zur Power-Integrität
Die Power-Integrität (PI) beschreibt die Qualität einer Strom- oder Spannungsversorgung eines elektrischen Systems. Diese
kommt bei elektrischen Bauteilen zu tragen,
die bei einer bestimmten Versorgungspannung innerhalb einer fest definierten Toleranz variieren (zum Beispiel ±5 Prozent)
dürfen. Daher kommt Netzteilen beim Betrieb der elektrischen Schaltung eine wichti-
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Bild 1: Die Rückkopplung schaltender Pins hat auf das Design von Stromversorgungen erheblichen Einfluss. Bilder: FlowCAD
ge Funktion zu, da sie den Strom entsprechend regulieren müssen. Beeinträchtigt
wird die Stromversorgung durch die Leiterbahnstrukturen, die einen Widerstand (Impedanz) aufweisen. Zur lokalen Unterstützung der Stromversorgung werden daher
Abblockkondensatoren und Power-Lagen
als lokale Energieversorger platziert.
Bei Power-Integrität wird das Verhalten der
Störeffekte der gesamten Spannungsversorgung analysiert und vorhergesagt.
Machbarkeitsstudie für
Stromversorgungssystem
In Form von Machbarkeitsstudien wird unter Berücksichtigung von Störbudgets ein
Stromversorgungssystem ausgelegt. Die
Ergebnisse dieser Simulation entscheiden
den Lagenaufbau. In der Vorgehensweise
werden dabei grundsätzlich zwei Fälle betrachtet: das Verhalten bei Gleichstrom (DC)
und das Hochfrequenzverhalten (AC).
Bei niedrigen Frequenzen, also im Gleichstromfall, werden die Dimensionierung des
Netzteils und die Implementierung durch
diskrete Bauteile vorgenommen. Für den
Regelkreis werden entsprechende Elektro-
lyt-Kapazitäten zur Stabilisierung mit einer
Spice-Simulation bestimmt. Es müssen
aber Werte für den maximalen Spannungsabfall (IR-Drop) über Zuleitungen festgelegt
werden. Diese Werte ergeben geeignete
Leitungsquerschnitte für Zuleitungen, Flächen und Durchkontaktierungen. Zur Kontrolle und Regelung der Spannungen werden Messleitungen so platziert, dass sie
störungsfrei die Spannung am Verbraucher
messen können.
Bei hohen Strömen kommt es zu Eigenerwärmung der Leiterplatte. Diese erhöhten
Temperaturen haben eine Veränderung des
elektrischen Widerstands der stromführenden Teile zur Folge, so dass der IR-Drop ansteigt. Eine Schaltung ist deshalb immer in
Bezug auf Strom und Temperatur ausreichend zu dimensionieren.
Bei hohen Frequenzen muss das System
gegen interne und externe Einflüsse entstört werden. Dies geschieht durch die
geeignete Auswahl von Abblockkondensatoren und EMV-Kondensatoren. Die Platzierung der Kondensatoren spielt eine nicht
unerhebliche Rolle, da der Wirkungskreis
mit steigender Abblockfrequenz kleiner
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wird. Die Impedanz und der Störabstand
des Versorgungssystems kann überprüft
werden. Wenn das System dimensioniert
ist, kann ein PDS-Model für die anschliessende SI-Simulation extrahiert werden.
Simulation elektrischer und
thermischer Grössen
Bei der Analyse und Dimensionierung einer
Stromversorgung müssen die Stromdichten und Temperaturen auf der Leiterplatte
berücksichtigt werden. Der elektrische Widerstand erhöht sich mit steigender Betriebstemperatur. Die Verlustleistungen
von Bauteilen erhöhen ebenfalls die Umgebungstemperatur. Die Erwärmung des Kupfers beeinflusst die Wärmeleitfähigkeit der
Leiterplatte. Mit einer Co-Simulation können
verschiedene Werte als Startwerte für die
andere Simulation eingesetzt werden, bis
die Werte konvergieren und es keine Änderungen mehr gibt. Diese Ergebnisse stimmen sehr gut mit den gemessenen Werten
überein.
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Bild 2: Spannungsabfall.
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Bild 3: Strom in Durchkontaktierungen.
Mit einer Power-DC-Simulation von Cadence Sigrity können elektrische und thermische Grössen für Leiterplatten und ICPackages in Sign-off-Qualität simuliert werden. Das Routing von erforderlichen Spannung-Messleitungen am Verbraucher wird
automatisch vom Tool vorgeschlagen.
Spannungsabfälle auf leitfähigen Elementen werden berechnet und können in Plots
grafisch ausgegeben werden. Mit der Vielzahl von Plots können Schwachstellen im
Design schnell zugeordnet und behoben
werden.
Simulation der Signalintegrität
Für eine exakte Simulation der Signalqualität müssen mehrere voneinander abhängige
Effekte berücksichtigt werden. Da ist zunächst der Einfluss der Übertragungsstrecke (Transmission Line) und ihrer Impedanz.
Diese berechnet sich aus dem Lagenaufbau, der Leiterbahnstruktur, Terminierungen
und dem Rückstrompfad. Da schnelle Signale häufig als differentielle Paare übertra-
gen werden, kommen zusätzlich die differentielle Impedanz, gekoppelte und ungekoppelte Teilstrecken sowie der Phasenversatz hinzu. Diese Strukturen müssen ab
1 GHz mit einem Fieldsolver für eine Simulation extrahiert werden, da sonst der Fehler schnell auf grösser als 10 Prozent ansteigt. Des Weiteren kommt der Einfluss
der Stromversorgung hinzu. Beim Sender
bewirken Spannungsschwankungen, dass
die Signale mit einer unterschiedlichen Flankensteilheit versendet werden. Dies führt
zu Jitter und kleineren Augenöffnungen
beim Empfänger. Beim Empfänger wiederum führen Schwankungen in der Stromversorgung zu Auswirkungen auf die Referenzspannungen, die ein Signal in High (VH) und
Low (VL) beim Empfänger unterteilen.
Basierend auf einem 3D-FEM-Vollwellenlöser können alle parasitären Einflüsse der
Leiterplattengeometrie gut modelliert werden und die Signalintegrität auch im Bereich
über 1 GHz sehr genau simuliert werden.
Der Simulator ist auf Leiterplatten-Struktu-
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CurrentDensity(A / mil2)
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Bild 4: Stromdichte und Stromrichtung.
ren hin optimiert, so dass die Rechenzeiten
gegenüber einem universellen 3D-Simulator
deutlich schneller und leichter aufzusetzen
sind. Dabei sorgt eine adaptive Maschenstruktur für gute Ergebnisse, da sie bei homogenen Strukturen grosse Maschen mit
schnelleren Rechenzeiten und bei kritischen
Stellen enge Maschen mit höherer Genauigkeit wählt.
In den Kurven in Bild 5 und Bild 6 ist der Unterschied zwischen einer Simulation eines
Signals mit der Anstiegszeit 1 ns zu sehen,
wenn die Versorgungslagen vereinfacht als
ideal angenommen werden oder wenn die
Schwankungen der Stromversorgungen berücksichtigt werden. Hierbei ist deutlich zu
erkennen, dass eine vereinfachte Simulation vermeintliche Sicherheit suggeriert und
eine reale Simulation der gleichen Leiterplatte Massnahmen zur Stabilisierung der
Stromversorgung erfordert.
Bei der Power-Aware-Simulation werden
die Einflüsse des Schaltens auf die Power
Rail aus den IBIS-5.0-Modellen in der Simulation ausgewertet. Diese berücksichtigt
Diskontinuitäten auf dem kompletten Hinund Rückstrompfad inklusive Schlitzen, Stitching- und Abblock-Kondensatoren.
Optimierung des Post Layouts
Mit Optimize PI kann die Stückliste eines
bestehenden Layouts optimiert werden. Die
Sigrity Tools importieren nicht nur OrCAD
und Allegro, sondern PCB-Layout-Daten von
anderen Herstellern. Dabei werden auf die
im Layout vorhandenen Footprints neue
Kombinationen von Kondensatoren platziert.
Durch die Kombination der elektrischen
Werte aller in der Bibliothek geeigneten
Kondensatoren ergeben sich tausende von
Ergebnissen. Im Vergleich zum Original-Design kann nun in unterschiedliche Richtungen optimiert werden: Impedanz, Kosten,
Typvielfalt oder die Anzahl der Bauteile. Es
gibt eine Vielzahl von Kombinationen, bei
denen die Summe alle Kondensatoren
günstiger ist, als in der Original-Stückliste
und gleichzeitig eine geringere Impedanz
des Stromversorgungssystems aufweisen.
Bild 5: Grafische Darstellung einer idealen Stromversorgung.
Bild 6: Die ideale Stromversorgung aus Bild 5 als Power Aware SI Simulation.
Nach dem Aufsetzen des Designs sind die
tausenden von Kombinationen in wenigen
Minuten berechnet und in einer Grafik zur
Auswahl bereit. Jetzt kann eine neue Stückliste ausgewählt und detaillierte Plots erzeugt werden. So lassen sich bestehende
Leiterplatten und fertige Designs optimieren.
Durch Vergleiche des Spannungsabfalls
über das Spektrum der Anstiegszeiten können gezielt Bestückungen gewählt werden,
die im kritischen Frequenzbereich optimale
Ergebnisse liefern und damit das ganze Design auch weniger anfällig für Störungen
machen. Dies ist interessant für FCC- oder
andere EMV-Prüfungen, bei denen Störungen beziehungsweise Empfindlichkeiten einer bestehenden Schaltung bekannt sind.
In einem weiteren Schritt kann ein Layout
im Hinblick auf EMV optimiert werden. Hierzu müssen aber zusätzliche Kondensatoren
speziell zur Entstörung im Design platziert
werden. Die Electro-Magnetic Immission
Capacitors verändern das Abstrahlverhalten
der Schaltung.
Differentielle Signale funktionieren nur
dann, wenn beide Signale möglichst eng
und in Phase übertragen werden. Nur dann
können sich Störungen durch überlagerte
Felder auslöschen. Wenn die Signale nicht
mehr eng oder in Phase geroutet sind, werden sie entkoppelt und Störungen nehmen
exponentiell zu. Eine farbliche Kennzeichnung der einzelnen Signale zeigt anschaulich, wo und wie die Signale entkoppelt
sind. So lassen sich gezielt Bumps im Signal einbringen, um den Phasenversatz zu
korrigieren.
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Signalintegritäts-/Powerintegritätssimulati
on
Zum Thema Signalintegritäts- beziehungsweise Powerintegritätssimulation gibt es viele Präsentationen und Berichte, wobei beide Themen stets getrennt voneinander betrachtet werden. Insbesondere bei der Signalintegritätssimulation wurde bislang
stillschweigend ein ideales Versorgungssystem
vorausgesetzt. Diese Vereinfachung ist bei Frequenzen grösser 1 GHz nicht mehr genau genug,
insbesondere wenn die zunehmenden Taktfrequenzen (welche mit steileren Flanken einhergehen) und
die grösser werdende Anzahl von gleichzeitig
schaltenden Pins pro Bauteil betrachtet werden.
Die Rückkopplung der schaltenden Pins sowie der
Einfluss von Störungen auf das Stromversorgungssystem muss daher im Hinblick auf das transiente
Verhalten der IO-Schnittstellen berücksichtigt und
mit simuliert werden.