Was ist Energieintegrität?

Energieintegrität (Power Integrity, PI) ist ein Bereich der Elektrotechnik, der darauf ausgerichtet ist, sicherzustellen, dass das Stromversorgungsnetz (Power Delivery Network, PDN) eines elektronischen Systems effizient stabile Stromversorgung im gesamten System liefert. Damit Leiterplatten (PCB), integrierte Schaltkreise (ICs) und Halbleitergehäuse korrekt funktionieren, muss elektrische Leistung mit einer konstanten Spannung und minimalen Abweichungen im Zeitverlauf geliefert werden. Sie darf außerdem die Signalkreise nicht stören und sollte nur minimale Energiemengen durch Wärmeentwicklung verlieren. Eine ordnungsgemäße Energieintegrität in einem Design ist erforderlich, um für eine akzeptable Signalintegrität zu sorgen, Geräte in akzeptablen Temperaturbereichen zu betreiben und den Stromverbrauch zu minimieren.

Technische Fachkräfte verwenden eine Vielzahl von Softwaretools und physikalischen Tests, um das Stromversorgungsnetz in elektronischen Systemen, auch oft Stromverteilungsnetz genannt, zu bewerten, zu modifizieren und zu verbessern.

Energieintegrität hängt eng mit Signalintegrität zusammen. Technische Fachkräfte analysieren in der Regel beide gleichzeitig. Die Bedeutung und die Herausforderungen im Bereich Energieintegrität haben zugenommen, da elektronische Systeme kleiner, komplexer, leistungsfähiger und frequenzintensiver werden.

Auf den ersten Blick scheint die zuverlässige Stromversorgung im Vergleich zu den Komplexitäten anderer Bereiche des elektronischen Stromkreisdesigns relativ einfach zu sein. Man verbindet das Gerät mit einer Stromquelle, stellt die richtige Spannung ein und legt Versorgungsschienen fest, um die Signalkreise zu versorgen. Die Realität ist jedoch komplizierter. Die Bewegung von Elektronen erzeugt magnetische Felder, die andere Schaltkreise stören oder aufgrund von Widerstand Energieausfälle verursachen können.

Aus diesem Grund analysieren technische Fachkräfte die Energieintegrität so früh wie möglich im Konstruktionsprozess, um potenzielle Probleme zu identifizieren. Die Bereitstellung des richtigen Spannungsbereichs mit minimaler Variation ist aufgrund der Komplexität moderner Elektronik, die mehrere Komponenten, Schichten und Verbindungen umfasst, eine Herausforderung.

Moderne Elektronik ist jedoch komplex, besteht aus Baugruppen mit mehreren Komponenten mit mehreren Schichten, Vias, die diese Schichten verbinden, und komplizierten Verbindungen zwischen den Komponenten. Diese Geometrie überträgt sowohl Gleichstrom als auch Signale in einem breiten Frequenzbereich.

Ein guter Weg, die Bedeutung von Energieintegrität zu verstehen, ist der Blick auf drei Haupttypen von Energieintegritätsproblemen.

Spannungsschwankungen

Ein elektronisches System wird über eine externe Wechsel- oder Gleichstromquelle mit Strom versorgt. Die Komponenten wandeln dann die Eingangsspannung in die gewünschte Gleichspannung des Systems um. Diese Spannungswandlung kann jedoch transiente Spannungsänderungen erzeugen, die mit der Induktivität des PDN reagieren und Spannungsspitzen und -abweichungen verursachen, die als Rauschen oder Spannungswelligkeit bezeichnet werden.

Eine weitere Quelle für Spannungsschwankungen sind schnelle Änderungen des Strombedarfs. Transistoren, die von ihrem statischen Strom auf eine höhere Spannung schalten, normalerweise auf ein Taktsignal, sind die häufigste Ursache für dynamischen Strom. Das Spannungsreglermodul (Voltage Regulator Module, VRM) im PDN eines Geräts kann nicht sofort auf diese Stromänderung reagieren, was zu Spannungsspitzen oder -abfällen führen kann (sogenannte Spannungswelligkeit). Ein gutes Beispiel ist ein Mikroprozessor, der vom Leerlauf in eine rechenintensive Phase wechselt und dann wieder in den Leerlauf zurückkehrt, was erhebliche Leistungsschwankungen verursacht. Dieser Jitter kann sowohl die Stromversorgung als auch die Rückkehrwege des PDN beeinflussen.

Elektromagnetische Störungen (EMS)

Jede Änderung der Strom- oder Erdspannung kann elektromagnetische Wellen erzeugen, die unerwünschten Strom in die umliegenden Schaltkreise induzieren können. Ebenso können Signale, die von hochfrequenten digitalen oder Wechselstromkreisen erzeugt werden, unerwünschten Strom in den Stromkreis induzieren. Das Übersprechen, oder die elektromagnetische Kopplung, wirkt sich direkt auf die Signalintegrität aus. Wenn technische Fachkräfte dieses Übersprechen nicht früh in der Designphase finden und beseitigen, kann es bei späteren Tests der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) auftreten. Wenn es dort nicht erkannt wird, führt dies während des Betriebs zu Problemen mit der Signalintegrität.

Energieausfall

Eine unzureichende Leitfähigkeit in den Stromkreisen kann zu Spannungsabfällen im PDN führen. Wenn elektrischer Strom auf Widerstand stößt, geht Energie in Form von Wärme verloren. Deshalb müssen bei der Gestaltung von Leiterplatten und Halbleitergehäusen die Versorgungsebenen (Power Planes), Strom-Vias und Konfigurationen von Rückkehrwegen eine geringe Impedanz und einen geringen Widerstand aufweisen.

Die Überwindung dieser und anderer Probleme der Energieintegrität ist ein wesentlicher Bestandteil der heutigen Hochgeschwindigkeitsdesigns, die die leistungsstarken elektronischen Systeme bereitstellen, die unsere moderne Welt antreiben. Ohne ordnungsgemäße Energieintegrität können Produkte überhitzen oder Probleme mit der Signalintegrität auftreten, was zu schlechter Leistung oder sogar zu einem Ausfall von Komponenten führen kann. 

Das PDN in einem elektronischen System besteht aus den Leitungspfaden und der Komponentenkonfiguration im Leiterplattenlayout oder im Halbleitergehäuse. Das PDN muss sowohl Strom von der Stromquelle als auch über einen Rückkehrweg mit niedriger Impedanz zurückführen. Technische Fachkräfte, die die Energieintegrität verstehen möchten, sollten die folgenden Schlüsselfaktoren für die Leistung des PDN berücksichtigen:

Versorgungsschiene

Der leitfähige Pfad, der eine bestimmte Spannung an die Stromkreiskomponenten verteilt, wird als Versorgungsschiene bezeichnet. Beim Leiterplattendesign bezieht sich dies auf den leitfähigen Pfad, der die Leistung auf verschiedene Schichten auf der Platine und dann zurück zur Erde verteilt. Der Begriff „Schiene“ stammt von frühen analogen elektronischen Designs, in denen die Stromquelle eine tatsächliche leitende Metallschiene war.

Versorgungsebenen

Leiterplatten, zu denen flexible Leiterplatten gehören, bestehen aus wechselnden Materialschichten aus leitenden oder isolierenden Materialien. Vertikale, hohlleitende Säulen, sogenannte Vias, verbinden die verschiedenen leitfähigen Schichten im Stack. Die Schichten, die Strom an die signalverarbeitenden Schichten liefern, werden Versorgungsebenen genannt. Da die Schichtdicke festgelegt ist, wird die Strombelastbarkeit des leitenden Materials auf den Versorgungsebenen durch die Breite der Leiterbahnen bestimmt. Sind diese nicht breit genug, kann es durch joulesche Erwärmung zu lokalen Widerständen und damit zu Energieausfall kommen.

Rückkehrweg und Masseebenen (Ground Planes)

Um einen Stromkreis zu schließen, muss der Strom von den Signalkreisen zur Stromquelle zurückfließen. Der Rückkehrweg ist der Teil des PDN, der den Stromfluss von der Last zur Erde ermöglicht. In einer Leiterplatte werden die Schichten, aus denen der Rückkehrweg besteht, als Masseebenen bezeichnet.

Interconnect

Interconnects sind die Verbindungskomponenten zwischen verschiedenen Teilen eines elektronischen Systems. Sie können die Form von Leiterplatten, Ball Grid Arrays oder Pins haben. Da Interconnects Signale und Strom zwischen Komponenten übertragen, sind sie anfällig für Energieintegritätsprobleme.

Ground Bounce

Ground Bounce ist ein Phänomen, bei dem die Erdspannung vorübergehend von ihrem erwarteten konstanten Wert „abprallt“. Durch Stromschwankungen infolge schneller Spannungsänderungen im Signalkreis erzeugte elektromagnetische Störungen induzieren unerwünschten Strom in der Masseebene, was Ground Bounce verursacht. Parasitäre Kapazität in Leiterbahnen und Vias kann auch zum Ground Bounce beitragen, wenn sie während des Schaltens Ladung speichern und wieder abgeben.

Jitter

Jitter bezeichnet Variationen und Spitzen im digitalen Signal, die durch Rauschen im PDN, elektromagnetische Störungen von Signal- und Stromkreisen, Timing-Probleme und Komponentenschwankungen verursacht werden. Da Jitter maßgeblich zu Problemen mit der Signalintegrität beiträgt, ist dessen Reduzierung ein wichtiger Bestandteil beim Leiterplattendesign. Zur Verbesserung der Energieintegrität minimieren technische Fachkräfte Jitter, indem sie Schwankungen bei Strom- und Erdspannungen reduzieren und die induktive Kopplung zwischen Strom- und Signalkreisen reduzieren.

Parasitäre Verluste

Dies bezieht sich auf jeden Energieausfall in einem Stromkreis aufgrund von Energietransfer, die nicht zur Funktion oder Ausgabe des Stromkreises beiträgt. Im Zusammenhang mit der Energieintegrität umfasst dies Energieausfall aufgrund kapazitiver, induktiver und ohmscher Effekte. Parasitäre Verluste verringern nicht nur die Effizienz des Stromkreises, sondern können auch unerwünschte Wärme erzeugen, die sich negativ auf die Leistung und die physikalische Stabilität auswirkt. Neben der Energieintegrität beeinflussen parasitäre Verluste auch die Signalintegrität.

Joulesche Erwärmung

Wenn Strom in einem Material auf Widerstand stößt, wird ein Teil der elektrischen Energie in Wärmeenergie umgewandelt. Dieser Vorgang wird nach dem Physiker James Prescott Joule als joulesche Erwärmung bezeichnet. Die erzeugte Wärmemenge ist direkt proportional zum Widerstand des Materials und zum Quadrat des Stroms.

PDN-Impedanz

Die PDN-Impedanz ist der Widerstand gegen den Stromfluss in einem PDN, verursacht durch Widerstand, Induktivität und Kapazität. Das ultimative Ziel des Energieintegrität-Designs ist es, die PDN-Impedanz unter der Zielimpedanz des Systems zu halten. Die Zielimpedanz ist frequenzabhängig und variiert stark, von weniger als 1 mΩ bei Gleichstrom bis unter 100 mΩ bei 10 GHz. Das Layout einer Leiterplatte beeinflusst die PDN-Impedanz, die Induktivität von Strompfaden und die Kapazität zwischen Versorgungsebenen und Leiterbahnen auf Signalschichten. Entkopplungskondensatoren können ebenfalls die Impedanz beeinflussen. Die PDN-Impedanz kann über Frequenzbereiche hinweg erheblich variieren.

Entkopplungskondensatoren

Entkopplungskondensatoren sind diskrete Komponenten, die Strom liefern, wenn das Spannungsreglermodul (VRM) nicht schnell genug reagieren kann. Da die PDN-Impedanz über Frequenzbereiche hinweg variiert, platzieren Entwickelnde mehrere Entkopplungskondensatoren im PDN, um eine niedrige Impedanz über alle Frequenzbereiche hinweg aufrechtzuerhalten. 

Sobald die technischen Fachkräfte ein Energieverteilungsnetz entworfen haben, müssen sie die Spannung und Temperatur im Zeitverlauf sowohl auf der Strom- als auch auf der Erdungsseite messen und analysieren. Dies kann virtuell mithilfe von Simulationssoftware oder mit physikalischen Analysetools wie einem digitalen Voltmeter oder Oszilloskopen erfolgen. Unabhängig vom Ansatz besteht das Ziel darin, die Ursachen für Probleme mit der Energieintegrität zu identifizieren: Jitter, elektromagnetische Störungen und joulesche Erwärmung. 

Direkter Vergleich der durch Probleme mit der Energieintegrität verursachten Wärme, aufgenommen mit einer Wärmebildkamera (links) und simuliert in der Software Ansys Icepak (rechts)

Bei thermischen Problemen untersuchen technische Fachkräfte Wärmekarten des Systems, die von Wärmebildkameras erstellt wurden, sowie simulierte Temperaturkonturen. Jitter, elektromagnetische Störungen und daraus resultierende Auswirkungen auf die Signalintegrität werden als Spannung über einen bestimmten Zeitraum an Punkten in Strom- und Erdkreisen und als Augendiagramme in Signalkreisen gemessen und analysiert.

Messen und Analysieren der Energieintegrität mithilfe von Simulationen

Sobald das Design der Leiterplatte oder des Halbleitergehäuses abgeschlossen ist, sollten Technikerteams mit der Bewertung der Energieintegrität mithilfe eines digitalen Modells beginnen. Da sie stark von der Geometrie abhängt, ist die Simulation des elektrothermischen Designs des PDN ein guter Ausgangspunkt. Zunächst sollten die Teammitglieder den Betriebsfall mit dem höchsten Strombedarf des Systems simulieren und den Spannungsabfall über die Versorgungs- und Masseebenen berechnen.

Bei der Modellierung der Wärmeübertragung können mehrere multiphysikalische Simulationen mit unterschiedlichen Variablen erforderlich sein. Technische Fachkräfte müssen sicherstellen, dass ihre thermische Simulation realistische Umgebungsbedingungen verwendet, die die ungünstigsten Betriebsbedingungen widerspiegeln. Auf der Grundlage der Simulationsergebnisse können technische Fachkräfte die Geometrie des Strom- und Erdkreises ändern, thermische Vias hinzufügen oder verschieben und Best Practices für das elektronische Wärmemanagement anwenden, um Wärme zu verteilen und zu steuern.

In Verbindung mit der Ansys-Software SIwave ist die Ansys-Software Icepak ein effektives Tool für diese Art von Analyse. Sie kann Geometrien direkt aus ECAD-Software lesen und den Stromfluss und die Verlustleistung simulieren. Danach können Wärmeflussdaten an die Icepak-Software weitergegeben werden, um die Temperaturen im elektromagnetischen Modell zu berechnen und zu aktualisieren. 

Sobald ein Design zur Minimierung des Energieausfalls ausgewählt wurde, besteht der nächste Schritt darin, elektromagnetische Störungen in Kombination mit PDN-Rauschanalysen zu simulieren. Durch die Lösung von elektromagnetischen Störungen unter verschiedenen Betriebsbedingungen können technische Fachkräfte die Signal- und Energieintegrität gleichzeitig messen. Mit einem umfassenden Tool wie der SIwave-Software können Sie bei der Simulation der kapazitiven und induktiven Kopplung dasselbe Energieausfallmodell verwenden.

Zunächst müssen die technischen Fachkräfte die PDN-Impedanz messen und das Design so fein abstimmen, dass sie die Zielimpedanz erreicht. Diese Iterationen können das Einführen von Abständen zwischen Leiterbahnen, das Ändern der Geometrie der Versorgungs- oder Masseebene, das Verschieben oder Hinzufügen von Vias oder das Einführen von Kondensatoren zur Reduzierung von Übersprechen beinhalten.

Die meisten elektronischen Systeme umfassen sowohl Leiterplatten als auch integrierte Schaltkreise. Deshalb benötigen technische Fachkräfte robuste Tools zur Berechnung der Energieintegrität auf Chip-Ebene, z. B. die Ansys-Totem-Plattform für analoge und Mixed-Signal-ICs oder die Ansys-RedHawk-SC-Plattform für digitale und 3D-ICs.

Der wichtigste Aspekt bei virtuellen Messungen und Analysen besteht darin, sicherzustellen, dass die Simulation alle realen Betriebsbedingungen und Nutzungsszenarien berücksichtigt, damit sämtliche potenziellen Energieintegritätsprobleme identifiziert und behoben werden können.

Physikalische Messung und Analyse der Energieintegrität

Selbst nach umfassender Simulation und Freigabe der Energieintegrität erfordern die meisten Konstruktionsprozesse noch physische Tests. Die Messungen und Analysen am Prüfstand ähneln dabei den Methoden aus der Simulation. Technische Fachkräfte platzieren Tastköpfe an kritischen Stellen auf der Leiterplatte, um den Spannungsverlauf im Zeitverlauf zu erfassen. Oszilloskope können diese Daten dann verwenden, um Augendiagramme zu erstellen, die Eingangs- und Ausgangssignale vergleichen.

Darüber hinaus ist der Einsatz von Wärmebildkameras oder Thermoelementen zur Überwachung von Temperaturänderungen im Zeitverlauf ein notwendiger Bestandteil physikalischer Tests. Wie auch in der digitalen Umgebung sollte das Gerät dabei verschiedenen Umgebungsbedingungen und Nutzungsszenarien ausgesetzt werden, um eine zuverlässige Funktion sicherzustellen.

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