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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Power/Ground Simulation LTSpice


Autor: sw1ft (Gast)
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Hallo,

Ich lese aktuell einiges zur Signal & Powerintegrität und frage mich ob 
es möglich ist eine benachbarte Power & Ground Lage mit LTSpice zu 
simulieren. Der Hintergrund dabei ist, dass ich für ein Projekt meine 
Power/Ground Plane mit Kondensatorgruppen auf niedriger Impedanz halten 
möchte. Dafür möchte ich von Frequenzen von ca. 1kHz - >100MHz das 
Impedanzverhalten von Power/Ground Plane simulieren und darauf 
Kondensatorgruppen anpassen. In der Literatur finde ich auch einige 
Beispiele doch leider fehlt mir dazu der AHA Effekt wie ich auf ein 
Ersatzschaltbild komme. Macht es Sinn sowas als "LC lumped-circuit 
model" darzustellen? Und wie würde ich in diesem Fall auf die 
entsprechenden LC-Glieder kommen? Vielleicht hat sich damit ja schon 
jemand auseinander gesetzt.

Dankeschön,
sw1ft

Autor: Anja (Gast)
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sw1ft schrieb:
> und frage mich ob
> es möglich ist eine benachbarte Power & Ground Lage mit LTSpice zu
> simulieren.

Die wesentliche Frage hierbei ist: Hast Du wirklich eine Power-Plane 
(die man eventuell als Stripline simulieren könnte) oder wegen der 
vielen Durchkontaktierungen nur einen "Schweizer Käse" (-> speziell auf 
Dein Bohrungsmuster angepasstes FEM-Modell).

In der Praxis kannst Du eventuell die Impedanz in der Massefläche 
entsprechend optimieren. Das was dich wahrscheinlich mehr interessiert 
ist jedoch die Impedanz am Verbraucher = IC. Der Weg dorthin führt in 
der Regel über lange Induktivitäten im Verhältnis zu dem was in der 
Power-Plane abläuft. (Vias, IC-Pins, Bond-Drähte usw.). Ich schätze das 
maximale was man da herausholen kann ist eine Optimierung bei einer 
speziellen Frequenz.

Gruß Anja

Autor: sw1ft (Gast)
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Richtig, mir kommt es im großen und ganzen darauf an, was das IC für 
eine Impedanz in den Versorgungslagen "sieht". Da durch Stromspitzen, 
die der IC fordert durch die gegebene Impedanz ein Ripple entsteht und 
somit am VCC Pin die Spannung bei hoher Impedanz "viel" schwankt. Mir 
ist auch klar, das durch die gegebene Eigeninduktivität des ICs 
(Beinchen Bonddrähte) keine Optimierung der Planes Sinn macht bei 
Frequenzen >100MHz. Mein bestehendes Wissen beruht auf dem Buch Signal & 
Power Integrity von Eric Bogatin. Laut seiner Aufstellung kümmert sich 
bei niedrigen Frequenzen der Spannungsregler um die niedrige Impedanz. 
Als nächstes dann der Bulk Kondensator am Spannungsregler.
Dann kommt die interessante Stelle zwischen Bulk und Package, also 
sprich grob Frequenzen zwischen ~10kHz und vielleicht max. 100MHz (je 
nach Eigeninduktivität des Packages bzw. Chip).

Falls ich jetzt diese Stelle grob simulieren könnte wäre es mir möglich 
vom Wert angepasste Kondensatorgruppen per "Spice" einzubauen und mir 
das Impedanzverhalten anzuschauen.

3D-Fieldsolver ums genau zu lösen würde den Rahmen dafür sprengen, darum 
will ich es Näherungsweise per SPICE machen, falls möglich.

Gruß sw1ft

Autor: sw1ft (Gast)
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Achso ja und ich möchte Näherungsweise einfach von 2 Planes ausgehen und 
den Schweizer Käse vernachlässigen. Danke :)

Autor: Anja (Gast)
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Naja für ein vereinfachtes Modell kannst Du ja wie folgt vorgehen:

- Einen großen Elko für die tiefen Frequenzen irgendwo auf der LP
- Einen kleinen Elko (ca 1-10 uF) in der Nähe der Last
- ca 100nF Keramisch? (möglichst hohe dielektrische Verluste = Z5U) 
direkt bei der Last.

-> zwischen 10uF (Eigenresonanz ca 300kHz) und 100nF (ca 10MHz) bildet 
sich irgendwo (ca 2 MHz) eine Parallelresonanz die umso geringer wird je 
höher die Verluste und je kleiner das Verhältnis der Kapazität ist.

- Weitere Kondensatoren (keramisch) ca 10 nF (ca 30MHz) .. 100pF (ca 
300MHz) für die höheren Frequenzen. Je höher die Frequenz umso kleinere 
Abstände im Kapazitätsverhältnis sind möglich um keine 
Parallelresonanzen zu züchten.

Du wirst feststellen daß ab einem bestimmten Kapazitätswert zwar noch 
die Impedanz der Powerplane abnimmt die Last jedoch nichts mehr davon 
"sieht" weil die Zuleitungsimpedanz zu hoch ist. Außerdem speichern die 
kleinen Kondensatoren nur sehr wenig Energie -> du brauchst von den 
100pF Kondensatoren eine sehr große Anzahl damit es überhaupt was 
bringt.

Gruß Anja

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