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IR-Drop

Warum deine 3.3-V-Versorgung 3.18 V anzeigt

Kupfer hat Widerstand. Schick Strom hindurch, und ein Teil deiner Versorgungsspannung wird auf dem Weg zur Last verbraucht, statt dort anzukommen. Der Verlust ist I mal R, daher der Name. Im Schaltplan ist die Versorgung ein einziger Knoten auf 3.3 V. Auf der Platine ist sie ein Widerstandsnetzwerk, und ihr fernes Ende liegt nicht auf 3.3 V.

Eine Fläche, die eine Last versorgt: 3.30 V am Eingang, 3.18 V am Ziel. Die 120 mV stecken im Kupfer.

Wo die Millivolt bleiben

Drei Stellen, und nur die erste wird üblicherweise überschlagen:

  • Entlang einer Leiterbahn. Eine 0.25 mm breite Leiterbahn in 1 oz Kupfer hat etwa 19 mΩ pro Zentimeter. Zehn Zentimeter bei 2 A sind rund 380 mV für den Hinweg, und der Rückweg verbraucht noch einmal dasselbe.
  • Durch ein Via. Ein einzelnes 0.3-mm-Via hat etwa 1.5 mΩ, also nichts, solange es nicht der einzige Weg ist. Vier Ampere durch ein Via sind eine messbare Stufe in der Versorgung und gleichzeitig ein Hotspot.
  • Quer über eine Fläche. Eine Fläche ist kein Äquipotential, sondern ein Flächenwiderstand mit einem Loch überall dort, wo ein Via-Feld oder ein Schlitz den Weg des Stroms unterbricht. Zwei Punkte, 30 mm voneinander entfernt, auf demselben „GND“ können sich um zig Millivolt unterscheiden, und ein Bauteil, das seine Referenz am einen und sein Signal am anderen abgreift, sieht die Differenz als Rauschen.

Wann ein kleiner Abfall zählt

120 mV von 3.3 V sind unter 4%. Das klingt verkraftbar, und oft ist es das auch. Die Fälle, in denen es das nicht ist:

  • Die Rückführung eines Reglers an der falschen Stelle abgegriffen. Er regelt das, was er sieht. Misst er an seinem eigenen Pin, gehört dir jedes Millivolt Abfall bis zur Last.
  • Eine Enable- oder Reset-Schwelle. Einem Pin, der 0.7 × VDD braucht, ist es gleich, dass die Versorgung nominell in Ordnung ist.
  • Eine ADC-Referenz. Ein Abfall an der Referenz ist ein Verstärkungsfehler in jedem Messwert, und er wandert mit der Last.
  • Alles bei 1.8 V oder darunter. Dieselben 120 mV sind 7% einer 1.8-V-Versorgung und der größte Teil der Reserve eines 1.0-V-Kerns.

Wie du ihn findest, ohne zu raten

Eine Handrechnung pro Leiterbahn braucht den Strom in dieser Leiterbahn, und genau den kennst du nicht: eine Versorgung, die sich vierfach aufteilt, ein Rückstrom, der den niederimpedanten Weg nimmt statt den gezeichneten, eine Fläche, die das meiste trägt. Das ist das Henne-Ei-Problem: Für den Strom brauchst du die Berechnung, und für die Rechnung den Strom.

Den Kreis durchbricht eine Gesamtrechnung: Amptrace vernetzt das Kupfer, das du gezeichnet hast, löst das ganze Netzwerk auf einmal und nennt dir das Potenzial an jedem Netz und den Abfall entlang jeder Leiterbahn, jedem Via und jeder Fläche, samt dem Wert an jeder Stelle, auf die du zeigst: dem, den dir ein Multimeter drei Wochen später gegeben hätte. Dazu passend: der Leiterbahnbreiten-Rechner für die Wärmeseite desselben Stroms, und was sonst noch geprüft wird.

Den Abfall auf deiner Platine finden Kein Konto nötig. Deine Platine verlässt deinen Rechner nicht.