DE2523913B2 - Stromversorgungsnetzwerk zur speisung einer vielzahl integrierter schaltkreise - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Stromversorgungsnetzwerk der im Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1 beschriebenen Art.

Bei der Schaltzustandsänderung von schnellschaltenden Baugruppen, z. B. von CMOS-Schaltgliedern, entsteht kurzzeitig ein vergleichsweise großer Strombedarf. Da dieser von der Speisespannungsquelle nicht beliebig schnell gedeckt werden kann, entstehen kurzzeitige Einbrüche der Versorgungsspannung.

Derartige Spannungseinbrüche können zu einer Gefährdung der Baugruppen führen, sie übertragen sich nämlich s.u einem mehr oder weniger großen Teil auf deren Steuereingänge, die im allgemeinen über Eingangsschutzdioden mit der Versorgungsspannung in Verbindung stehen. Wenn die aufgrund eines solchen Einbruches der Versorgungsspannung auftretende Spannungsdifferenz zwischen dem Steuerpotential des Steuereingangs der Baugruppe und dem Augenblickswert der Versorgungsspannung die Durchbruchsspannung der Eingangsschutzdiode überschreitet, werden diese leitend und führen unter Umständen unzulässig <>5 hohe Ströme, die zur Zerstörung führen können.

Die Leitungen eines Stromversorgungsnetzwerkes sind unvermeidlich mit Induktivitäten behaftet. Diese stellen zusammen mit den Eingangskapazitäten der zu speisenden Baugruppen schwingungsfähige Gebilde dar. Aus diesem Grunde findet nach einem durch die Schaltzustandsänderung einer Baugruppe bewirkten Einbruch der Versorgungsspannung ein Ausgleichsvorgang statt, innerhalb dessen sich an den Spannurgseinbruch eine Spannungserhöhung mit unter Umständen beträchtlich hoher Amplitude anschließt. Solche Spannungserhöhungen können derart hohe Werte erreichen, daß die zulässige Höchstspannung für die betreffenden Elemente der Baugruppe überschritten wird. Dies wiederum kann zu einem Durchbruch zwischen den betreffenden Anschlüssen der Baugruppe führen. Wenn es nicht gelingt, die erwähnten Spannungserhöhungen durch geeignete Gegenmaßnahmen hinreichend niedrig zu halten, ist ein Betrieb der Baugruppen mit einer Versorgungsspannung, die in der Nähe der zulässigen Obergrenze liegt, nicht möglich.

Eine bekannte Maßnahme zur Vermeidung von Spannungseinbrüchen bei plötzlichem Strombedarf besteht in der Anordnung von als Energiespeicher fungierenden Abblockkondensatoren, die den plötzlich eintretenden Strombedarf aus der in ihnen gespeicherten elektrischen Energie decken. Damit diere Abblockkondensatoren in der gewünschten Weise wirksam werden können, müssen sie sich in unmittelbarer Nähe der Stromverbraucher befinden. Dies setzt jedoch nicht nur eine entsprechende Vielzahl von Abblockkondensa toren voraus, sondern bringt auch schwer lösbare Probleme bei der räumlichen Anordnung mit sich.

Durch die Literaturstelle »Elektronische Rechenanlagen« 10 (1968), Heft 4, Seiten 177 bis 179, ist ein Stromversorgungsnetzwerk bekanni. bei dem Hochfrequenzleitungen mit eingangsseitiger Anpassung Verwendung finden. Durch den infolge der Anpassung reflektionsfreien Abschluß am Leitungsanfang werden die sich an den bei einer Schaltzustandsänderung der ausgangsseitig angeschlossenen Baugruppe ergebenden Spannungseinbruch anschließenden Spannungsänderungen (Überschwingen) auf einen unbedenklichen Wert reduziert. Die Größe des Spannungseinbruches ist im wesentlichen durch das Verhältnis zwischen dem Wellenwiderstand der Leitung und dem (veränderlichen) Belastungswiderstand gegeben. Bei diesem bekannten Stromversorgungsnetzwerk ist für jede der zu speisenden Baugruppen eine eigene Versorgungsleitung vorgesehen, die z. B. als koplanare Streifenleitung ausgebildet ist. Die Aufwendung einer eigenen Stromversorgungsleitung für jede Baugruppe bringt einen entsprechend großen Aufwand mit sich. Außerdem wird durch die Vielzahl der zur Stromversorgung dienenden Leiterbahnen die topographische Auflösung des Schaltungsträgers in bezug auf die eigentlichen Signalleiter erschwert und bei durchschnittlich komplizierten Schaltungsanordnungen praktisch unmöglich gemacht, so daß unter Umständen eine zusätzliche Leiterebene aufgewendet werden muß.

Durch die DT-AS 12 82 707 ist ein Magnetkernspeicher bekannt, bei dessen Schaltungsentwurf ebenfalls den Reflektionen am Leitungsabschluß Beachtung geschenkt wurde. Ausgehend von der bekannten Tatsache, daß Reflektionen am Ende einer Leitung dadurch vermieden werden können, daß diese Leitung mit ihrem Wellenwiderstand abgeschlossen wird und unter Berücksichtigung des Umstandes, daß hierbei in dem am Leitungsende angebrachten Wellenwiderstand ein Stromverbrauch stattfindet, der ebenso groß ist wie die zum Kippen der Magnetkerne erforderliche

Energie, wird vorgeschlagen, ein Widerstandselemem von der Größe des Wellenwiderstandes nicht am Leitungsende sondern am Leitungsanfang zwischen die beiden Leitungsadern zu schalten und das Leitungsende kurzzuschließen. Damit wird zwar in Kauf genommen, daß die beim Einschalten einer solchen Ansteuerleitung entstehende Stoßwelle am Leitungsende praktisch mit voller Amplitude reflektiert wird und erst bei ihrer Rückkehr zu dem mit dem Wellenwiderstand abgeschlossenen Leitungsanfang jede weitere Reflektion unterdrückt wird, so daß der Einschwingvorgang etwa doppelt so lange andauert wie bei einer herkömmlichen Anordnung, bei der die Leitung an ihrem Ende mit dem Wellenwiderstand abgeschlossen ist, dieser Nachteil der verlängerien Einschwingdauer wiegt aber bei einem Magnetkernspeicher offensichtlich wenig im Vergleich zu dem Vorteil, daß der Stromverbrauch drastisch reduziert ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zug.unde, ein Stromversorgungsnetzwerk der im Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1 beschriebenen Art zu schaffen, das sich zur Speisung einer Vielzahl von auf einer Flachbaugruppe angeordneten schnellschaltenden Baugruppen eignet, bei dem der die Größe des beim Schalten auftretenden Spannungseinbruches bestimmende Wellenwiderstand möglichst klein und damit der genannte Spannungseinbruch möglichst niedrig ist und bei dem der Verdrahtungsaufwand so gering ist, daß die Aufbringung der eigentlichen Signalleiter ;wl der Flachbaugruppe praktisch nicht behindert wird.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 genannten Merkmale gelöst.

Der Wellenwiderstand Z einer Leitung ist für sehr hohe Frequenzen bekanntlich gleich der Quadratwurzel aus dem Quotienten von Induktivitätsbelag L' und Kapazitätsbelag Cder Leitung. Durch die Ausbildung der Stromversorgungsleitungen als Kettenleiter sind die einzelnen Leiterpaare in zumindest annähernd gleichmäßigen und elektrisch kurzen Abständen durch die diskreten Eingangskapazitäten der Baugruppen überbrückt, woraus sich eine entsprechende Vergrößerung des wirksamen Kapazitätsbelages und damit nach der obengenannten Beziehung eine entsprechende Verringerung des Wellenwiderstandes Zergibt.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüch::n beschrieben.

Im folgenden sei die Erfindung anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert:

Auf einer zweiseitig kaschierten Leiterplatte 1 sind in regelmäßiger Verteilung schnellschaltende Baugruppen 2 angeordnet, die z. B. als ICs in CMOSTechnik ausgebildet sind. Die Mehrzahl der Baugruppen sind lediglich durch das Schaltungssymbol eines Kondensators 3 angedeutet, der die Kapazität zwischen ihren Versorgungsspannungsanschlüssen wiedergeben soll. Das Stromversorgungsnetzwerk besteht aus einer Mehrzahl von Zweigleitungen 4 und einer orthogonal zu diesem verlaufenden Stammleitung 5. Die beiden Leiter 4a und Ab jeder Zweigleitung 4 stellen eine koplanare Streifenleitung dar und sind als gedruckte Leiterbahnen <>o ausgeführt. Auch die Einzelleiter 5a und 5b sind als gedruckte Leiterbahnen ausgeführt und bilden ebenfalls einen koplanaren Streifenleiter. Sie befinden sich auf der Rückseite der zweiseitig kaschierten Leiterplatte I.

Die Zweigleitungen 4 werden durch die Kontaktierungsstellen für die ICs in gleiche Abschnitte Γ unterteilt und bilden somit homogene Vierpolketten, deren Einzelvierpole jeweils aus einem Leitungsabschnitt der Länge Γ mit dem Wellenwiderstand Z', dem Kapazitätsbelag C, dem Induktivitätsbelag U und der konzentrierten Kapazität 3 bestehen. Der für den Wellenwiderstand der homogenen Vierpolkette maßgebende Kapazitätsbelag CY ist durch die Summe des Kapazitätsbelages C des Leitungsabschnittes und die auf die Längeneinheit bezogene Eingangskapazität der Baugruppen gegeben.

Auch die aus den beiden Leiterbahnen 5a und 5b gebildete Stammleitung 5 bildet eine homogene Vierpolkette, für den ähnliche Betrachtungen gelten. Die Stammleitung 5 ist am Leitungsanfang durch einen Abblockkondensator 8 überbrückt. In die Verbindung zwischen einer der Leitungsadern 5a oder 5b der Stammleitung 5 kann ein Anpassungswiderstand eingefügt sein, dessen Widerstandswert dem Wellenwiderstand entspricht, im vorliegenden Fall also sehr klein isi. Dieser Anpassungswiderstand kann beispielsweise im Zuge der Leiterbahn als gedruckter Widerstand ausgebildet sein. Die Versorgungsspannung wird über Steckkontakte einer Verbinderleiste 9 zugeführt.

Die Stammleitung 5 kann statt als koplanare Streifenleitung auch als Parallelbandleitung ausgebildet sein, bei der sich die beiden Leiter auf unterschiedlichen Seiten der Leiterplatte 1 befinden und einander gegenüberliegen. F.in ausgeführtes Stromversorgungsnet/.werk dieser Art besitzt folgende Kennwerte: Dor Wellenwiderstand der Stammleitung beträgt (oL Kapazitätsbelastung) 54 Ohm. Die auf die Längeneinheit bezogene Laufzeit hat den Wert Ti, = 6,5 ns/m. Der Abblockkondensator 8 hat eine Kapazität \on IpF. Durch die zusätzliche Belastung mit den Eingangskapazitäten 3, deren Kapazitätswert 47 pF beträgt, verringert sich der Wellenwiderstand der Stammleitung 5 auf 8 Ohm. Die bezogene Laufzeit beträgt 44 ns/m. Die entsprechenden Werte für die Zweigleitungen 4 sind 15 Ohm bzw. 46 ns/m.

Der größte Einbruch der Versorgungsspannung ist dann zu erwarten, wenn die schaltende Baugruppe 2 die größtmögliche Entfernung vom Abblockkondensator 8 hat, sich im Ausführungsbeispiel also links oben befindet. Bei der verwendeten Baugruppe ergab sich beim Schalten ein Spitzenwert des Versorgungsstromes von 60 mA. Der von dieser Stromspitze verursachte Spannungseinbruch betrug nur etwa IV und ist bezüglich der Überlastung der in den Baugruppen 2 vorhandenen Eingangsschutzdioden unbedenklich. Die sich an den Spannungseinbruch anschließende Spannungserhöhung ist vergleichsweise niedrig: Die erste Schwingung hat eine Amplitude, die nur etwa 0,5 V über dem Wert der ungestörten Versorgungsspannung liegt und stellt deshalb keine Gefahr für die Baugruppen dar. Die Amplituden der nachfolgenden Schwingungen sind bereits vernachlässigbar klein.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

1. Patentansprüche:

   t. Stromversorgungsnetzwerk zur Speisung einer Vielzahl integrierter Schaltkreise, die auf Flachbaugruppen in Form gedruckter Leiterplatten angeord- s net sind, wobei die Leitungen der Versorgungsstromkreise zumindest bereichsweise Wellenleiterverhalten besitzen und eine Mehrzahl von koplanaren Streifenleitungen niedrigen Wellenwiderstandes umfassen, die zu einer gemeinsamen Stammleitung geführt sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von integrierten Schaltkreisen (2) angeschlossen ist und jeweils mehrere von ihnen von derselben koplanaren Streifenleitung (4) versorgt werden, wobei diese koplanaren Streifenleitungen

   (4) durch die Kontaktierungsstellen (6) der betreffenden Anschlüsse (10) der integrierten Schaltkreise (2) in zumindest annähernd gleiche Abschnitte (V) unterteilt sind, derart, daß sie infolge der Belastung mit den Eingangskapazitäten (3) der integrierten Schaltkreise (2) homogene Vierpolketten darstellen, daß auch die genannte Stammleitung (5) einen niedrigen Wellenwiderstand besitzt und durch die Verbindungspunkte (7) mit den einzelnen Zweigleitungen (4) ebenfalls in wenigstens annähernd gleiche Abschnitte unterteilt ist und damit einen mit den Eingangsimpedanzen der Zweigleiiungen (4) belasteten Kettenleiter darstellt.
2. 2. Stromversorgungsnei/werk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auch die Stammleitung

   (5) als koplanare Streifenleitung ausgebildet ist und daß die Leiter (5a, 5b) der Stammleitung (5) einerseits und die Leiter (4a, 4b) der Zweigleitungen (4) andererseits als gedruckte Leiterbahnen auf unterschiedlichen Seiten einer zweiseitig kaschierten Leiterplatte angeordnet sind.
3. 3. Stromversorgungsnetzwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahnen (5a, 5b) der Stammleitung (5) im Randbereich der Leiterplatte geführt sind.