JP2006266863A - Ｅｍｉ予測方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
プリント基板からの電磁波ノイズの放射に関して方程式解析に依存しないで容易にＥＭＩ予測が可能な方法を提供する。
【解決手段】
電源−接地層構造１０１，１０２と空間とをそれぞれ１つの伝送路とみなし、インピーダンスの異なる伝送路を接続したときの信号の透過係数と同様に、電源−接地層から空間へ放射されるＥＭＩの放射量を予測する。プリント基板の特性インピーダンスと空間のインピーダンスとを用いてプリント基板から空間への透過係数を算出し、球面波状に伝播することを考慮して透過係数を補正し、補正された透過係数に基づいてＥＭＩ放射を予測する。
【選択図】 図１

Description

本発明はプリント基板から発生するＥＭＩ（Electromagnetic Interference）放射量を予測する方法及び装置に関する。

近年、多層プリント基板に実装されるマイクロプロセッサ等の高速化に伴い、特に電源層と接地（ＧＮＤ）層の共振に起因する不要な電磁波雑音が無視できなくなっている。このようなＥＭＩ放射を設計段階で低減するために、放射される電磁波強度を正確に把握するＥＭＩシミュレーション技術が多く提案されている。

特開平１０−３０１９７７号公報（特許文献１）には、多層プリント基板の構造をメッシュ化し、それらの要素間の相互インピーダンス等を所定の計算により求め、モーメント方の方程式を解くことで各要素の電流および磁流を求めることで放射電磁界強度を算出する方法が開示されている。

特開２００２−１６３９１号公報（特許文献２）には、信号線の電流による電磁波雑音に加えて、電源層、接地層および筐体が形成する電磁界の影響による新たな電磁波雑音も考慮し、電子機器から放射される電磁波雑音を算出するＥＭＩシミュレーション装置が開示されている。

特開２００１−２２１８２２号公報（特許文献３）には、方程式解析に頼らず実回路特性に基づいてＥＭＩ値を求める方法が開示されている。具体的には、既知の回路について、Ｓパラメータ、反射係数および定在波比とＥＭＩ値とを実測して、その関連を記憶しておく。そして、未知の回路についてＳパラメータ、反射係数および定在波比を実測し、上記記憶した関連を用いてそのＥＭＩ値を推定する（段落００１２）。

特開平１０−３０１９７７号公報 特開２００２−１６３９１号公報 特開２００１−２２１８２２号公報

しかしながら、特許文献１および２に開示されたＥＭＩシミュレーションは、基本的な考え方として、回路に流れる電流成分を解析し、それによる電磁界を波動方程式から求めてＥＭＩを予測しようとするものである。特に、２次元的な広がりを持つ電源層および接地層に対しては、それらを碁盤の目状に分割してモデル化する必要があり、電流成分の解析が困難であった。

また、特許文献３に開示された方法は方程式解析に依存しないが、実回路を測定してＥＭＩ値を推定するものであり、設計段階でのＥＭＩ予測とは基本的に異なっている。

本発明は上記従来の課題を解決しようとするものであり、電源層−接地層からなるプリント基板を例にとれば、その電源−接地層構造と空間とをそれぞれ１つの伝送路とみなす。これによって、インピーダンスの異なる伝送路を接続したときの信号の透過係数と同様に、電源−接地層から空間へ放射されるＥＭＩを予測することができる。

本発明による方法は、電磁雑音の放射源となる複数の導体層を含む基板構造体（例えばプリント基板）から空間へのＥＭＩ放射を予測する方法であり、前記基板構造体の特性インピーダンスと前記空間のインピーダンスとを用いて前記基板構造体から前記空間への透過係数を算出し、前記透過係数に基づいて前記ＥＭＩ放射を予測する、ことを特徴とする。

望ましくは、前記透過係数は前記ＥＭＩ放射が前記空間へ球面波状に伝播することを考慮して補正され、前記基板構造体に実装される回路の電磁雑音のスペクトル解析結果と前記補正された透過係数とに基づいて、前記基板構造体からの距離に対応してＥＭＩ放射を予測する。

本発明の実施形態によれば、電磁雑音の放射源となる複数の導体層を含む基板構造体から空間へのＥＭＩ放射を予測する方法は、前記基板構造体および実装回路をモデル化し、前記基板構造体の特性インピーダンスを求め、前記特性インピーダンスと前記空間のインピーダンスとを用いて前記基板構造体から前記空間への透過係数を算出し、前記基板構造体のモデルを組み込んだ前記実装回路のモデルに基づいて、前記実装回路の電磁雑音のスペクトル解析を実行し、前記前記実装回路の電磁雑音のスペクトル解析結果と前記透過係数とに基づいて前記基板構造体からのＥＭＩ放射を予測することを特徴とする。

上述したように、本発明によれば、基板構造体と空間とをそれぞれ伝送路を見なすことで、それらのインピーダンスから透過係数を計算することができる。すなわち、空間のインピーダンスは既知であるから、基板構造体の特性インピーダンスを求めるだけで極めて簡単な計算によりＥＭＩ放射量を予測することが可能となる。

基板構造体から放射されるＥＭＩが空間を球面波状に伝播することを考慮することで、基板構造体からの距離および周波数の関数としてＥＭＩ放射量を予測可能である。

図１（Ａ）は本発明によるＥＭＩ予測方法の一実施形態を説明するための模式的なプリント基板の斜視図であり、（Ｂ）はそのＥＭＩ放射量予測の原理を説明するため伝送路接続図である。

本実施形態では、ＥＭＩの主原因の１つである電源雑音を例にとり、導体層構造体であるプリント基板の導体層１０１および１０２をそれぞれ電源層および接地層とする。この電源−接地層構造の特性インピーダンスを周波数ｆの関数としてＺｏ（ｆ）、空間のインピーダンスをＺａとすれば、プリント基板から空間への透過係数は次式で表現される。

透過係数＝２Ｚｏ（ｆ）／（Ｚａ＋Ｚｏ（ｆ）） ・・・ （１）
このことは、図１（Ｂ）に示す２つの異なるインピーダンスを接続した場合の透過係数から理解される。

周知のように、図１（Ｂ）に示すようにインピーダンスＺ１およびＺ２の２つの伝送路を接続した場合、伝送路Ｚ１からＺ２へ透過する電圧の割合（透過係数）は２Ｚ１／（Ｚ２＋Ｚ１）である。

図１（Ａ）に示すプリント基板の電源−接地層構造Ｚｏ（ｆ）と空間Ｚａとの関係は、図１（Ｂ）の伝送路Ｚ１と伝送路Ｚ２との関係と同等であると考えることができる。すなわち、プリント基板の導体層１０１、１０２間構造を特性インピーダンスＺｏ（ｆ）の伝送路とみなし、同様に空間を特性インピーダンスＺａの伝送路とみなす。こうすることで、プリント基板と空間との接触を伝送路の接続と考えることができ、伝送路における透過係数の式は、電源−接地層構造から空間への透過係数、すなわち雑音の放射割合の式として用いることができる。後述するように、この透過係数とＥＭＩとの間には相関関係のあることが実証される。

空間インピーダンスＺａは、真空透磁率μ₀、真空誘電率ε₀とすれば、（μ₀／ε₀）^1/2であり、約３７７Ωであることが知られている。したがって、電源−接地層構造の特性インピーダンスＺｏ（ｆ）がわかれば、電源−接地層構造から空間への透過係数を算出することができる。

なお、プリント基板から空間へ透過した電磁波は、３次元的な広がりをしながら伝播する。したがって、距離Ｒの位置では半径Ｒの球面上にエネルギーが広がると考えることができ、距離Ｒを用いて放射量の割合を次のように表すことが可能である。

放射量＝｛２Ｚｏ（ｆ）／（Ｚａ＋Ｚｏ（ｆ））｝／４πＲ² ・・・（２）。

さらに、単位系の相違を補正する補正項Ａを用いて、
放射量＝Ａ｛２Ｚｏ（ｆ）／（Ｚａ＋Ｚｏ（ｆ））｝／４πＲ² ・・・（３）
とし、この式によりＥＭＩを予測する。

図２は本発明の一実施例によるＥＭＩ予測方法の手順を示すフローチャートである。以下、各ステップについて詳細に説明する。

ステップ２０１： プリント基板の電源-ＧＮＤ層構造のモデル化を行う。上述したように、電源-ＧＮＤ層は電源雑音を伝播する２次元の伝送路とみなすことができる。モデル化には、ＦＤＴＤ（Finite-Difference Time-Domain）やＦＥＭ(Finite Element Method)等の解析手法により物理構造からシミュレーションモデルを生成する市販の解析ソフトウエアを用いることができる。

ステップ２０２： プリント基板に実装する回路図や実装図に基づいて回路シミュレーションを行うモデルを作成する。一般に、回路シミュレーションを行う場合には、電源およびＧＮＤを理想的なものと扱うが、本実施例ではステップ２０１で生成した電源-ＧＮＤ層構造のモデルを組み込むことで、回路動作による電源雑音の振る舞いを解析できるようにしておく。また、電源ＧＮＤ間に挿入されるコンデンサ（バイパスコンデンサ）は電源層−ＧＮＤ層間のインピーダンスを決定する要素として非常に重要である。

ステップ２０３： Ｓパラメータの反射特性Ｓ１１から電源−ＧＮＤ層構造の特性インピーダンスを求める。たとえば、プリント基板上のある点に信号を印加し、同一地点でその応答を観測することを計算上で行う。これは既知の特性インピーダンスＺｉから電圧Ｖｉを印加し、その反射電圧Ｖｒを観測することと同じである。被測定物の特性インピーダンスをＺとすれば、反射係数はＶｒ／Ｖｉ＝（Ｚ−Ｚｉ）／（Ｚ＋Ｚｉ）であるから、
Ｚ＝Ｚｉ｛１＋（Ｖｒ／Ｖｉ）｝／｛１−（Ｖｒ／Ｖｉ）｝となる。このＺをＺｏ（ｆ）とし、周波数ｆをスイープさせて計算することで図３に示すような特性インピーダンスを求めることができる。図３は、特性インピーダンスＺｏ（ｆ）の一例を示すグラフである。

ステップ２０４： 式（１）を用いて空間透過量の計算を行う。上述したように、空間インピーダンスＺａは約３７７Ωであり、電源−接地層構造の特性インピーダンスＺｏ（ｆ）は上記ステップ２０３で求まっている。したがって、図３に示す特性インピーダンスＺｏ（ｆ）から透過量を計算することで、図４に示す透過特性を得ることができる。図４は透過量特性の一例を示すグラフである。

ステップ２０５： 透過量の補正を行い、上記式（３）を得る。上述したようにプリント基板から空間へ透過した信号は球面波状に広がりながら伝播するために、プリント基板から距離Ｒだけ離れたところではその振幅は半径Ｒの球の表面積の逆数倍１／４πＲ²に減衰している（式（２）参照）。さらに、信号振幅の単位はボルト［Ｖ］、電界強度の単位は［Ｖ／ｍ］であるから、この単位系の差分を吸収する補正項Ａを導入して最終的な式（３）を生成する。式（３）に示す補正された放射係数がプリント基板から空間へのＥＭＩの放射のし易さを表している。

ステップ２０６： 上記ステップ２０２で回路シミュレーションを行うモデルを作成すると、シミュレーション実行の際に電源雑音の観測点に各半導体素子の電源端子を選択し、電源雑音波形を計算する。続いて、計算した電源雑音波形から高速フーリエ変換ＦＦＴ等により電源雑音のスペクトラム分析を行う。

ステップ２０７： ステップ２０５で生成された放射係数とステップ２０６で求められた電源雑音スペクトルデータとを乗算（対数表記では加算）することでＥＭＩの予測値を算出する。

図５は、本実施例の電源−ＧＮＤ層構造に周波数をスイープさせたノイズを印加し、ＥＭＩを測定した結果を示すグラフである。このＥＭＩ測定結果の形状は、図４に示す透過係数の形状とよく一致していることが確認できる。すなわち、特性インピーダンスから求めた透過量とＥＭＩとは相関関係があり、両者の差分を補正項Ａを用いて吸収することで、正確なＥＭＩを予測することができる。

なお、図６は１００ＭＨｚの矩形波（クロック波形）のスペクトラムを測定した結果を示すグラフである。基本周波数１００ＭＨｚに対して高調波成分が存在することを示している。一般に、電源−ＧＮＤ層間には、信号を駆動するための電流が流れており、その周波数成分は駆動する信号と同じである。このため、クロック信号の高調波成分も考慮して回路シミュレーションにより電源雑音スペクトラムを求める必要がある。

図７は本実施例を実行するＥＭＩ予測装置の構成を示すブロック図である。ＥＭＩ予測装置は、プリント基板の電源-ＧＮＤ層構造のデータを入力して電源−ＧＮＤ層のシミュレーションモデルを生成する電源−ＧＮＤシミュレーションモデル生成部３０１と、回路データや実装データを入力し電源−ＧＮＤシミュレーションモデルを組み込んだ回路シミュレーションモデルを生成する回路シミュレーションモデル生成部３０２とを有する。さらに、ＥＭＩ予測装置は、プリント基板の特性インピーダンスを解析する特性インピーダンス解析部３０３、透過係数を補正して放射係数を算出する放射係数計算部３０４、および、回路シミュレーションモデルから電源雑音スペクトルを解析する電源雑音スペクトル解析部３０５を有する。

ＥＭＩ予測装置全体の動作は制御部３０６により制御される。制御部３０６は、ＣＰＵ等のプログラム制御プロセッサであり、図示しないメモリに格納されているＥＭＩ予測プログラムを実行することで上記ステップ２０１〜２０７で説明した各機能を実現してもよい。あるいは上記ブロック３０１〜３０５の機能を制御することで同様のＥＭＩ予測を行うこともできる。こうして予測されたＥＭＩ放射は、表示部、プリンタ等の出力部３０７により出力されるか、あるいは、通信回線を通して送信されてもよい。

上述した実施形態では、プリント基板の電源層−ＧＮＤ層に定期要した場合を記述したら、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。基準接地に対して筐体のインピーダンスを解析することで、プリント基板を囲む金属筐体への適用も可能である。

（Ａ）は本発明によるＥＭＩ予測方法の一実施形態を説明するための模式的なプリント基板の斜視図であり、（Ｂ）はそのＥＭＩ放射量予測の原理を説明するため伝送路接続図である。 本発明の一実施例によるＥＭＩ予測方法の手順を示すフローチャートである。 特性インピーダンスＺｏ（ｆ）の一例を示すグラフである。 透過量特性の一例を示すグラフである。 本実施例の電源−ＧＮＤ層構造に周波数をスイープさせたノイズを印加し、ＥＭＩを測定した結果を示すグラフである。 １００ＭＨｚの矩形波（クロック波形）のスペクトラムを測定した結果を示すグラフである。 本実施例を実行するＥＭＩ予測装置の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１０１，１０２ 導体層（電源層、接地層）

Claims (6)

1. 電磁雑音の放射源となる複数の導体層を含む基板構造体から空間へのＥＭＩ放射を予測する方法において、
   前記基板構造体の特性インピーダンスと前記空間のインピーダンスとを用いて前記基板構造体から前記空間への透過係数を算出し、
   前記透過係数に基づいて前記ＥＭＩ放射を予測する、
   ことを特徴とするＥＭＩ予測方法。
2. 前記透過係数は前記ＥＭＩ放射が前記空間へ球面波状に伝播することを考慮して補正され、前記基板構造体に実装される回路の電磁雑音のスペクトル解析結果と前記補正された透過係数とに基づいて、前記基板構造体からの距離に対応してＥＭＩ放射を予測することを特徴とする請求項１に記載のＥＭＩ予測方法。
3. 電磁雑音の放射源となる複数の導体層を含む基板構造体から空間へのＥＭＩ放射を予測する方法において、
   前記基板構造体および実装回路をモデル化し、
   前記基板構造体の特性インピーダンスを求め、
   前記特性インピーダンスと前記空間のインピーダンスとを用いて前記基板構造体から前記空間への透過係数を算出し、
   前記基板構造体のモデルを組み込んだ前記実装回路のモデルに基づいて、前記実装回路の電磁雑音のスペクトル解析を実行し、
   前記前記実装回路の電磁雑音のスペクトル解析結果と前記透過係数とに基づいて前記基板構造体からのＥＭＩ放射を予測する、
   ことを特徴とするＥＭＩ予測方法。
4. 前記透過係数は、前記基板構造体表面からの距離を半径とする球面状に前記ＥＭＩ放射が伝播することを考慮して補正され、前記ＥＭＩ放射を前記距離および周波数の関数として予測することを特徴とする請求項３に記載のＥＭＩ予測方法。
5. 電磁雑音の放射源となる複数の導体層を含む基板構造体から空間へのＥＭＩ放射を予測する装置において、
   前記基板構造体および実装回路をモデル化するシミュレーションモデル生成手段と、
   前記基板構造体の特性インピーダンスを生成する特性インピーダンス生成手段と、
   前記特性インピーダンスと前記空間のインピーダンスとを用いて前記基板構造体から前記空間への透過係数を算出する透過係数生成手段と、
   前記基板構造体のモデルを組み込んだ前記実装回路のモデルに基づいて、前記実装回路の電磁雑音のスペクトルを解析する解析手段と、
   前記前記実装回路の電磁雑音のスペクトル解析結果と前記透過係数とに基づいて前記基板構造体からのＥＭＩ放射量を計算するＥＭＩ放射量計算手段と、
   ことを特徴とするＥＭＩ予測装置。
6. コンピュータに、電磁雑音の放射源となる複数の導体層を含む基板構造体から空間へのＥＭＩ放射を予測させる機能を実装するためのプログラムにおいて、
   前記基板構造体および実装回路をモデル化するステップと、
   前記基板構造体の特性インピーダンスを求めるステップと、
   前記特性インピーダンスと前記空間のインピーダンスとを用いて前記基板構造体から前記空間への透過係数を算出するステップと、
   前記基板構造体のモデルを組み込んだ前記実装回路のモデルに基づいて、前記実装回路の電磁雑音のスペクトル解析を実行するステップと、
   前記前記実装回路の電磁雑音のスペクトル解析結果と前記透過係数とに基づいて前記基板構造体からのＥＭＩ放射を予測するステップと、
   を有することを特徴とするプログラム。
   
   

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