JP2017068492A - 半導体集積回路の設計支援装置、半導体集積回路の不要輻射の対策方法、コンピュータプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】ＥＭＣ特性の検証に有用な設計支援ツールを提供する。【解決手段】評価対象のＩＣの電源端子または出力端子に流れる過渡電流波形を計算するＳ１０２。続いてＩＣを過渡電流波形を生成する電流源としてモデル化し、電流源と評価ボードの等価回路を接続して評価回路モデルを生成するＳ１０４。回路シミュレータにおいて、評価回路モデルの不要輻射を計算するＳ１０６。評価回路モデルの不要輻射の計算値とその測定値との誤差が、許容値より小さくなるように、評価ボードの等価回路の部分を修正するＳ１０８、Ｓ１０９。修正された評価回路モデルに少なくともひとつの回路素子を含む追加回路を追加して対策回路モデルを生成するＳ１１０。対策回路モデルについて不要輻射を計算するＳ１１２。対策回路モデルの不要輻射の計算値が、規格値を下回るように、対策回路モデルを修正するＳ１１４、Ｓ１１６。【選択図】図２

Description

本発明は、不要輻射（ＥＭＩ：Electromagnetic Interference）を検証するための設計支援装置に関する。

近年、半導体集積回路は省エネの傾向が強まり、多くのスイッチング技術が導入されてきた。その恩恵で、多機能・高性能な製品がバッテリで長時間動作するようになっている。しかしながらその回路動作特有の影響で、電磁両立性（ＥＭＣ：Electromagnetic Compatibility）、とりわけＥＭＩはきわめて悪化しているのが現状である。

特開２００４−１５７８８９号公報

半導体集積回路のベンダーは、製品設計段階において、半導体集積回路のＥＭＣ特性を、規格値を満たすように注意深く検証することが要求される。しかしながらＥＭＣ特性とりわけ不要輻射を回路シミュレータにより精度よく予測することは困難であり、その検証には膨大な労力を要していた。

本発明はかかる状況においてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、ＥＭＣ特性の検証に有用な設計支援ツールの提供にある。

本発明のある態様は、半導体集積回路の設計支援装置に関する。設計支援装置は、シミュレーションによりあらかじめ計算された、評価対象の半導体集積回路の電源端子または出力端子に流れる過渡電流波形のデータを受ける入力部と、半導体集積回路を過渡電流波形を生成する電流源としてモデル化し、電流源と評価ボードの等価回路とを接続して評価回路モデルを生成する第１モデリング部と、評価回路モデルについて不要輻射を計算する第１計算部と、評価回路モデルの不要輻射の計算値とその測定値との誤差が、許容値より小さくなるように、評価ボードの等価回路の部分を修正する第１修正部と、修正された評価回路モデルに少なくともひとつの回路素子を含む追加回路を追加して対策回路モデルを生成する第２モデリング部と、対策回路モデルについて不要輻射を計算する第２計算部と、対策回路モデルの不要輻射の計算値が、規格値を下回るように、追加回路を修正する第２修正部と、を備える。

この態様によると、第１修正部において、不要輻射の計算結果と測定値の誤差が小さくなるように、等価回路の部分を修正した上で、対策回路の不要輻射を計算することにより、対策回路の不要輻射の計算精度を高めることができ、不要輻射対策を容易化できる。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや、本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明のある態様によれば、不要輻射対策を容易化できる。

ＥＭＣ特性の評価ボードを模式的に示す図である。 実施の形態に係る不要輻射対策のフローチャートである。 評価回路モデルを示す回路図である。 対策回路モデルを示す回路図である。 図５（ａ）〜（ｄ）は、追加回路の構成例を示す回路図である。 図６（ａ）〜（ｃ）は、不要輻射のスペクトルを示す図である。 設計変更後のＩＣの一例を示す回路図である。 実施の形態に係る設計支援装置のブロック図である。 ＥＭＣ検証プログラムのブロック図である。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

本明細書において、「部材Ａが、部材Ｂと接続された状態」とは、部材Ａと部材Ｂが物理的に直接的に接続される場合のほか、部材Ａと部材Ｂが、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
同様に、「部材Ｃが、部材Ａと部材Ｂの間に設けられた状態」とは、部材Ａと部材Ｃ、あるいは部材Ｂと部材Ｃが直接的に接続される場合のほか、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。

不要輻射の概要を説明する。伝導エミッションの不要輻射に対する規格として、（i）半導体集積回路（ＬＳＩあるいはＩＣ）単体の伝導エミッション、（ii）民生品を対象とするＩＥＣ ６１９６７−４（１５０Ω／１Ω法）、ＣＩＳＰＲ２２（Information technology equipment）、車載品を対象とするＣＩＳＰＲ２５（Vehicles, boats and internal combustion engines）などが策定されている。これらの規格では、ＬＳＩやＩＣからの不要輻射について帯域毎の規格値が設けられている。

図１は、ＥＭＣ特性の評価ボードを模式的に示す図である。評価対象の半導体集積回路（以下、ＩＣという）１００は、評価ボード１０２に実装される。ＩＣ１００はその用途ごとにＥＭＣ規格の仕様が策定されており、ＩＣベンダーは、仕様にしたがってＩＣ１００と評価ボード１０２を設計する。ＥＭＣ特性の評価に際して評価ボード１０２には、電源１０４やスペクトルアナライザーなどの測定器１０６が接続される。そして規格で定められた手順にしたがいＥＭＣ特性を評価し、基準値を満たしているかを判定する。

そして測定値が基準値を満たしていなければ、ＩＣ１００や評価ボード１０２を修正する。ベンダーは基準値を満たすまでこの作業を繰り返す。ＥＭＣが基準値を満たさなければ、ＩＣ１００の大幅な設計変更を余儀なくされる場合もある。

こうしたＥＭＣ特性の評価、対策には膨大な労力を要する。以下では、ＥＭＣ特性の対策方法および検証に有用な設計支援ツールについて説明する。

図２は、実施の形態に係る不要輻射対策のフローチャートである。図１の評価ボード１０２を用いて、ＩＣ１００の不要輻射を実測する（Ｓ１００）。

また評価対象のＩＣ１００の電源端子に流れる過渡電流波形Ｉ_ＤＤや出力端子に流れる過渡電流波形Ｉ_ＯＵＴを計算する（Ｓ１０２）。以下の説明では、電源端子に流れる電流Ｉ_ＤＤとする。たとえば、回路の設計ツールによりＩＣ１００のネットリストを生成し、ネットリストを回路シミュレータに入力する。そして回路シミュレータの過渡解析機能を用い、電源端子に流れる過渡電流波形Ｉ_ＤＤなどを計算する。過渡電流波形Ｉ_ＤＤの計算には、たとえばCadence社のSpectre（登録商標）回路シミュレータなどが利用しうるが、特に限定されない。過渡電流波形Ｉ_ＤＤは、所定のファイル形式の波形計算データとして保存される。

続いて、回路シミュレータ上で、評価回路モデル２００が生成される（Ｓ１０４）。図３は、評価回路モデル２００を示す回路図である。この評価回路モデル２００では、ＩＣ１００が電流源２０２としてモデル化される。そして電流源２０２の出力電流として、過渡電流波形Ｉ_ＤＤの波形計算データを読み込む。そして電流源２０２と図１の評価ボード１０２上のＥＭＣ特性の評価回路２０４とが接続され、評価回路モデル２００が生成される。ＥＭＣ特性の評価回路２０４の中身は規格ごとに異なる。一例として図３の評価回路２０４は、伝導ミッションに関して規定されたＩＥＣ ６１９６７−４規格に準拠したものであり、電圧源ＶＳ、インダクタＬ、およびいくつかの抵抗ＲおよびキャパシタＣを含みうる。測定点２０６の電圧を測定し、そのスペクトルにもとづいて、ＥＭＣ特性が評価される。

図２に戻る。回路シミュレータにおいて、評価回路モデル２００について不要輻射を計算する（Ｓ１０６）。続いて、評価回路モデルの不要輻射の計算値が、不要輻射の測定値と比較してどの程度の誤差があるかが評価される（Ｓ１０８）。そして計算値と測定値の誤差が許容値より小さければ（Ｓ１０８のＹ）、評価回路モデル２００は十分な精度を有するものと推定され、対策処理に移行する。計算値と測定値の誤差が許容値より大きければ（Ｓ１０８のＮ）、評価回路モデル２００を修正する（Ｓ１０９）。具体的にはこのステップＳ１０９において、評価ボード１０２の評価回路２０４の部分を修正する。修正は、（１）ＩＣ周辺の回路素子の回路定数の変更、（２）評価ボード１０２の配線の寄生素子（等価直列抵抗ＥＳＲや等価直列インダクタンスＥＳＬ）を追加してその回路定数を調節、などにより行われる。この修正後の評価回路モデル２００について再度、不要輻射が計算される。この修正は、不要輻射の計算値と測定値との誤差が許容誤差に収まるまで繰り返される（Ｓ１０８）。

これまでのステップＳ１００〜Ｓ１０９により、ＩＣ１００と評価ボード１０２を含めた評価システム全体の計算精度が十分に高まっており、不要輻射のシミュレーションによる予測可能性は十分に高まっているといえる。続いてＥＭＣの規格値を満たすように、回路シミュレータ上でＥＭＣ対策を講じる。

回路シミュレータ上で、対策回路モデル２１０が作成される（Ｓ１１０）。図４は、対策回路モデル２１０を示す回路図である。対策回路モデル２１０は、修正された評価回路モデル２００に、少なくともひとつの回路素子を含む追加回路２１２を追加したものである。追加回路２１２の構成および追加の位置は特に限定されず、不要輻射を低減するために有効な回路構成とすればよい。たとえば追加回路２１２は、電流源２０２の出力端子（すなわちＩＣ１００の電源端子）と評価ボード１０２の測定点２０６の間に追加することが有効である。図５（ａ）〜（ｄ）は、追加回路２１２の構成例を示す回路図である。図５（ａ）の追加回路２１２ａは、バイパスコンデンサ（平滑キャパシタ）を含む。図５（ｂ）の追加回路２１２ｂは、π型フィルタであり、２個のコンデンサＣ１，Ｃ２と、インダクタンス素子Ｌ１を含む。インダクタンス素子Ｌ１は、フェライトビーズやチョークコイルであってもよし、抵抗素子であってもよい。図５（ｃ）の追加回路２１２ｃは、２段π型フィルタであり、図５（ｂ）の追加回路２１２ｂに、１個のコンデンサＣ３と、インダクタンス素子Ｌ２を追加した構成となっている。その他、図５（ｄ）に示すように追加回路２１２はインダクタンス素子Ｌ１，Ｌ２およびキャパシタＣ２を含むＴ型のフィルタ２１２ｄであってもよい。

対策回路モデル２１０を生成する際に、ＥＭＣ対策に使用するチップ部品（Ｃ，Ｌ）のモデリングに関しては、チップ部品のベンダーが提供するＳＰＩＣＥモデル（回路定数、寄生素子など）あるいはＳパラメータを
使用することができる。

図２に戻る。続いて対策回路モデル２１０について、不要輻射を計算する（Ｓ１１２）。そして計算した不要輻射が、規格で定められた規格値をクリアしているか否かが判定される（Ｓ１１４）。クリアしていれば（Ｓ１１４のＹ）、ＥＭＣ対策は終了である。

クリアしていなければ（Ｓ１１４のＮ）、対策回路モデル２１０の回路定数を微調整し、あるいはその回路形式を変更し、対策回路モデル２１０を修正する（Ｓ１１６）。そして修正された対策回路モデル２１０について、不要輻射を計算し（Ｓ１１２）、不要輻射の計算値が、規格で定められた規格値をクリアしているか否かが再判定される（Ｓ１１４）。この修正は、最終的に規格値をクリアするまで繰り返される。

以上が実施の形態に係るＥＭＣ対策方法のフローである。図６（ａ）〜（ｃ）は、不要輻射のスペクトルを示す図である。図６（ａ）には、（i）ＩＣ１００と評価ボード１０２の組み合わせにおける不要輻射の測定値、（ii）評価回路モデル２００の不要輻射の計算値、（iii）不要輻射の規格値が示される。図２のステップＳ１００においてスペクトル（i）が取得され、ステップＳ１０６においてスペクトル（ii）が取得される。

そして、図６（ｂ）に示すように、ステップＳ１０８、Ｓ１０９によって、評価回路モデル２００の不要輻射の波形（iv）が、ＩＣ１００の不要輻射の測定値（i）に十分近づけられる。そしてステップＳ１１２において対策回路モデル２１０の不要輻射の計算値（v）が計算され、ステップＳ１１４、Ｓ１１６において計算値（v）が規格値（iii）をクリアするように、追加回路２１２が修正される。

この対策方法によれば、追加回路２１２を追加する前の評価回路モデル２００について、不要輻射の計算値と測定値の合わせ込みを行い、十分に計算精度、言い換えれば予測可能性が高まった後に、追加回路２１２を追加して対策後の回路の検証を行う。つまり計算値を一度、測定値と一致するように、寄生素子などの定数を最適化することにより、対策回路での計算予測値は、追加した部品だけの差分計算となるため、高い計算制度を得ることができる。

また測定値と計算値を一致させる際に使用した部品を、再度、対策回路に使用した場合は、その部品はすでに測定値と整合済みであるため、計算予測値の誤差が非常に小さくなる。具体的には、測定値と計算値の合わせ込みの際に、コンデンサ１個を用いた回路で一致させた場合（この時点ではＥＭＣ規格には適合していない）、対策回路としてこのコンデンサを、２個、３個と増やして回路を構成し、計算予測する場合に有効である。

追加回路２１２の部品点数は少なく、またそれを構成するチップ部品の回路モデル（パラメータ）は、高精度のものが部品ベンダーから提供されている。したがって、追加回路２１２の部分に関するシミュレーション精度も十分に高いと言える。このことから評価回路モデル２００と追加回路２１２を含む対策回路モデル２１０全体についても、その不要輻射を高い精度で計算し、予測することができる。

その後、ＩＣ１００の設計者は、最終的に規格値をクリアしたときの追加回路２１２を、ＩＣ１００に反映させる。図７は、設計変更後のＩＣ１００の一例を示す回路図である。このＩＣ１００には、図５（ｂ）の追加回路２１２ｂが反映されている。なお、図５（ｂ）のキャパシタＣ１については、ＩＣ１００の電源端子ＶＤＤに外付けすればよいため、必ずしもＩＣ１００に内蔵する必要はない。あるいは追加回路２１２の全部を、ＩＣ１００に外付けするようにしてもよい。この場合、ＩＣ１００のベンダーは、外付けすべき追加回路２１２の構成を仕様書に記載し、それに従ってプリント基板を設計するようにユーザに指示してもよい。

図８は、実施の形態に係る設計支援装置のブロック図である。設計支援装置３００は、入力部３０２、第１モデリング部３０４、第１計算部３０６、第１修正部３０８、第２モデリング部３１０、第２計算部３１２、第２修正部３１４を備える。

入力部３０２は、あらかじめ回路シミュレータの過渡解析により計算された、評価対象のＩＣ１００の電源端子ＶＤＤに流れる過渡電流波形Ｉ_ＤＤのデータＳ１を受ける。入力部３０２は、またＩＣ１００の不要輻射の測定値のデータＳ２を受ける。

波形計算データＳ１は、第１モデリング部３０４に読み込まれ、評価回路モデル２００が生成され、それを記述する第１回路データＳ３が生成される。不要輻射の実測データＳ２は、第１修正部３０８に読み込まれる。第１計算部３０６は、第１回路データＳ３にもとづき、評価回路モデル２００の不要輻射を計算し、第１不要輻射データＳ４を生成する。

第１修正部３０８は、評価回路モデル２００の不要輻射の計算値（第１不要輻射データ）Ｓ４が、測定値Ｓ２にもとづいて定められる誤差範囲に収まるように、評価ボードの評価回路２０４の部分を修正し、修正に関する第１修正データＳ５を第１モデリング部３０４に与える。第１モデリング部３０４は、第１修正データＳ５を第１回路データＳ３に反映させ、第１計算部３０６は、第１回路データＳ３について、不要輻射を再度計算する。ある量を、その目標値に近づけるために、任意のパラメータを調節するアルゴリズムは公知技術を用いればよく、特に限定されない。

第１修正部３０８による修正が完了すると、最終的な評価回路モデル２００の回路データＳ６が、第２モデリング部３１０に入力される。第２モデリング部３１０は、評価回路モデル２００の回路データＳ６に、追加回路２１２に相当する等価回路を追加して対策回路モデル２１０を生成し、対策回路モデル２１０を記述する第２回路データＳ７を生成する。第２計算部３１２は、第２回路データＳ７にもとづき、対策回路モデル２１０の不要輻射を計算し、第２不要輻射データＳ８を生成する。

第２修正部３１４は、対策回路モデル２１０の不要輻射の計算値（第２不要輻射データ）Ｓ８が、規格に応じた規格値をクリアするように、追加回路２１２を修正し、修正に関する第２修正データＳ９を第２モデリング部３１０に与える。第２モデリング部３１０は、第２修正データＳ９を第２回路データＳ７に反映させ、第２計算部３１２は、第２回路データＳ７について、不要輻射を再度計算する。

不要輻射の計算値が規格値をクリアすると、第２修正部３１４による修正が完了する。そのときの最終的な対策回路モデル２１０の回路データＳ１０が、ファイルに書き込まれて保存され、あるいは表示装置に表示される。

図８の設計支援装置３００は、コンピュータなどのハードウェア資源と、ＥＭＣ検証プログラムの組み合わせで構成される。図９は、ＥＭＣ検証プログラム４００のブロック図である。検証プログラム４００の一部は市販の回路シミュレータ４０２の機能をそのまま用いることができ、また市販の回路シミュレータ４０２が提供しない機能は、回路シミュレータ４０２のアドインプログラム（プラグインソフトウェア）４０４として、あるいは別個のソフトウェアとして新たに作成される。

以上、本発明について、実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。

実施の形態では、電源電流や出力電流の過渡電流波形をシミュレーションにより計算したが、それに代えて実測したデータを用いてもよい。

実施の形態にもとづき、具体的な用語を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

１００…ＩＣ、２００…評価回路モデル、２０２…電流源、２０４…ＥＭＣ特性の評価回路、２１０…対策回路モデル、２１２…追加回路、３００…設計支援装置、３０２…入力部、３０４…第１モデリング部、３０６…第１計算部、３０８…第１修正部、３１０…第２モデリング部、３１２…第２計算部、３１４…第２修正部。

Claims (3)

1. シミュレーションにより計算された、評価対象の半導体集積回路の電源端子または出力端子に流れる過渡電流波形のデータを受ける入力部と、
   前記半導体集積回路を前記過渡電流波形を生成する電流源としてモデル化し、前記電流源と評価ボードの等価回路とを接続して評価回路モデルを生成する第１モデリング部と、
   前記評価回路モデルについて不要輻射を計算する第１計算部と、
   前記評価回路モデルの不要輻射の計算値とその測定値との誤差が、許容値より小さくなるように、前記評価ボードの等価回路の部分を修正する第１修正部と、
   修正された評価回路モデルに少なくともひとつの回路素子を含む追加回路を追加して対策回路モデルを生成する第２モデリング部と、
   前記対策回路モデルについて不要輻射を計算する第２計算部と、
   前記対策回路モデルの不要輻射の計算値が規格値を下回るように、前記追加回路を修正する第２修正部と、
   を備えることを特徴とする半導体集積回路の設計支援装置。
2. 評価対象の半導体集積回路の電源端子または出力端子に流れる過渡電流波形を計算するステップと、
   前記半導体集積回路を前記過渡電流波形を生成する電流源としてモデル化し、前記電流源と評価ボードの等価回路とを接続して評価回路モデルを生成するステップと、
   回路シミュレータにおいて、前記評価回路モデルについて不要輻射を計算するステップと、
   前記評価回路モデルの不要輻射の計算値とその測定値との誤差が、許容値より小さくなるように、前記評価ボードの等価回路の部分を修正するステップと、
   修正された評価回路モデルに少なくともひとつの回路素子を含む追加回路を追加して対策回路モデルを生成するステップと、
   前記対策回路モデルについて不要輻射を計算するステップと、
   前記対策回路モデルの不要輻射の計算値とその測定値との誤差が、許容値より小さくなるように、前記追加回路を修正するステップと、
   を備えることを特徴とする半導体集積回路の不要輻射の対策方法。
3. コンピュータに、
   評価対象の半導体集積回路の電源端子または出力端子に流れる過渡電流波形の入力を受け付ける機能と、
   前記半導体集積回路を前記過渡電流波形を生成する電流源としてモデル化し、前記電流源と評価ボードの等価回路とを接続して評価回路モデルを生成する機能と、
   前記評価回路モデルについて不要輻射を計算する機能と、
   前記評価回路モデルの不要輻射の計算値とその測定値との誤差が、許容値より小さくなるように、前記評価ボードの等価回路の部分を修正する機能と、
   修正された評価回路モデルに少なくともひとつの回路素子を含む追加回路を追加して対策回路モデルを生成する機能と、
   前記対策回路モデルについて不要輻射を計算する機能と、
   前記対策回路モデルの不要輻射の計算値が、規格値を下回るように、前記追加回路を修正する機能と、
   を実行させることを特徴とするコンピュータプログラム。

Images