JP3501674B2 - プリント回路基板特性評価装置、プリント回路基板特性評価方法、及び記憶媒体 - Google Patents

プリント回路基板特性評価装置、プリント回路基板特性評価方法、及び記憶媒体

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    • H05K3/0005Apparatus or processes for manufacturing printed circuits for designing circuits by computer

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、プリント回路基板
の電気特性等を評価するプリント回路基板特性評価装
置、プリント回路基板特性評価方法、及びこの評価方法
を実現するための記憶媒体に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来、プリント回路基板が正常に動作し
うるかを数値解析手法によって評価する技術としては、
例えば、「1993年1月、アールエフ・デザイン、2
5〜27頁(RF Design January 1
993,pp.25−27)」に記載されているような
PSPICEと呼ばれる回路シミュレータが一般的に知
られているほか、特開平9−274623号公報に開示
されるものがあった。
【0003】図23は、上記公報に開示された伝送線路
シミュレータの構成を示すブロック図である。この伝送
線路シミュレータによれば、設計段階でシンボル化され
た素子と結線が入力されると、表示制御部101は、表
示部102に結線の適用基板の物理形状と配線トポロジ
を表示し、結線のプロパティを入力部103を介して選
択させる。プロパティは電磁界シミュレータ106に与
えられ、該電磁界シミュレータ106は結線の線路定数
を計算し、線路モデルを作成する。素子シンボルは置換
部105に与えられ、置換部105はデバイスモデルを
素子ライブラリ105aから抽出する。線路モデルとデ
バイスモデルは、組合せ部107で組合わされて評価対
象回路の等価回路が形成される。回路シミュレータ10
8が、その等価回路に対して、遅延や反射特性等の伝送
線等の伝送線路解析を行う。
【0004】これらの技術を用いることにより、例え
ば、図24に示すように、ドライバIC201とレシー
バIC202を実装したプリント回路基板200におい
て、IC201からIC202へ配線203を介して伝
送する信号の電気特性を以下のように評価することがで
きる。図25(a),(b)は、図24の基板200に
構成した回路の解析モデルと解析結果の一例を示す図で
あり、同図(a)が解析モデル、同図(b)が解析結果
を示している。
【0005】図25(a)に示す解析モデルは、ドライ
バIC201とレシーバIC202を配線203で接続
した回路である。ドライバIC201を電圧源または電
流源とある値のインピーダンスとで構成した等価回路で
表現し、レシーバIC202をある値のインピーダンス
の等価回路で表現し、配線203を単なる同電位の配線
または抵抗、インダクタ、キャパシタの組み合わせで構
成した伝送線路で表現している。
【0006】図25(b)に示す解析結果は、レシーバ
IC202の入力端子での電圧波形を表している。この
電圧波形には、立ち上がり時に大きなオーバーシュート
や立ち下がり時にアンダーシュートがあるため、このま
までは回路の正常動作が保証できず、この基板を実装し
たものを製品化することはできない。
【0007】そこで、図26(a)に示す解析モデルの
ように、ドライバIC201と配線203との間にフィ
ルタ回路204を挿入することによって、前記オーバー
シュートとアンダーシュートを抑えるようにする(図2
6(b))。
【0008】このように、上記技術を用いれば、回路パ
ラメータを容易に変更できるため、回路の最適設計を簡
単に行うことが可能である。また、プリント回路基板を
製造する前に回路の信号波形を把握することができるた
め、回路設計ミスによる基板の再版が少なくなり、製造
コスト削減につながる。
【0009】一方、プリント回路基板の中には、前述し
た信号をやり取りする回路以外に、ICやLSIなどの
アクティブ素子に安定な直流電圧を供給するための電源
供給系回路がある。図27は、電源供給系のみに着目し
た等価回路であり、その中で一点鎖線で示した範囲内の
回路が電源供給系回路210である。この例では、IC
205の電源端子206とグランド端子207に、電源
供給系回路210として働くコンデンサ208と、基板
外にある直流電源209とが接続されている。このコン
デンサ208は、IC205の近くに接続されることで
直流電源209の代わりに、IC205がスイッチング
動作するときに必要な電荷を補給する役割を果たす。低
インピーダンスのものをこのコンデンサ208として用
いれば、IC205がスイッチング動作してもその電源
端子206とグランド端子207間の電圧は変動しな
い。このようなコンデンサ208のことをデカップリン
グコンデンサと呼び、今まではこれが接続されていれ
ば、電源供給系回路を直流回路として扱え、回路シミュ
レータでその高周波特性を解析する必要がないとされて
きた。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、近年、
ICやLSIなどのアクティブ素子の動作周波数が急激
に高くなってきているため、上述のような電源供給系回
路の高周波特性を評価すべきであるにも拘わらず、この
種の高周波特性を数値解析手法にて評価する技術は、今
まで存在しなかった。その結果、(1)プリント回路基
板の回路動作を十分保証することができない、(2)プ
リント回路基板から不要な電磁波が放射される、といっ
た問題が生じている。
【0011】まず、上記(1)の問題点について詳しく
説明する。アクティブ素子の動作周波数が高くなると、
デカップリングコンデンサ自身のもつ寄生インダクタン
スによるインピーダンスと、そのコンデンサを基板に実
装するためのパッドやビアホールの寄生インダクタンス
によるインピーダンスとの和が、そのコンデンサのもつ
キャパシタンスによるインピーダンスに比べ大きくな
り、アクティブ素子に安定な直流電圧を供給することが
難しくなり、それらの安定動作を保証しづらくなる。こ
の点を図28を用いて具体的に説明する。
【0012】図28は、デカップリングコンデンサの代
表的な実装例を示す断面図である。コンデンサ220を
パッド223,224とビアホール225を介して、内
層の電源層221とグランド層222に接続する例を示
している。コンデンサ220自身の寄生インダクタンス
はチップ部品の場合に約1nH、パッド223,224
とビアホール225の寄生インダクタンスも少なくとも
合計約1nHあり、例えば、0.1μFのチップタイプ
のコンデンサを用いる場合には、36MHz以上で、も
はやキャパシティブな素子ではなくインダクティブな素
子として働く。そのため、これらインダクタンスをでき
るだけ小さく設計しなければ電源電圧変動が大きくな
り、回路動作を保証することはできないのである。
【0013】次に、上記(2)の問題点について詳しく
説明する。アクティブ素子の動作周波数が高くなると、
電源供給系回路内の配線が単なる同電位の配線ではな
く、伝送線路として作用し、この回路全体が伝送線路の
共振回路として振る舞い、この共振よってこの基板から
強い電磁波が放射される。この点を図29を用いて具体
的に説明する。
【0014】図29は、より現実の基板に近いモデルと
して、複数のデカップリングコンデンサがつながる電源
供給系回路を表した例を示している。同図に示すよう
に、IC205には、デカップリングコンデンサ230
aが接続され、それ以降には伝送線路として働く配線2
31と、他のICに接続されたデカップリングコンデン
サ230bと、基板外にある直流電源209とが接続さ
れている。デカップリングコンデンサ230aと230
bは、共にキャパシタンス233と直列に寄生インダク
タンス232がつながっている。電源供給系回路234
は、一点鎖線内の回路であり、この回路が共振を起こす
ことがある。
【0015】図30の実線は、IC205接続位置から
電源供給系回路234を見たインピーダンス(Zin)
特性の一例であり、同図30の破線はコンデンサ230
aのインピーダンス(Zc)特性である。Zinの特性
はほぼZcの特性と一致するが、周波数f01,f02
では大きくなっている。これは、コンデンサ230aの
インピーダンスが破線で示した通り誘導性リアクタン
ス、それ以降につなる電源供給系回路234のインピー
ダンスが容量性リアクタンスとして作用し、その大きさ
が一致することで並列共振を起こすためである。このよ
うな共振が起こると、IC205から電源供給系回路2
34を見たインピーダンスZinが大きくなり、電源電
圧変動が大きくなる原因となる。また、共振によるエネ
ルギーがこの電源供給系回路内に蓄えられ、そこから強
い電磁波が放射され、不要電磁放射(EMI)に関する
規格をクリヤしづらくなる。
【0016】本発明は上記従来の問題点に鑑み、電源電
圧変動を抑えかつ電源供給系回路の共振による不要電磁
放射を防止したプリント回路基板が設計できているか
を、電源供給系回路の高周波特性に着目し、数値解析手
法にて評価するプリント回路基板特性評価装置、プリン
ト回路基板特性評価方法、及びこの評価方法を実現する
ための記憶媒体を提供することを目的とする。
【0017】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項1記載の発明にかかるプリント基板特性評価
装置では、アクティブ素子とグランド層または電源層と
を接続する配線と、デカップリングコンデンサとを含む
プリント回路基板のレイアウト情報から前記プリント回
路基板に搭載される電源供給系回路に関するレイアウト
情報のみを抽出する抽出手段と、前記電源供給系回路に
関するレイアウト情報を、線路の物理形状と線路を形成
する支持体の電気的特性に基づいて、前記電源供給系回
路の等価回路を表す電気回路情報に変換する変換手段
と、前記変換手段の変換結果である前記電気回路情報に
基づいて前記電源供給系回路のインピーダンス特性を算
出する算出手段と、複数ある前記プリント回路基板のイ
ンピーダンス特性の大きさ、位相、実数部、虚数部のい
ずれかを比較する比較手段と、プリント回路基板の特性
評価のための情報として、前記電源供給系回路のインピ
ーダンス特性およびこのインピーダンス特性の比較結果
を出力する出力手段とを備えたプリント回路基板特性評
価装置において、前記算出手段は、プリント回路基板上
の所定の電源端子接続位置から前記電源供給系回路全体
を見たインピーダンス特性である第1のインピーダンス
特性と、前記所定の電源端子接続位置からそれに最も近
い位置に接続したデカップリングコンデンサまでのイン
ピーダンス特性である第2のインピーダンス特性とを、
前記電気回路情報に基づいて算出する機能を有し、前記
比較手段は、前記第1のインピーダンス特性と前記第2の
インピーダンス特性との大きさ、位相、実数部、虚数部
のいずれかを比較する機能を有し、前記出力手段は、前
記第1および第2のインピーダンス特性と、前記比較手段
の比較結果に基づいた電源供給系回路の共振の有無と、
共振がある場合の共振周波数とを、前記プリント回路基
板の特性評価のための情報として出力することを特徴と
する。
【0018】 請求項2記載の発明に係るプリント回路
基板特性評価装置では、アクティブ素子とグランド層ま
たは電源層とを接続する配線と、デカップリングコンデ
ンサとを含むプリント回路基板のレイアウト情報から前
記プリント基板に搭載される電源供給系回路に関するレ
イアウト情報のみを抽出する抽出手段と、前記電源供給
系回路に関するレイアウト情報を、前記電源供給系回路
の等価回路を表す電気回路情報に変換する変換手段と、
前記変換手段の変換結果である電気回路情報に基づいて
電源供給系回路のインピーダンス特性を算出する算出手
段と、複数ある前記プリント回路基板のインピーダンス
特性の大きさ、位相、実数部、虚数部のいずれかを比較
する比較手段と、プリント回路基板の特性評価のための
情報として、前記電源供給系回路のインピーダンス特性
およびこのインピーダンス特性の比較結果を出力する出
力手段とを備えたプリント回路基板特性評価装置におい
て、前記算出手段は、プリント回路基板上の所定の電源
端子接続位置から最も近い位置に接続したデカップリン
グコンデンサのインピーダンス特性である第3のインピ
ーダンス特性と、デカップリングコンデンサ以降につな
がる電源供給系回路のインピーダンス特性である第4の
インピーダンス特性とを前記電気回路情報に基づいて算
出する機能を有し、前記比較手段は、前記第3のインピ
ーダンス特性と前記第4のインピーダンス特性との大き
さ、位相、実数部、虚数部のいずれかを比較する機能を
有し、前記出力手段は、前記第3および第4のインピーダ
ンス特性、前記比較手段の比較結果に基づいた電源供給
系回路の共振の有無、共振がある場合の共振周波数を、
前記プリント回路基板の特性評価のための情報として出
力する機能を有することを特徴とする。
【0019】請求項3記載の発明に係るプリント回路基
板特性評価装置では、請求項1または2に記載のプリン
ト回路基板特性評価装置において、前記算出手段は、前
記所定の電源端子接続位置から前記電源供給系回路の共
振周波数の正弦波信号を入力し、電源供給系回路内各点
での電流値と電圧値を算出する機能を有し、前記出力手
段は、前記第1の電流・電圧値の算出結果を出力する機
能を有することを特徴とする。
【0020】請求項4記載の発明に係るプリント回路基
板特性評価装置では、請求項1または2に記載のプリン
ト回路基板特性評価装置において、前記算出手段は、ア
クティブ素子の電源端子とグランド端子との間の等価回
路モデルを用いて前記電源供給系回路に時間軸波形を入
力し、電源供給系回路内各点での電流波形や電圧波形を
算出する第2の電流・電圧値を算出する機能を有し、前
記出力手段は、前記第2の電流・電圧値の算出結果を出
力する機能を有することを特徴とする。
【0021】請求項5に記載の発明に係るプリント回路
基板特性評価装置では、請求項4に記載のプリント回路
基板特性評価装置において、前記算出手段は、前記電源
供給系回路内各点での電流波形や電圧波形をフーリエ変
換し、特定の周波数成分における電源供給系回路内の電
流分布および電圧分布を算出する機能を有し、前記出力
手段は、前記電流分布および電圧分布の算出結果を出力
する機能を有することを特徴とする
【0022】請求項6に記載の発明に係るプリント回路
基板特性評価装置では、請求項1ないし5のいずれかに
記載のプリント回路基板特性評価装置において、さら
に、電源供給系回路の共振抑制法を記憶した記憶部と、
前記共振抑制法を電源供給系回路内の電流値または電圧
値が大きい場所または電源端子接続位置に適用し、前記
プリント回路基板のレイアウト情報を変更するレイアウ
ト変更手段を有し、前記抽出手段は、前記レイアウト変
更手段によって変更されたレイアウト情報からその電源
供給系回路に関するレイアウト情報のみを抽出する機能
を有し、前記変換手段は、新たな電源供給系回路に関す
るレイアウト情報を電気回路情報に変換する機能を有
し、前記算出手段は、前記電気回路情報に基づいて、前
記第1、第2、第3および第4のインピーダンス特性を
算出する機能を有し、前記比較手段は、前記算出結果の
大きさ、位相、実数部、虚数部を比較する機能を有し、
前記出力手段は、前記インピーダンス特性、前記比較手
段の比較結果に基づいた電源供給系回路の共振の有無、
共振がある場合の共振周波数を、前記プリント回路基板
の特性評価のための情報として出力する機能と、共振が
ある場合には、再度、前記レイアウト変更手段にてレイ
アウト変更を行う機能と、共振がない場合には、そのと
きのレイアウト情報を出力する機能とを有することを特
徴とする。
【0023】請求項7に記載の発明に係るプリント回路
基板特性評価装置では、請求項1ないし6のいずれかに
記載のプリント回路基板特性評価装置において、前記算
出手段は、前記インピーダンス特性を算出する際に、前
記電源供給系回路を構成する導体パターンを、基板と直
交する2辺方向にそれぞれ個別の伝送線路として扱い、
かつ、導体パターンで形成する伝送線路の特性および電
子部品の特性をそれぞれFマトリクスにて表現し、それ
に基づいて前記インピーダンス特性を算出する機能を有
することを特徴とする。
【0024】
【0025】
【0026】
【0027】
【0028】
【0029】
【0030】
【0031】
【0032】
【0033】
【0034】
【0035】
【0036】
【0037】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を説明する。 [第1実施形態]図1は、本発明の第1実施形態に係る
プリント回路基板特性評価装置の構成を示すブロック図
である。このプリント回路基板特性評価装置は、入力装
置1と、データ処理装置2と、記憶装置3と、出力装置
4とで構成される。その中でデータ処理装置2には、抽
出手段10と、変換手段11と、演算手段12とがあ
り、記憶装置3には記憶部13がある。
【0038】次に、本実施形態の動作を、図2及び図3
を参照して説明する。ここで、図2は、本実施形態の動
作を示すフローチャートであり、図3(a),(b)
は、評価対象である4層プリント回路基板の構成例を示
す図であり、同図(a)は平面図、同図(b)は断面図
である。
【0039】図3に示す評価対象であるプリント回路基
板20は、図の上から信号層26a、グランド層27、
電源層28、信号層26bの4層で構成されている。第
1層の信号層26aには、発振器21、ドライバIC2
2、レシーバIC23、及び4本の信号配線24のほか
に、各アクティブ素子の電源端子と外部から電源を供給
する端子とにそれぞれデカップリングコンデンサ25
a,25b,25c,25dが実装されている。第2層
のグランド層27と第3層の電源層28はともに、基板
全体を覆う導体プレーンとなっている。第4層の信号層
26bには、配線も部品もない。これらの導体はすべて
銅で形成した。基板材29は例えばガラスエポキシ樹脂
で、その比誘電率は4.7、誘電正接は0.015であ
る。
【0040】まず、本実施形態では、上記のプリント回
路基板全体の、実装部品を含めた各層のレイアウト情報
を入力装置1にて取り込む(ステップS10)。次に、
この情報の中で、電源供給系回路のレイアウト情報だけ
を抽出手段10にて抽出する(ステップS11)。この
電源供給系回路のレイアウト情報として、図3の基板で
は、第1層26aに実装されたアクティブ素子の電源端
子接続パッドとグランド端子接続パッド、そこから電源
層28またはグランド層27に接続されるまでの配線や
ビアホール、デカップリングコンデンサ25a,25
b,25c,25d、第2層のグランド層27、及び第
3層の電源層28のレイアウト情報が相当する。抽出方
法としては、たとえば、あらかじめ電源供給系回路のレ
イアウト情報に、「V」や「G」などの判別し易い記号
を付けておけばよい。
【0041】次に、この情報を記憶部13に保存した後
(ステップS12)、変換手段11にこの情報を取り込
み、電気回路情報に変換する(ステップS13)。この
ステップS13の処理を、電源供給系回路の等路回路モ
デルを表す図4を用いて説明すると、まず、電源層28
とグランド層27とを2枚の導体プレーンによって形成
される平行板線路として扱う。基板の長辺(X)方向に
対して垂直に、デカップリングコンデンサ25a,25
b,25c,25dが接続されている位置(図4の一点
鎖線で示した位置)でこの平行板線路を分割する。分割
した部分の特性は、次式(1)に示したFマトリクスで
表現し、それ以外のデカップリングコンデンサなどの部
品やパッドなどの特性は、次式(2)または次式(3)
に示したFマトリクスで表現した。
【数1】
【0042】式(1)は伝送線路の特性を表現するFマ
トリクスである。Z0は線路の特性インピーダンスであ
り、線路の物理形状と線路を形成する支持体の比誘電率
や比透磁率などの電気定数によって決まる。例えば、
「1977年11月、プロシーディングス・オブ・ジィ
・アイ・イー・イー・イー、第65巻、第11号、16
11〜1612頁(Proceedings of t
heIEEE, Vol.65,No.11,Nove
mber 1977,pp.1611−1612)」に
記載された式を用いれば求められる。γ(f)は、線路
の伝搬定数である。この定数は、その実数部の減衰定数
αと、その虚数部の位相定数βとによって構成される。
減衰定数αと位相定数βはともに、特性インピーダンス
と同様、線路の物理形状と支持体の電気定数によって値
が決まるものであり、減衰定数αは例えば、「1968
年6月、アイ・イー・イー・イー・トランザクション・
オン・エム・ティ・ティ、第MMT−46巻、第6番、
342〜350頁(IEEETransaction
on MTT,Vol.MTT−16,No.6,Ju
ne 1968,pp.342−350)」に記載され
た式を用いればよい。位相定数βは2π√εr/λ√μ
rより求まり、εrとμrは支持体の比誘電率と比透磁
率、λは波長である。最後に、lは線路長である。
【0043】式(2)は線路に並列に接続されたインピ
ーダンスZの特性を表すFマトリクスであり、式(3)
は直列にインピーダンスZがつながった場合のFマトリ
クスである。デカップリングコンデンサを表現する場合
には、式(2)と、Zとして次式(4)を用いれば良
い。
【数2】 Rはその寄生抵抗、Lは寄生インダクタンス、Cはキャ
パシタンスである。ここで、コンデンサ25a,25
b,25c,25dと直列につながるパッドやビアホー
ルの寄生インダクタンスや寄生抵抗は、コンデンサの等
価回路内に含めた。説明は省略するが、同様に、基板の
長辺(X)方向と直交する基板の短辺(Y)方向につい
ても同じようなモデルを作る。これによってステップS
13の処理が完了する。
【0044】次に、演算手段12にて、この電気回路情
報を用いて、ある指定した電源端子接続位置から電源供
給系回路を見たインピーダンス特性を算出する(ステッ
プS14)。ここでは、レシーバIC23の電源端子接
続位置からみたインピーダンス特性Zinの算出例を示
す。図4において、インピーダンスZinはコンデンサ
25cのインピーダンスZCcと、このコンデンサ25
cから右側を見たインピーダンスZ1と、左側を見たイ
ンピーダンスZ2とを並列にしたものである。また、各
インピーダンスZCc、Z1、Z2はそれぞれ次式
(5)〜次式(9)を用いて算出することができる。
【数3】 ZCcは次式(5)、Z1は次式(6)のFマトリクス
要素から次式(7)を用いて算出できる。Z2も同様
に、次式(8)のFマトリクス要素から次式(9)を用
いて算出できる。Fマトリクスで処理するメリットは、
次式(8)のように、接続順に伝送線路や部品のFマト
リクスの積を取れば、その要素によってインピーダンス
を算出できることにある。最終的にインピーダンスZi
nは、次式(10)によって求められる。
【数4】
【0045】次に、計算結果を表示する(ステップS1
5)。図5に計算結果の一例を示す。図5中の実線は基
板の長辺方向について計算した結果、破線は測定結果で
あり、インピーダンスの大きさで示している。測定結果
は、図3に示した基板を作製し、部品を実装し、ネット
ワークアナライザを用いて電源端子接続位置での反射
(S11)特性の測定結果から次式(11)を用いて算
出したものである。
【数5】 この結果から、電源供給系回路のインピーダンスが約4
MHz以上でインダクティブな素子として働いているこ
と、100MHzで約1オームであること、電源供給系
回路が8MHz、230MHz、510MHzで共振を
起こしていることがわかる。また、測定結果と計算結果
がよく一致していることから、本計算手法の妥当性が確
認できること、基板の短辺(Y)方向には共振がなかっ
たことから、これらは長辺(X)方向の共振であること
がわかる。
【0046】以上、本第1実施形態を用いることで、基
板に実装するアクティブ素子の電源端子接続位置から見
た電源供給系回路のインピーダンス特性を把握すること
ができ、さらに電源供給系回路の共振の有無やその共振
周波数を把握することができる。すなわち、基板レイア
ウト情報を用いて電源供給系回路のインピーダンス特性
を算出することができるため、基板を作製しなくても、
基板製造前のレイアウト作成中もしくはレイアウト作成
後に、電源供給系回路のインピーダンスが十分低く設計
されているか、または、電源供給系回路が共振を起こさ
ないかを評価することができる。
【0047】また、最適設計後の基板レイアウト情報を
出力できることから、アクティブ素子の安定動作を保証
し、かつ電磁放射を抑制したプリント回路基板を短時間
に設計、製造することが可能となる。
【0048】[第2実施形態]図6は、本発明の第2実
施形態に係るプリント回路基板特性評価装置の構成を示
すブロック図である。本実施形態は、図1に示した第1
実施形態の構成において、データ処理装置2の中に、さ
らに比較手段14を加え、この比較手段14をもつこと
で、電源供給系回路内での共振の有無を判断することが
できるようにしたものである。
【0049】図7のフローチャートを用いて本実施形態
の動作を説明する。本実施形態は、第1実施形態で示し
たステップS10からステップS13までの処理を行っ
た後に、ステップS20からステップS23までの処理
を行うことを特徴とする。まず、ステップS13で電源
供給系回路の電気回路情報を求めた後、指定した電源端
子接続位置から見たインピーダンスの大きさ|Zin|
を求める(ステップS20)。次に、その指定した電源
端子接続位置からそれに最も近い位置に接続したデカッ
プリングコンデンサまでのインピーダンスの大きさ|Z
c|を算出する(ステップS21)。次にその両者を比
較する(ステップS22)。最後に、その比較結果を出
力、表示する(ステップS23)。
【0050】図8は、|Zin|と|Zc|の計算結果
を重ねて表示したものである。共振が起こっている8M
Hz、230MHz、510MHzでは、|Zc|に比
べ|Zin|の方が大きい。この大小関係を比較するこ
とによって、共振の有無を判断することができる。10
MHz以上の共振周波数以外で|Zin|と|Zc|と
がほぼ一致する理由は、電源端子の最も近くに接続され
たコンデンサのインピーダンスが電源供給系回路を構成
する他の要素に比べ低く、|Zin|がこのインピーダ
ンス|Zc|によって決まってしまうためである。
【0051】次に、本実施形態の構成を維持したまま、
共振の有無を調べる別の方法について説明する。図9の
フローチャートに示すように、ステップS13の後に、
プリント回路基板上に実装された各アクティブ素子の電
源端子接続位置から最も近い位置に接続したデカップリ
ングコンデンサのインピーダンスの大きさ|Zc’|を
算出する(ステップS25)。次に、このコンデンサを
除いた、それ以降につながる電源供給系回路のインピー
ダンスの大きさ|Zin2|を算出する(ステップS2
6)。次に、これらを比較することで、共振の有無を判
断する(ステップS27)。最後に、インピーダンス計
算結果と共振の有無と共振周波数を出力し、表示する
(ステップS28)。
【0052】図10に計算結果を示す。同図に示すよう
に、8MHzでは、容量性リアクタンス(キャパシティ
ブな素子)として振る舞う|Zc’|と、誘導性リアク
タンス(インダクティブな素子)として振る舞う|Zi
n2|とが交差している。230MHzと510MHz
では、誘導性リアクタンスとして振る舞う|Zc’|
と、容量性リアクタンスとして振る舞う|Zin2|と
が交差している。
【0053】このように、容量性リアクタンスと誘導性
リアクタンスとが大きさが一致したとき、電源供給系回
路が並列共振を起こすことから、この交差する点の有無
を調べることで、共振の有無を調べることができる。ま
た、交差する周波数から共振周波数を調べることができ
る。
【0054】また、共振の有無を判断する他の方法とし
ては、図11のフローチャートに示すように、ステップ
S13の後に、プリント回路基板上に実装された各アク
ティブ素子の電源端子接続位置から最も近い位置に接続
したコンデンサ素子のインピーダンスのリアクタンスI
m(Zc’)を算出する(ステップS30)。次に、こ
のコンデンサ以降のインピーダンスのリアクタンスIm
(Zin2)を算出する(ステップS31)。次に、こ
れらを比較し(ステップS32)、最後に、インピーダ
ンスの計算結果や共振の有無や共振周波数を出力し、表
示する(ステップS33)。
【0055】図12に計算結果の一例を示す。同図にお
いて、縦軸はリアクタンス、横軸は周波数を示す。W1
〜W4で示した位置では、符号が逆で、その大きさがほ
ぼ一致しており、この230MHzと510MHzで共
振が起こることがわかる。したがって、リアクタンスの
符号が逆で、リアクタンスの大きさが一致する周波数が
あるかを調べれば、共振の有無が判断できることがわか
る。
【0056】次に、構成は図6のままで、演算手段12
に別の演算機能を追加した変形例について図13のフロ
ーチャートを参照しつつ説明する。図7、図9、及び図
11の比較結果の表示(ステップS23、ステップS2
8、ステップS33)の後に続く処理として、まず、電
源供給系回路が共振を起こす場合、その共振周波数の正
弦波を、着目している電源端子接続位置から入力する
(ステップS35)。次に、電源供給系回路内各点での
電流値と電圧値を算出する(ステップS36)。最後
に、その計算結果を表示する(ステップS37)。また
は、図14に示すように、ステップS37の前に、電流
値または電圧値が大きい場所を明示する(ステップS3
8)。ここで、共振周波数の信号を入力する信号モデル
としては、例えば、正弦波信号を出力できる電圧源とあ
るインピーダンスの直列回路、または正弦波信号を出力
できる電流源とあるインピーダンスの並列回路を用いれ
ばよい。
【0057】図15及び図16のグラフの実線に、レシ
ーバIC23の電源端子接続位置から230MHzの正
弦波信号を入力した場合の、電源供給系回路内の電圧分
布および電流分布の計算結果を示す(図中の破線につい
ては後の第3実施形態で述べる)。信号は1Vの電圧源
と10オームの抵抗の直列回路より入力した。この例で
は基板の右端で電圧が大きく、左端から50mmくらい
の位置で電流が最大になることがわかる。すなわち、本
変形例を用いれば、共振によって電圧や電流が大きい場
所を特定することができ、共振抑制に適した場所を把握
することができる。
【0058】さらに、図17のフローチャートに示すよ
うに、同じ構成で、演算手段12にさらに別の演算機能
を持たせた変形例について説明する。図2のステップS
15の後に、アクティブ素子の電源端子とグランド端子
との間の等価回路モデルを用いて、電源供給系回路に時
間軸波形を入力する(ステップS39)。次に、電源供
給系回路内各点での電流波形や電圧波形を算出する(ス
テップS40)。それらを出力し、波形振幅の大きい場
所を明示する(ステップS41)。または、図示してい
ないが、それらの波形をすべてフーリエ変換して、特定
の、例えば振幅の大きい周波数成分の電流分布もしくは
電圧分布を表示する。
【0059】これらにより、回路の動作時における電源
供給系回路内各点での電流、電圧の振る舞いを把握する
ことができる。また、回路動作時における電源供給系回
路内の電流、電圧が大きくなる周波数とその大きさを把
握することができる。さらにその大きさによって、抑制
対策すべきかどうかを定量的に判断することができる。
【0060】[第3実施形態]図18は、本発明の第3
実施形態に係るプリント回路基板特性評価装置の構成を
示すブロック図である。本実施形態では、図6に示した
第2実施形態のデータ処理装置2内にレイアウト変更手
段15を追加し、さらに記憶装置3内に第二の記憶部1
6を追加することを特徴とする。このレイアウト変更手
段15では、基板全体のレイアウト情報を変更すること
ができ、主にここでは電源供給系回路のレイアウトを変
更するのに用いる。第二の記憶部16では、電源供給系
回路の共振を抑制する手法をあらかじめ記憶させてお
く。
【0061】図19のフローチャートを用いて、本実施
形態の動作を説明する。先に示した図13や図14に示
した変形例において、共振周波数の正弦波信号を入力し
たときの電源供給系回路内の電流値と電圧値を計算し
(ステップS36またはステップS38)、電流値また
は電圧値が大きい場合、レイアウト変更手段15にて、
あらかじめ第二の記憶部16に記憶した共振抑制手法を
電流値または電圧値が大きい場所または電源端子接続位
置に適用する(ステップS42)。次に、変更後の回路
について、再度、図2にあるステップS11まで戻り、
電源供給系回路部分のみのレイアウト情報を抽出する処
理から始め、最後に共振の有無を判断する処理(ステッ
プS23、またはステップS28、またはステップS3
3)までを行う(ステップS43)。
【0062】この結果でも共振があると判断された場合
には、何度でもレイアウト変更手段15にて電源供給系
回路を変更する(ステップS44)。共振がないと判断
した場合には、レイアウト変更手段15から出力装置4
を介して変更後の基板全体のレイアウト情報を出力する
(ステップS45)。これにより、電源供給系回路を最
適設計した基板のレイアウト情報が得られる。
【0063】第二の記憶部16に保存する共振抑制手法
としては、例えば、電源供給系回路の中で電圧値が大き
くて電流値が小さい場所にコンデンサなどの低インピー
ダンス素子を実装する方法がある。また、図20に示し
た電源供給系の等価回路のように、アクティブ素子の電
源端子接続位置に、2個のデカップリングコンデンサ5
0aと50cとを長さl1の配線41で接続する方法を
用いてもよい。この配線の長さl1を不要電磁放射で問
題となっている上限周波数の1/4波長に設定すること
で、不要電磁放射が問題となる周波数帯域内で共振が抑
制できることが知られており、詳細は特願平10−18
4469に記載されている。
【0064】図21は、図20に示した共振抑制手法を
すべてのアクティブ素子に適用したときの、電源供給系
回路内のインピーダンス特性で、レシーバIC30の位
置から見た特性を示すグラフである。長さl1の配線4
1とコンデンサ50cとは図3の基板において第1層に
配置した。この図20のグラフの実線は計算値、破線は
測定値である。6MHzに共振が残っているが、現在不
要電磁放射で問題となっている30MHz〜1GHzで
は、共振がない。これによって、共振が抑制できている
ことが確認できる。さらに、計算値と測定値とが一致す
ることから、本発明の妥当性が確認できる。
【0065】また、先の図15と図16のグラフの破線
は、この共振抑制手法を適用した場合の電源供給系回路
内各点の電流値と電圧値の分布特性である。これらグラ
フの実線の共振抑制手法適用前の結果に比べ、電流、電
圧とも振幅が抑えられている。この結果から、本実施形
態では、共振抑制手法が適用でき、その効果を確認でき
ることがわかる。
【0066】また、この共振抑制手法適用前後の放射電
界特性の測定結果を図22(a),(b)に示す。同図
(a)が適用前、同図(b)が適用後の結果である。こ
の測定は、床面が金属板でそれ以外に電波吸収体を装着
した電波暗室内にて行った。基板を高さ75cmの木製
の机上に、床面と平行に配置し、そこから3m離れた位
置にアンテナを配置して行った。回路は20MHzの水
晶発振器で駆動し、共振抑制手法としては図20に示し
た手法を用いた。全体的に放射レベルは低下し、特に共
振を起こしていた230MHz付近と510MHz付近
の放射レベルが約15dB低くなっている。この結果か
ら、電磁放射の原因となる電源供給系回路の共振の有無
を判別できること、その共振抑制手法を適用できること
が裏づけられる。
【0067】このように本実施形態では、あらかじめ共
振抑制手法を用意することができ、且つそれを適用した
レイアウト変更ができるため、共振抑制手法による効果
を確認することが可能になる。
【0068】なお、本発明を提供する形態としては、例
えば上記各実施形態で説明したプリント回路基板特性評
価装置の各機能及びプリント回路基板特性評価方法をコ
ンピュータプログラムで実現し、そのプログラムを記憶
した記憶媒体を提供してもよい。
【0069】
【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
次のような効果を得ることができる。 (1)基板レイアウト情報を用いて電源供給系回路のイ
ンピーダンス特性を算出することができるため、基板を
作製しなくても、基板製造前のレイアウト作成中もしく
はレイアウト作成後に、電源供給系回路のインピーダン
スが十分低く設計されているか、または電源供給系回路
が共振を起こさないかを評価することが可能になる。 (2)電源供給系回路内の電流分布や電圧分布が把握で
きるため、電源供給系回路が共振を起こす場合、その原
因や抑制手法を適用するための最適な場所を把握するこ
とが可能になる。 (3)あらかじめ共振抑制手法を用意することができ、
且つそれを適用したレイアウト変更ができるため、共振
抑制手法による効果を確認することが可能になる。 (4)最適設計後の基板レイアウト情報を出力できるこ
とから、アクティブ素子の安定動作を保証し、且つ電磁
放射を抑制したプリント回路基板を短時間に設計、製造
することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の第1実施形態に係るプリント回路基
板特性評価装置の構成を示すブロック図である。
【図2】 第1実施形態の動作を示すフローチャートで
ある。
【図3】 評価対象である4層プリント回路基板の構成
例を示す図である。
【図4】 電源供給系回路の等路回路モデルを表す図で
ある。
【図5】 第1実施形態にかかる電源供給系回路のイン
ピーダンス特性図である。
【図6】 本発明の第2実施形態に係るプリント回路基
板特性評価装置の構成を示すブロック図である。
【図7】 第2実施形態の動作を示すフローチャートで
ある。
【図8】 第2実施形態にかかる電源供給系回路のイン
ピーダンス特性図である。
【図9】 第2実施形態の他の動作を示すフローチャー
トである。
【図10】 第2実施形態にかかる電源供給系回路の他
のインピーダンス特性図である。
【図11】 第2実施形態の他の動作を示すフローチャ
ートである。
【図12】 第2実施形態にかかる電源供給系回路の他
のインピーダンス特性図である。
【図13】 第2実施形態の他の動作を示すフローチャ
ートである。
【図14】 第2実施形態の他の動作を示すフローチャ
ートである。
【図15】 第2実施形態に係る電源供給系回路内の電
圧分布図である。
【図16】 第2実施形態に係る電源供給系回路内の電
流分布図である。
【図17】 第2実施形態の他の動作を示すフローチャ
ートである。
【図18】 本発明の第3実施形態に係るプリント回路
基板特性評価装置の構成を示すブロック図である。
【図19】 第3実施形態の動作を示すフローチャート
である。
【図20】 共振抑制手法を説明する電源供給系回路の
等価回路モデルを示す図である。
【図21】 電源供給系回路のインピーダンス特性図で
ある。
【図22】 共振抑制手法適用前後の放射電界特性の測
定結果を示す図である。
【図23】 従来の伝送線路シミュレータの構成を示す
ブロック図である。
【図24】 プリント回路基板の一例を示す図である。
【図25】 対策前の回路解析モデルを示す図である。
【図26】 対策後の回路解析モデルを示す図である。
【図27】 電源供給系のみに着目した等価回路図であ
る。
【図28】 デカップリングコンデンサの代表的な実装
例を示す断面図である。
【図29】 電源供給系の等価回路モデルを示す図であ
る。
【図30】 電源供給系回路のインピーダンス特性図
である。
【符号の説明】
1 入力装置 2 データ処理装置 3 記憶装置 4 出力装置 10 抽出手段 11 変換手段 12 演算手段 13 記憶部 14 比較手段 15 レイアウト変更手段 16 第二の記憶部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平11−94889(JP,A) 特開 平7−239865(JP,A) 原田高志,外3名,「多層プリント回 路基板の電源供給プレーンにおける共振 特性」電子情報通信学会技術研究報告, 電子情報通信学会,1989.9.Vol 98,No.285,P.47〜52 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G06F 17/50 H05K 3/00

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】アクティブ素子とグランド層または電源層
    とを接続する配線と、デカップリングコンデンサとを含
    プリント回路基板のレイアウト情報から前記プリント
    回路基板に搭載される電源供給系回路に関するレイアウ
    ト情報のみを抽出する抽出手段と、 前記電源供給系回路に関するレイアウト情報を、線路の
    物理形状と線路を形成する支持体の電気的特性に基づい
    て、前記電源供給系回路の等価回路を表す電気回路情報
    に変換する変換手段と、 前記変換手段の変換結果である前記電気回路情報に基づ
    いて前記電源供給系回路のインピーダンス特性を算出す
    る算出手段と、 複数ある前記プリント回路基板のインピーダンス特性の
    大きさ、位相、実数部、虚数部のいずれかを比較する比
    較手段と、 プリント回路基板の特性評価のための情報として、前記
    電源供給系回路のインピーダンス特性およびこのインピ
    ーダンス特性の比較結果を出力する出力手段とを備えた
    プリント回路基板特性評価装置において、 前記算出手段は、プリント回路基板上の所定の電源端子
    接続位置から前記電源供給系回路全体を見たインピーダ
    ンス特性である第1のインピーダンス特性と、 前記所定の電源端子接続位置からそれに最も近い位置に
    接続した前記デカップリングコンデンサまでのインピー
    ダンス特性である第2のインピーダンス特性とを、前記
    電気回路情報に基づいて算出する機能を有し、 前記比較手段は、前記第1のインピーダンス特性と前記
    第2のインピーダンス特性との大きさ、位相、実数部、
    虚数部のいずれかを比較する機能を有し、 前記出力手段は、前記第1および第2のインピーダンス特
    性と、前記比較手段の比較結果に基づいた電源供給系回
    路の共振の有無と、共振がある場合の共振周波数とを、
    前記プリント回路基板の特性評価のための情報として出
    力することを特徴とするプリント回路基板特性評価装
    置。
  2. 【請求項2】 アクティブ素子とグランド層または電源
    層とを接続する配線と、デカップリングコンデンサとを
    含むプリント回路基板のレイアウト情報から前記プリン
    ト回路基板に搭載される電源供給系回路に関するレイア
    ウト情報のみを抽出する抽出手段と、 前記電源供給系回路に関するレイアウト情報を、線路の
    物理形状と線路を形成する支持体の電気的特性に基づい
    て、前記電源供給系回路の等価回路を表す電気回路情報
    に変換する変換手段と、 前記変換手段の変換結果である電気回路情報に基づいて
    電源供給系回路のインピーダンス特性を算出する算出手
    段と、 複数ある前記プリント回路基板のインピーダンス特性の
    大きさ、位相、実数部、虚数部のいずれかを比較する比
    較手段と、 プリント回路基板の特性評価のための情報として、前記
    電源供給系回路のインピーダンス特性およびこのインピ
    ーダンス特性の比較結果を出力する出力手段とを備えた
    プリント回路基板特性評価装置において、 前記算出手段は、プリント回路基板上の所定の電源端子
    接続位置から最も近い位置に接続した前記デカップリン
    グコンデンサのインピーダンス特性である第3のインピ
    ーダンス特性と、前記デカップリングコンデンサ以降に
    つながる電源供給系回路のインピーダンス特性である第
    4のインピーダンス特性とを前記電気回路情報に基づい
    て算出する機能を有し、 前記比較手段は、前記第3のインピーダンス特性と前記
    第4のインピーダンス特性との大きさ、位相、実数部、
    虚数部のいずれかを比較する機能を有し、 前記出力手段は、前記第3および第4のインピーダンス特
    性、前記比較手段の比較結果に基づいた電源供給系回路
    の共振の有無、共振がある場合の共振周波数を、前記プ
    リント回路基板の特性評価のための情報として出力する
    機能を有することを特徴とするプリント回路基板特性評
    価装置。
  3. 【請求項3】 前記算出手段は、前記所定の電源端子接
    続位置から前記電源供給系回路の共振周波数の正弦波信
    号を入力し、電源供給系回路内各点での電流値と電圧値
    を算出する機能を有し、 前記出力手段は、前記第1の電流・電圧値の算出結果を
    出力する機能を有することを特徴とする請求項1または
    2に記載のプリント回路基板特性評価装置。
  4. 【請求項4】 前記算出手段は、アクティブ素子の電源
    端子とグランド端子との間の等価回路モデルを用いて前
    記電源供給系回路に時間軸波形を入力し、電源供給系回
    路内各点での電流波形や電圧波形を算出する第2の電流
    ・電圧値を算出する機能を有し、 前記出力手段は、前記第2の電流・電圧値の算出結果を
    出力する機能を有することを特徴とする請求項1または
    2に記載のプリント回路基板特性評価装置。
  5. 【請求項5】 前記算出手段は、前記電源供給系回路内
    各点での電流波形や電圧波形をフーリエ変換し、 特定の周波数成分における電源供給系回路内の電流分布
    および電圧分布を算出する機能を有し、 前記出力手段は、前記電流分布および電圧分布の算出結
    果を出力する機能を有することを特徴とする請求項4に
    記載のプリント回路基板特性評価装置。
  6. 【請求項6】 さらに、電源供給系回路の共振抑制法を
    記憶した記憶部と、 前記共振抑制法を電源供給系回路内の電流値または電圧
    値が大きい場所または電源端子接続位置に適用し、前記
    プリント回路基板のレイアウト情報を変更するレイアウ
    ト変更手段を有し、 前記抽出手段は、前記レイアウト変更手段によって変更
    されたレイアウト情報からその電源供給系回路に関する
    レイアウト情報のみを抽出する機能を有し、 前記変換手段は、新たな電源供給系回路に関するレイア
    ウト情報を電気回路情報に変換する機能を有し、 前記算出手段は、前記電気回路情報に基づいて、前記第
    1、第2、第3および第4のインピーダンス特性を算出
    する機能を有し、 前記比較手段は、前記算出結果の大きさ、位相、実数
    部、虚数部を比較する機能を有し、 前記出力手段は、前記インピーダンス特性、前記比較手
    段の比較結果に基づいた電源供給系回路の共振の有無、
    共振がある場合の共振周波数を、前記プリント回路基板
    の特性評価のための情報として出力する機能と、共振が
    ある場合には、再度、前記レイアウト変更手段にてレイ
    アウト変更を行う機能と、共振がない場合には、そのと
    きのレイアウト情報を出力する機能とを有することを特
    徴とする請求項1ないし5のいずれかに記載のプリント
    回路基板特性評価装置。
  7. 【請求項7】 前記算出手段は、前記インピーダンス特
    性を算出する際に、前記電源供給系回路を構成する導体
    パターンを、基板と直交する2辺方向にそれぞれ個別の
    伝送線路として扱い、かつ、 導体パターンで形成する伝送線路の特性および電子部品
    の特性をそれぞれFマトリクスにて表現し、それに基づ
    いて前記インピーダンス特性を算出する機能を有するこ
    とを特徴とする請求項1ないし6のいずれかに記載のプ
    リント回路基板特性評価装置。
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