JP4086870B2 - プリント回路基板設計支援装置、方法およびプログラム - Google Patents

Description

本発明は、プリント回路基板設計支援装置、方法およびプログラムに関し、特にプリント回路基板、部品および配線に関するプリント回路基板の設計情報を基にしてそのプリント回路基板の配線からの電磁放射の放射量を計算することにより、不要電磁放射を抑えたプリント回路基板の設計を支援するプリント回路基板の設計支援装置、方法およびプログラムに関するものである。

電子機器から放射される不要な電磁波が公共の放送や通信に障害を与えないために、電子機器および電子機器に搭載したプリント回路基板からの不要な電磁放射を抑えることが必要となっている。しかし、この電磁放射を抑えることはその原因を突き止めることが難しいことから容易ではない。また、この電磁放射を抑えるために、機器のケーブルの根元にフェライトコアを取り付ける場合や、プリント回路基板の高速信号配線にフェライトビーズやダンピング抵抗、各種フィルタなどを挿入する場合があり、製品のコストアップの原因となっている。さらに、上記対策でも不十分な場合には、基板を再設計や再製作することもあり、出荷遅れの原因にもなっている。

コストアップや出荷遅れなしに電磁放射を抑えるには、プリント回路基板の設計段階で電磁放射を抑えるための設計手法を盛り込むことが望ましい。設計および開発の上流であるほど、修正にかかるコストが低く抑えられるためである。

このような背景から、従来、不要な電磁放射を抑えたプリント回路基板の設計を支援するための装置や設計支援方法、設計を支援するためのプログラムを記憶した記憶媒体などが提案されている。例えば、特許文献１に記載された「プリント基板ＣＡＤ装置」、特許文献２に記載された「回路基板設計方法および記憶媒体」、特許文献３に記載された「設計支援装置」などがそれに相当する。

図２２に、特許文献１に記載された「プリント基板ＣＡＤ装置」の実施形態における概念図を示す。この発明では、基板面をメッシュに分割し、分割したメッシュ要素毎に含まれる信号路の電流値を計算する。この電流値もしくはこの電流値を基にしてさらに計算したメッシュ要素毎の放射ノイズの予測量、の高低に応じてメッシュの視覚属性を決定している。この発明により、プリント回路基板の設計者は、升目に示された電流値および放射ノイズの予想量の高低によって直感的に放射ノイズ量の高低を理解することができる。また、設計者は表示レベルが局所的に高くならないように配線していけば、基板上のノイズ量は自ずと分散させることができる。

図２３に、特許文献２に記載された「回路基板設計方法および記憶媒体」のフローチャートを示す。この発明では、Ｓ２２〜Ｓ２４で、仮想断面記述テーブルから読み出した仮想断面にて各信号線を仮想配線し、その不要輻射量Ｘを算出する。さらに、Ｓ２７で不要輻射量Ｘが許容値Ａを越えていた信号配線に対して、仮想断面の改善を実施した改善解Ｎ１と、対策部品を挿入した改善Ｎ２を算出する。Ｓ２８において、両改善解Ｎ１・Ｎ２は、層構成記述テーブルより読み出した各層構造へ割り付けられる。さらに、Ｓ２９およびＳ３０では、改善解Ｎ１・Ｎ２と各層構造との組み合わせの中から実施可能解Ｐを抽出し、その中から、製造コストと不要輻射量とに基づいて、最適解Ｑを選択する。Ｓ３１では、最適解Ｑにより決定される層構造へ各信号線を自動配線する。この発明により、基板設計の早い段階での放射ノイズの評価およびノイズ対策が行なえる。

図２４に、特許文献３に記載された「設計支援装置」の全体構成図を示す。この発明では、基板、部品およびネットに関する設計情報を格納する手段（設計データ格納手段１０７）と、配置対象となる部品を選択する手段（配置対象部品選択手段１１０）と、配置対象部品に接続する高速ネットを設計データ格納手段から検索する手段（高速ネット検索手段１１１）と、高速ネット検索手段で検索した高速ネットを仮想的に配線する経路を決定する手段（仮想配線経路決定手段９４０）と、仮想配線経路に配線された高速ネットの放射ノイズを算出する手段（放射ノイズ算出手段９５０）と、放射ノイズを表示する情報を生成する手段（放射ノイズ表示情報生成手段１１５）とを備えることを特徴とする。この発明により、部品配置時に放射ノイズシミュレーションを行い、配置対象となる部品（配置対象部品）と接続する高速ネットに対する放射ノイズ量を設計者に様々な表示パターンで表示することができるため、配置対象部品の適切な配置位置がわかり、放射ノイズ特性のよい配線設計が可能となる。

特開平５−６７１７６号公報 特開平１０−４９５６８号公報 特開２００１−１３４６２６号公報 R. Dockey, "Asymmetrical Mode Radiation from Multi-layer Printed Circuit Boards" EMC/ESD International Symposium, 1992, pp.247-251. B. Archambeault, "Modeling of EMI Emissions from Microstrip Structures with Imperfect Reference Planes" IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility, Austin, 1997, pp. 456-461.

このような従来の手法では、プリント回路基板からの電磁放射として、信号配線からの電磁放射（ディファレンシャルモード放射、差動モード放射もしくはノーマルモード放射と呼ばれる電磁放射）のみを扱っている。
ディファレンシャルモード放射とは、信号配線が作る閉回路がループアンテナと同じように働き、放射するものである。例えば、一般的な例として、送信側ＩＣと受信側ＩＣが配線パターンとグランドプレーンとで構成されるマイクロストリップ線路でつながっている場合には、この配線パターンを流れる電流とグランドプレーンを中心とした配線パターンの鏡像電流とが閉ループの電流として流れ、これがループアンテナと同じような放射を起こすものである。例えば、IEICE TRAN. COMMUN.,VOL.E78-B, NO.2 FEBRUARY 1995 ”Prediction of Peak Frequencies on Electromagnetic Emission from a Signal Line on a Printed Circuit Board”にその詳細が述べられている。

プリント回路基板からの電磁放射は、この信号配線からの放射以外に、信号配線に対向するグランドプレーンからの放射（コモンモード放射、共通モード放射、もしくはAsymmetrical mode Radiationと呼ばれる電磁放射）があり、基板によっては、このコモンモード放射の方が支配的になることが報告されている。例えば、非特許文献１では、信号配線を流れる電流によってグランドプレーンはダイポールアンテナと同じように働き、グランドプレーン全体が共振を起こし、強い電磁放射を引き起こすこと、この放射量はグランドプレーンの幅によって変わることが報告されている。

また、非特許文献２では、信号配線をグランドプレーンの端部に寄せるほど、プリント回路基板からの電磁放射量が増えることが報告されている。これらの報告から、電磁放射を抑えたプリント回路基板を設計するには、信号配線からのディファレンシャルモード放射を考えるとともに、放射量がグランドプレーンの大きさや信号配線の位置によって大きく変わる、グランドプレーンからのコモンモード放射についても考慮すべきことがわかる。

したがって、信号配線からの電磁放射の放射量を計算する際、従来の手法で得られるディファレンシャルモード放射の放射量に加えて、コモンモード放射の放射量を計算するには、上記非特許文献２のように電磁界シミュレーションを用いる方法が考えられる。
しかしながら、このような電磁界シミュレータで多数の信号配線を持つ大規模なプリント回路基板の放射量を計算する場合、大きなメモリーを用意しなければならず、かつ、計算時間も非常にかかるため、基板設計と並行に電磁界シミュレーションを行うことは現状非常に難しい。

本発明はこのような課題を解決するためのものであり、電磁界シミュレーションを行わずに、プリント回路基板の配線に起因して生ずる電磁放射の放射量を容易に計算でき、各配線の電磁放射の放射量を容易かつ正確に把握できるプリント回路基板設計支援装置、方法およびプログラムを提供することを目的とする。

このような目的を達成するために、本発明にかかるプリント回路基板設計支援装置は、プリント回路基板に形成されている配線に起因して生ずる電磁放射の放射量を算出することによりプリント回路基板の設計を支援するプリント回路基板設計支援装置であって、プリント基板に形成されているグランドプレーンと配線に関する第１の設計情報を入力する入力手段と、入力手段により入力された第１の設計情報を記憶する第１の記憶手段と、第１の設計情報から所望の配線に関する第２の設計情報を抽出する抽出手段と、抽出手段で抽出した第２の設計情報を記憶する第２の記憶手段と、第２の記憶手段から第２の設計情報を読み出し、この設計情報に基づいて配線から生ずる電磁放射のディファレンシャルモード（ＤＭ）放射量の最大値と配線に対応してグランドプレーンから生ずるコモンモード（ＣＭ）放射量の最大値との和に相当する放射量を主（ＭＡＪ）放射量として算出する演算手段とを備えている。

この際、主（ＭＡＪ）放射量を算出する具体的構成として、演算手段に、第２の設計情報に基づき配線のディファレンシャルモード（ＤＭ）放射量を算出するＤＭ放射量算出手段と、第２の設計情報に基づき配線のコモンモード（ＣＭ）放射量とディファレンシャルモード（ＤＭ）放射量との比を示すＣＭ放射量比を算出するＣＭ放射量比算出手段と、このＣＭ放射量比算出手段で算出されたＣＭ放射量比に基づいて配線の主（ＭＡＪ）放射量とディファレンシャルモード（ＤＭ）放射量との比を示すＭＡＪ放射量比を算出するＭＡＪ放射量比算出手段と、ＭＡＪ放射量比算出手段で算出されたＭＡＪ放射量比とＤＭ放射量算出手段で算出されたディファレンシャルモード（ＤＭ）放射量とに基づいて配線の主（ＭＡＪ）放射量を算出するＭＡＪ放射量算出手段とを設けてもよい。

また、本発明にかかるプリント回路基板設計支援方法は、
プリント回路基板に形成されている配線に起因して生ずる電磁放射の放射量を算出することによりプリント回路基板の設計を支援するプリント回路基板設計支援装置で用いられるプリント回路基板設計支援方法であって、入力手段により、プリント基板に形成されているグランドプレーンと配線に関する第１の設計情報を入力し、第１の記憶手段により、入力手段で入力された第１の設計情報を記憶し、抽出手段により、第１の設計情報から所望の配線に関する第２の設計情報を抽出し、第２の記憶手段により、抽出手段で抽出した第２の設計情報を記憶し、演算手段により、第２の記憶手段から第２の設計情報を読み出し、この第２の設計情報に基づいて配線から生ずる電磁放射のディファレンシャルモード（ＤＭ）放射量を算出し、第２の設計情報に基づいて配線に対応してグランドプレーンから生ずるコモンモード（ＣＭ）放射量とディファレンシャルモード（ＤＭ）放射量との比を示すＣＭ放射量比を算出し、このＣＭ放射量比に基づいて配線に起因して生ずる電磁放射全体の主な放射量を示す主（ＭＡＪ）放射量とディファレンシャルモード（ＤＭ）放射量との比を示すＭＡＪ放射量比を算出し、このＭＡＪ放射量比とディファレンシャルモード（ＤＭ）放射量とに基づいて主（ＭＡＪ）放射量を算出するようにしたものである。

また、本発明にかかるプログラムは、前述した本発明にかかるプリント回路基板設計支援方法の各手順をプリント回路基板設計支援装置に設けられたコンピュータで実行させるためのものである。なお、プログラムの各ステップについては、前述した本発明にかかるプリント回路基板設計支援方法の各手順と同一であり、ここでの説明は省略する。

上記のとおりの本発明においては、以下のような作用により上述の課題が解決される。
まず、プリント回路基板からの電磁放射が信号配線からのディファレンシャルモード（ＤＭ）放射とグランドプレーンからのコモンモード（ＣＭ）放射の合成であることを、図を参照して説明する。

図１３にプリント回路基板の一例を示す。本基板３０は、信号層−グランド層−電源層−信号層で構成した４層プリント回路基板で、その大きさは２１０ｍｍ（横）×１００ｍｍ（縦）×１．６ｍｍ（厚さ）である。第１層の信号層に水晶発振器３１、ＬＳＩ３２、負荷容量３３およびそれらをつなぐ信号配線３４を設け、水晶発振器３１からＬＳＩ３２に４０ＭＨｚのクロック信号を入力し、ＬＳＩ３２から１６個ある７ｐＦ（ピコファラッド）の負荷容量３３に２０ＭＨｚの矩形波信号を出力する回路構成となっている。この他、第１層の信号層には、ＬＳＩ３２の隣接領域に初期化回路３５が設けられている。

本基板３０からの放射は、平行に並んだ１６本の信号配線３４が同時動作することから、これらの信号配線３４からの放射と本基板３０内層のグランドプレーン（図示せず）からの放射の合成と考えられる。不要な電磁放射で問題とする３０ＭＨｚ〜１ＧＨｚの範囲では、この信号配線３４の長さが約３ｃｍと１ＧＨｚの１／１０波長に相当するため、この信号配線３４は微小ループアンテナとして働く。この微小ループアンテナからの放射がＤＭ放射である。
一方、グランドプレーンは信号配線に沿った方向に励振されるため、グランドプレーン長辺がダイポールアンテナとして働く。このダイポールアンテナによる放射がＣＭ放射である。これら２つのアンテナからの放射が合成されることで、プリント回路基板からの最大放射が決まる。

図１４〜１６に本基板の放射パターンの測定結果を示す。本結果は床面にも電波吸収体を敷き詰めた６面電波暗室内に基板を配置して測定した電界強度の放射パターンである。基板と測定アンテナとの距離を３ｍ、基板と測定アンテナの高さをともに１．５ｍとし、基板を床面と平行な面内で３６０度回転させながら測定した。図１４は基板面を床面に水平に配置した場合、図１５は基板長辺を床面に垂直に配置した場合、図１６は基板短辺を床面と垂直に配置した場合の結果である。各図１４〜１６中には、ＤＭ放射、ＣＭ放射それぞれの放射パターン概念図がともに示されている。放射レベルの最も高い５２０ＭＨｚ成分の結果である。実線は水平偏波成分、破線は垂直偏波成分を示す。図１４の場合、ＤＭ放射の主偏波は垂直偏波、ＣＭ放射の主偏波は水平偏波となる。測定結果も形状、偏波ともＤＭ放射、ＣＭ放射の概念図と一致している。そのため、この観測面の水平偏波および垂直偏波の最大値が、ＣＭ放射の最大値およびＤＭ放射の最大値を示すことになる。

図１５の場合、ＤＭ放射、ＣＭ放射とも主偏波は垂直偏波となる。そのため、測定結果も主偏波が垂直偏波となる。そのため、測定結果も主偏波が垂直偏波となり、θ＝０゜ではＤＭ放射の最大値とＣＭ放射の最大値の合成となり、最もレベルが高くなっている。また、図１６の場合、ＤＭ放射、ＣＭ放射とも主偏波は水平偏波となる。そのため、測定結果も主偏波が水平偏波となり、φ＝０゜ではＤＭ放射の最大値とＣＭ放射の最大値の合成となり、最もレベルが高くなっている。
ここで測定している電磁波（３０ＭＨｚ〜１ＧＨｚ）では、より波長の短い光とは異なり、特定の位置でそのレベルが急激に大きくなることはほとんどない。そのため、この３つの直交する観測面を見ることで、本基板からの最大放射レベルは抜けなく観測されることになる。また図１５の観測面θ＝０゜における垂直偏波（Ｅφ）と図１６の観測面φ＝０゜における水平偏波（Ｅφ）は、ちょうど同じ位置の同じ偏波である。この位置に図１５および図１６の最もレベルの高い位置がくるので、これらが本基板からの最大放射を示すことになる。

以上をまとめると、図１４の垂直偏波はＤＭ放射、水平偏波はＣＭ放射、図１５の垂直偏波と図１６の水平偏波はＤＭ放射とＣＭ放射の合成を表現していることがわかる。さらに、ＤＭ放射とＣＭ放射が合成される観測面での最大値が本プリント回路基板からの最大放射となっている。

以上の考察から、本発明者は、十分短い信号配線を扱う場合には、プリント回路基板のからの電磁放射の偏波特性によってＤＭ放射、ＣＭ放射、ＤＭ放射とＣＭ放射の合成による最大放射、すなわち、当該信号配線に起因して生ずる電磁放射の主な放射量を示す主（ＭＡＪ）放射量とが分離できることを見出した。図１７、図１８、図１９は、この考えに基づき、ＤＭ放射量に対するＣＭ放射量の比率（ＣＭ／ＤＭ）、ＤＭ放射量に対する主放射量の比率（ＭＡＪ／ＤＭ）を示した結果である。測定条件は図１４と図１７、図１５と図１８、図１６と図１９に対応する。
図中、「■」（四角（黒））は放射電界の測定結果から上記係数を求めた結果、実線は市販のＦＤＴＤ（Finite Difference Time Domain）電磁界シミュレータによって求めた結果である。

電磁界シミュレーションでは、プリント回路基板のグランドプレーンを、その平面の大きさは同じで厚さが無限小の完全導体板、ＬＳＩと負荷容量とをつなぐ配線部分を太さ無限小の完全導体棒、ＬＳＩの半導体チップを電圧源、負荷容量をその抵抗分として１オームとしてモデル化した。それ以外の例えば基板材である薄い誘電体などは無視して計算した。また、シミュレーション条件として、吸収境界条件には、１０層のＰＭＬ（Perfect Matched Layer）を用いた。また、入力パルスとしてはガウシアンパルスを用いた。これらの条件のもと、２０ＭＨｚピッチで２００ＭＨｚから１ＧＨｚまで放射パターンを計算し、その偏波特性からＤＭ放射成分、ＣＭ放射成分、この両者の和である最大放射成分を抽出し、ＣＭ／ＤＭの比率、ＭＡＪ／ＤＭの比率を求めた結果である。両者のエンベロープが広帯域で良く一致しており、上記考えが広帯域で適用できることが確認できる。

ＤＭ放射量は、信号配線の形状や流れる電流値によって決まるため、信号配線の位置には依存しない。これに対し、ＣＭ放射量やＣＭ放射量を含む主放射量は信号配線の位置に大きく依存する。そのため、ＣＭ／ＤＭ特性やＭＡＪ／ＤＭ特性は、ＣＭ放射量もしくは主放射量の位置依存性を表す係数となる。図２０は、長さ１０ｍｍの信号配線を２１０ｍｍ×１００ｍｍのグランドプレーン上の中央に配置した場合と、長辺方向に対しては中心位置でかつこの配線と平行なグランドプレーン端からは５ｍｍの位置に配置した場合のＣＭ／ＤＭ特性である。先と同じ方法で電磁界シミュレーションにより求めた結果である。前述した文献２にあるように、信号配線がグランドプレーン端に近づくほど、広帯域でＣＭ放射が増えることを表している。ただし、信号配線の位置が変わってもピーク周波数は変わらない。これはグランドプレーンの形状が決まると自ずとグランドプレーンによる放射のピーク周波数が決まることを意味する。

図２１は、同じく電磁界シミュレーションによって求めた結果であるが、ＣＭ／ＤＭ特性のピーク周波数において、信号配線のグランドプレーン幅方向の位置とＣＭ／ＤＭ特性の関係を計算した結果である。信号配線がグランドプレーン端に近づくにつれてＣＭ／ＤＭの値が指数関数的に増加している。

本発明者は、プリント回路基板のグランドプレーンの形状、配線の位置を変えながら、上記と同様の測定や計算を繰り返し、グランドプレーンの大きさや配線の位置を変えた場合に、ＣＭ／ＤＭ特性およびＭＡＪ／ＤＭ特性がどのように変化するか詳細に調べた。その結果、グランドプレーンの大きさが決まると、その縦横の長さａ，ｂと信号配線のグランドプレーン端からの距離ｄによってＣＭ／ＤＭ特性、およびＭＡＪ／ＤＭ特性が簡単な計算式で表現できることを見出した。そして、この計算式を用いれば、いかなる大きさの矩形グランドプレーンであっても、信号配線の位置が決まると、その位置におけるＣＭ／ＤＭ特性およびＭＡＪ／ＤＭ特性が求まることを発見した。

一方、ＤＭ放射量は、信号配線の形状と流れる電流値が決まれば、簡単な理論式によって求められることが知られている。

したがって、この計算式を用いてグランドプレーンの形状と信号配線の位置との関係から、ＣＭ／ＤＭ特性およびＭＡＪ／ＤＭ特性を求め、別途、信号配線のＤＭ放射量を求めれば、この両者によりその信号配線に対応して生ずるグランドプレーンからのＣＭ放射量およびその信号配線に起因して生ずる電磁放射全体の主放射量を容易かつ短時間で算出できる。例えば、図１７から図１９に示した電磁界シミュレーションによるＣＭ／ＤＭの比率やＭＡＪ／ＤＭの比率の計算結果では、Ｉｎｔｅｌ製ＣＰＵのＰｅｎｔｉｕｍIII（商標登録）、クロック周波数１ＧＨｚのパーソナルコンピュータを用いて約４８時間かかった。これに対し、この式を用いれば、ピーク周波数での値だけであるが、１秒以下で求めることができた。

上記考えに基づいて放射量を計算すれば、基板の設計段階において、信号配線の位置に依存した、プリント回路基板からの放射量を把握することができる。また、信号配線からのＤＭ放射だけを考慮した従来方法に比べ、プリント回路基板からの放射量をより正確に予測することができる。また、より正確に求めた放射量により、電磁放射を抑えたプリント回路基板をより正確に設計することが可能となる。

本発明によれば、プリント回路基板の配線に起因して生ずる電磁放射全体の主な放射量を示す主（ＭＡＪ）放射量として、ディファレンシャルモード（ＤＭ）放射量とコモンモード（ＣＭ）放射量との和に相当する放射量を算出するようにしたので、従来のようにディファレンシャルモード（ＤＭ）放射量のみを扱う場合と比較して、各配線ごとにその電磁放射の放射量を正確に計算できる。したがって、電磁放射を抑えた配線設計を容易かつ短時間で行うことが可能となる。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は本発明の一実施の形態にかかるプリント回路基板設計支援装置の構成を示すブロック図である。
プリント回路基板設計支援装置１は、グランドプレーンを有するプリント回路基板、このプリント回路基板に形成された配線、およびこのプリント回路基板に実装される部品のそれぞれに関する設計情報を基にして、そのプリント回路基板の配線に起因して生ずる電磁放射の放射量を算出することによりプリント回路基板の設計を支援する装置である。このプリント回路基板設計支援装置１は、入力装置２、記憶装置３、データ処理装置４、出力装置５およびプログラム４ａから構成されている。

入力装置２は、上記放射量を算出するのに必要な各種情報を入力するための装置である。この入力装置２には、プリント回路基板の外形寸法、層構成、部品や配線の形状や位置や電気定数などの、基板、部品および配線に関する設計情報を入力する入力手段ａ６、電磁放射量を計算する配線を指定するためにその配線名を入力する入力手段ｂ７、および各配線によって生ずる主放射量の限度を示す、各配線で共通の限度値を入力する入力手段ｃ８が設けられている。
記憶装置３は、上記放射量を算出するのに必要な各種情報を記憶するための装置である。この記憶装置３には、入力手段ａ６によって入力された基板、部品および配線に関する設計情報を記憶する記憶手段ａ９、後述する抽出手段１３が入力手段ｂ７で入力した配線名に基づいて記憶手段ａ９より抽出した、電磁放射量を計算する配線に関する設計情報を記憶する記憶手段ｂ１０、後述する演算手段１４の計算結果である主放射量、ＣＭ放射量、ＤＭ放射量を記憶する記憶手段ｃ１１、および入力手段ｃ８によって入力した各配線によって生ずる主放射量の限度値を記憶する記憶手段ｄ１２が設けられている。

データ処理装置４は、全体としてコンピュータからなり、ＣＰＵなどのマイクロプロセッサとその周辺回路からなるハードウェア資源と、プログラム４ａとを協働させることにより、入力装置２により入力された各種情報や記憶装置３に記憶されている各種情報に基づき所望の放射量を算出する。このデータ処理装置４には、記憶手段ａ９に記憶された設計情報の中から、入力手段ｂ７より指定された配線名に基づいて、電磁放射量を計算する配線の情報を抽出し、その結果を記憶手段ｂ１０に出力する抽出手段１３、記憶手段ｂ１０に記憶した配線情報を基に、これらの配線の主放射量、ＣＭ放射量、ＤＭ放射量を算出し、それらの結果を記憶手段ｃ１１に出力する演算手段１４、および記憶手段ｃ１１に記憶した演算結果と記憶手段ｄ１２に記憶した主放射量の限度値とを比較し、その比較結果を後述する出力装置５に出力する比較手段１５が設けられている。

出力装置５は、比較手段１５の結果を出力することにより、当該プリント回路基板からの電磁放射の放射量が所望の限度値を満足しているかどうかを報知するための装置である。
プログラム４ａは、データ処理装置４に読み込まれ、そのコンピュータで所望の放射量の算出処理を実行させるためのプログラムである。このプログラム４ａは、ＣＤ−ＲＯＭやフレキシブルディスクなどの記録媒体に格納されており、必要に応じてデータ処理装置４に接続された記憶装置３やハードディスクなどのデータ蓄積装置（図示せず）に予め転送し、ここからデータ処理装置４へ読み込むようにしてもよい。

データ処理装置４の演算手段１４には、所望の放射量を算出するための機能手段が設けられており、これら機能手段は上記ハードウェア資源とプログラム４ａとが協働して実現される。
これら機能手段としては、プリント回路基板に形成されている配線から生ずる電磁放射のディファレンシャルモード放射量（以下、ＤＭ放射量という）を算出するＤＭ放射量算出手段１６、配線に対応してプリント回路基板のグランドプレーンから生ずる電磁放射のコモンモード放射量（以下、ＣＭ放射量という）とＤＭ放射量との比を示すＣＭ放射量比（ＣＭ／ＤＭ）を算出するＣＭ放射量比算出手段１７、配線に起因して生ずる電磁放射全体の主な放射量を示す主放射量（以下、ＭＡＪ放射量という）とＤＭ放射量との比を示すＭＡＪ放射量比（ＭＡＪ／ＤＭ）を算出する，ＭＡＪ放射量比算出手段１８、ＣＭ放射量比とＤＭ放射量とからＣＭ放射量を算出するＣＭ放射量算出手段１９、およびＭＡＪ放射量比とＤＭ放射量とからＭＡＪ放射量を算出するＭＡＪ放射量算出手段２０が設けられている。

次に、図２を参照して、本実施の形態にかかるプリント回路基板支援装置の動作について説明する。図２は本実施の形態にかかるプリント回路基板支援装置の動作を示すフローチャートである。

（Ｓ１）まず、入力手段ａ６によって、基板、部品および配線に関する設計情報を本装置１に取り込む。
（Ｓ２）記憶手段ａ９によって、上記情報を記憶する。
（Ｓ３）入力手段ｂ７によって、電磁放射を計算する配線名を入力する。
（Ｓ４）抽出手段１３によって、上記配線名に対応した配線情報およびその配線と関係する基板、部品情報を記憶手段ａ９から抽出する。
（Ｓ５）記憶手段ｂ１０によって、上記抽出結果を記憶する。
（Ｓ６）演算手段１４によって、記憶手段ｂ１０に記憶された情報をもとにこの対象としている配線による主放射量、ＣＭ放射量、ＤＭ放射量を計算する。
（Ｓ７）記憶手段ｃ１１によって、計算した各放射量を記憶する。

（Ｓ８）入力手段ｃ８によって、各配線で共通な主放射量の限度値を入力し、その値を記憶手段ｄ１２に記憶する。
（Ｓ９）比較手段１５によって、記憶手段ｃ１１に記憶した主放射量の計算結果と、記憶手段ｄ１２に記憶した主放射量の限度値との大小を比較する。
（Ｓ１０）上記比較結果と各配線の主放射量、ＣＭ放射量、ＤＭ放射量を出力装置５に出力し、本動作が終了する。

（Ｓ１）で取り込む設計情報とは、具体的には、基板、部品および配線の外形寸法、層構成、位置の情報や、基板材の情報や、部品の電気回路情報などである。基板、部品および配線の外形寸法、層構成、位置の情報としては、その名前と対象物の各頂点でのＸ，Ｙ，Ｚ座標データなどを取り込む。これによりグランドプレーンの大きさについても取り込まれる。基板材の情報としては、その材料名とその材料の比誘電率、比透磁率、導電率の値などを取り込む。
パッシブ部品の電気回路情報としては、その部品名と端子名と端子間の抵抗値、インダクタンス値、キャパシタンス値、コンダクタンス値などを取り込む。アクティブ部品の電気回路情報としては、その部品名と端子名とその端子における電流−電圧特性、出力波形の立ち上がり／立ち下がり時間、振幅、パルス幅、デューティー比などを取り込む。

（Ｓ３）と（Ｓ４）において、電磁放射を計算する配線の情報およびこの配線に関係する基板や部品の情報を抽出する具体的な方法としては、例えば、入力手段ｂ７としてキーボード用い、このキーボードより計算する配線名を入力し、抽出手段１３により、この配線に関係する基板、部品、配線情報を記憶手段ａ９より抽出してもよい。または、抽出手段１３に検索機能を用意し、記憶手段ａ９に記憶された配線情報の中から、「ＣＬＫ」などの文字列を含む配線名を検索して、その配線に関係する設計情報を抽出してもよい。または、入力装置として表示装置とマウスを用い、記憶手段ａ９に記憶した設計情報を２次元もしくは３次元の図面としてこの表示装置に表示し、その中で計算させたい配線をマウスで指定することで、計算させたい配線名を入力し、その配線に関係する設計情報を記憶手段ａ９から抽出してもよい。または、上記方法の組み合わせでもよい。

次に、図３および図４を参照して、（Ｓ６）における主放射量の計算処理について詳細に説明する。図３は（Ｓ６）内の詳細な動作を示すフローチャートである。図４〜１０は（Ｓ６）の動作を示す概念図である。
（Ｓ６−１）ＤＭ放射量算出手段１６において、記憶手段ｂ１０に記憶した配線情報およびその配線に関係する部品や基板の情報の中から、ＤＭ放射量を計算する配線を選ぶ（図４参照）。図４の例では、グランドプレーン２１と対向して形成される信号配線２２に関する情報が選択されている。
（Ｓ６−２）この配線を直交する２方向Ｘ，Ｙに沿って、Ｘ、Ｙ各座標成分の要素（Ｎ_X1、Ｎ_Y1、Ｎ_X2）に分割する（図５参照）。図５の例は、図４に示した信号配線２２をＸ、Ｙ各座標成分で分割したものである。

（Ｓ６−３）各配線要素の長さ（Ｌ_X1、Ｌ_Y1、Ｌ_X2）を抽出する（図６参照）。図６の例は、図５に示したＸ、Ｙ各座標成分の要素Ｎ_X1、Ｎ_Y1、Ｎ_X2のそれぞれの長さＬ_X1、Ｌ_Y1、Ｌ_X2を抽出したものである。
（Ｓ６−４）この配線と対向するグランドプレーンの２方向の幅（ａ、ｂ）を抽出する（図７参照）。図７の例では、図４に示したグランドプレート２１のＹ方向、Ｘ方向のそれぞれの幅ａ、ｂが示されている。
（Ｓ６−５）各配線要素からそれと平行なグランドプレーン端までの距離（ｄ_X1、ｄ_Y1、ｄ_X2）を抽出する（図８参照）。図８の例では、信号配線２２の要素Ｎ_X1、Ｎ_X2からグランドプレーン２１の下側（図面に向かって下側）の端までの距離がそれぞれｄ_X1、ｄ_X2で示され、信号配線２２の要素Ｎ_Y1からグランドプレーン２１の左側（図面に向かって左側）の端までの距離がｄ_Y1で示されている。

（Ｓ６−６）ＤＭ放射量算出手段１６において、各配線要素によるＤＭ放射量（Ｅ_DM（Ｌ_X1）、Ｅ_DM（Ｌ_Y1）、Ｅ_DM（Ｌ_X2））を算出するとともに、配線全体のＤＭ放射量を求める（図９参照）。図９の例では、図５に示したＸ、Ｙ各座標成分の要素Ｎ_X1、Ｎ_Y1、Ｎ_X2についてそれぞれＤＭ放射量（Ｅ_DM（Ｌ_X1）、Ｅ_DM（Ｌ_Y1）、Ｅ_DM（Ｌ_X2））を計算している。
（Ｓ６−７）ＣＭ放射量比算出手段１７において、各配線要素におけるＣＭ放射量比（ＣＭ／ＤＭ）を計算するとともに、ＭＡＪ放射量比算出手段１８において、各配線要素におけるＭＡＪ放射量比（ＭＡＪ／ＤＭ）を算出する（図１０参照）。図１０の例では、図５に示したＸ、Ｙ各座標成分の要素Ｎ_X1、Ｎ_Y1、Ｎ_X2についてそれぞれＣＭ／ＤＭおよびＭＡＪ／ＤＭを算出している。

（Ｓ６−８）ＣＭ放射量算出手段１９において、各配線要素のＤＭ放射量とＣＭ／ＤＭとから各配列要素のＣＭ放射量を算出し、配線全体のＣＭ放射量を求める。また、ＭＡＪ放射量計算手段２０において、各配線要素のＤＭ放射量とＭＡＪ／ＤＭとから各配列要素のＭＡＪ放射量を算出し、配線全体のＭＡＪ放射量を求める。
（Ｓ６−９）他に放射量を計算する配線が残っていれば（Ｓ６−１）に戻り、なければ（Ｓ６）を終了する。

なお、個別の記載は省略しているが、本発明のＤＭ放射量算出手段１６では、各配線要素のＤＭ放射量としてその最大値を求めている。またＣＭ放射量比算出手段１７では、ＣＭ放射量の最大値とＤＭ放射量の最大値との比をＣＭ放射量比とし、ＭＡＪ放射量比算出手段１８でも、ＭＡＪ放射量の最大値とＤＭ放射量の最大値との比をＭＡＪ放射量比としている。したがって、ＤＭ放射量算出手段１９およびＭＡＪ放射量算出手段２０で算出されるＤＭ放射量および主放射量も、それぞれ最大値を示すことになる。

ＤＭ放射量算出手段１６では、上記（Ｓ６−６）における各配線要素のＤＭ放射量（Ｅ_DM（Ｌ，ｆ））は次式より求める。

………式（１）
ここで、Ｌは配線要素の長さ、ｈはグランドプレーンから配線までの高さ、ｒは放射量の観測距離、Ｉ（ｆ）は電流値、ｆは周波数である。配線長ｌや配線高さｈは基板の設計情報から抽出できる。観測距離ｒは電磁放射の規格から３ｍもしくは１０ｍが基本である。この式は公知の式である。例えば、PROCEEDINGS OF 1987 IEEE INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY ”RADIATED EMISSIONS FROM COMMON-MODE CURRENTS”などに紹介されている。電流値Ｉ（ｆ）を求める方法としては色々な方法があるが、例えば、信号配線の送信側ＩＣの出力端子での電流として定義し、次式より求める方法がある。

………式（２）
ここで、Ｖ（ｆ）は送信側ＩＣの出力電圧スペクトル、Ｚ（ｆ）は送信ＩＣの出力端子から受信側を見た入力インピーダンスである。

送信ＩＣの矩形の出力電圧スペクトルＶ（ｆ）は次式で定義できる。

………式（３）
ここで、ｎは整数、ｆ₀は電圧波形の基本繰り返し周波数、Ｖは電圧波形の振幅、ｄｕｔｙは電圧波形のデューティ比、ｔ_rは電圧波形の立ち上がり／立ち下り時間である。

一方、送信ＩＣの出力端子から受信側を見た入力インピーダンスＺ（ｆ）は次式で定義される。

………式（４）
ここで、Ｚ_outは送信ＩＣの出力インピーダンス、Ｒ_dampは送信ＩＣに直列につながるダンピング抵抗、Ｚ_loadは受信側ＩＣの負荷インピーダンス、Ｚ_cは配線の特性インピーダンス、β（ｆ）は信号配線における位相定数である。

これらの関係式を用いることで、送信ＩＣから矩形の電圧波形を入力した場合の配線電流Ｉ（ｆ）、およびこの配線電流における距離ｒでのＤＭ放射量（Ｅ_DM（Ｌ，ｆ））を求めることができる。

ＭＡＪ放射量比算出手段１８およびＣＭ放射量比算出手段１７では、上記（Ｓ６−７）の各配線要素におけるＭＡＪ／ＤＭおよびＣＭ／ＤＭは、各配線要素のＭＡＪ／ＤＭ特性およびＣＭ／ＤＭ特性がピークをとる周波数におけるＭＡＪ／ＤＭおよびＣＭ／ＤＭの値である。ＭＡＪ／ＤＭは、各配線要素と対向するグランドプレーンの、配線要素と平行な方向の幅をａ、直交する方向の幅をｂとすると、このａ、ｂとグランドプレーン端から配線要素までの距離ｄの関数として、次式より求めることができる。

………式（５）
この式は、最大（ＭＡＪ）放射量がＤＭ放射量とＣＭ放射量の単純な和として表せることを表現している。この関係は、先に説明した図１４から図１６の結果に基づいたもので、本発明者が見いだしたものである。
また、ＣＭ／ＤＭ（ａ，ｂ，ｄ）は次式より求めることができる。

………式（６）
この式は、配線がグランドプレーン端に近づくほど、ＣＭ／ＤＭの値が指数関数的に増加することを示している。このように、この関係式を指数関数で表現したのは、先に説明した図２１や、後述する図１１、図１２の電磁界シミュレーション結果にあるように、ＣＭ／ＤＭの比率が、配線パターンとグランドプレーン端との距離が近づくほど、指数関数的に増加する結果を、測定および電磁界シミュレーションから得たためである。ここで、１０の階乗の式になっているのは、ｄＢ（デービー）をリニアに変更するためである。

また、ｙ₀（ａ，ｂ）、ｔ（ａ，ｂ）は次式で表現できる。

………式（７）

………式（８）
ここで、ｙ₀（ａ，ｂ）はグランドプレーン中央に配線を配置した場合のＣＭ／ＤＭ［ｄＢ］の値で、グランドプレーンの幅ａとｂによって決まる。また、ｔ（ａ，ｂ）は式（６）の指数関数の傾きを決める係数で、これもａとｂによって決まる。式（７）、（８）は、後述する図１１、図１２の結果を元にして作成した。グランドプレーンの縦横比（ａ／ｂ）が変わらない場合には、グランドプレーン中央でのＣＭ／ＤＭの比率が変わらないことを、本発明者が見いだしたためである。

ＣＭ放射量比算出手段１９、ＭＡＪ放射量算出手段２０およびＤＭ放射量算出手段１６では、以上の関係式を用いることで、上記（Ｓ６−８）における主放射量、ＣＭ放射量、ＤＭ放射量は次式より求められる。

………式（９）

………式（１０）

………式（１１）
ここで、放射量Ｅ_MAJ、Ｅ_CM、Ｅ_DMはそれぞれＸ、Ｙ座標ごとに求める。Ｅ_DM（Ｌ）はＥ_DM（Ｌ，ｆ）が最も高くなる周波数ｆにおける値とした。

次に、（Ｓ９）における比較方法について説明する。上記（Ｓ６）では、Ｘ、Ｙ座標ごとに主放射量を計算したので、その中で値の大きいものと記憶手段ｄ１２に記憶した限度値とを比較する。

（Ｓ１０）での結果の出力方法としては、例えば、表示装置を有する出力装置を用い、各配線に起因して生ずる電磁放射の主放射量、グランドプレーンからのＣＭ放射量、配線自身からのＤＭ放射量の各値を表示する。または、主放射量、ＣＭ放射量もしくはＤＭ放射量の大きい順に配線を列挙し、配線ごとに上記３つの放射量を表示する。または、プリント回路基板の基板、部品、配線の位置情報を２次元もしくは３次元の構造として表示装置に表示し、放射量を計算した配線を各放射量の高低によって色分けして表示する。または、これらを組み合わせて表示する。

図１１にＣＭ／ＤＭの配線位置依存性を示し、図１２にＭＡＪ／ＤＭの配線位置依存性を示す。これらの図の中で、「計算式」とは式（５）〜（８）を用いて計算した結果、「シミュ」とは電磁界シミュレーションによる結果を意味する。電磁界シミュレーションによる計算条件は、先に示した図１７から図２１と同じである。
グランドプレーンの大きさが３００ｍｍ×１００ｍｍ、３００ｍｍ×２００ｍｍ、３００ｍｍ×３００ｍｍの場合について計算した結果である。グランドプレーン端の真上では多少差があるが、それ以外の位置においてＣＭ／ＤＭ、ＭＡＪ／ＤＭとも、計算結果とシミュレーション結果がよく一致していることが確認できる。また、この電磁界シミュレーションによる計算時間は、各点に対して約４８時間かかったが、この計算式を用いれば、それが各点に対して１秒以下であった。

本発明の一実施の形態にかかるプリント回路基板設計支援装置の構成を示すブロック図である。 図１に示すプリント回路基板設計支援装置の動作を説明するためのフローチャート図である。 図２に示すステップＳ６を詳細に説明するためのフローチャート図である。 図３に示すステップＳ６−１を詳細に説明するための概念図である。 図３に示すステップＳ６−２を詳細に説明するための概念図である。 図３に示すステップＳ６−３を詳細に説明するための概念図である。 図３に示すステップＳ６−４を詳細に説明するための概念図である。 図３に示すステップＳ６−５を詳細に説明するための概念図である。 図３に示すステップＳ６−６を詳細に説明するための概念図である。 図３に示すステップＳ６−７を詳細に説明するための概念図である。 図１に示すプリント回路基板設計支援装置による計算結果と電磁界シミュレーション結果との比較結果を示す図である。 図１に示すプリント回路基板設計支援装置による計算結果と電磁界シミュレーション結果との比較結果を示す図である。 本発明に適用可能なプリント回路基板の一例を示す模式図である。 基板面を水平に配置した場合の放射パターンの一例を示す模式図である。 基板長辺を垂直に配置した場合の放射パターンの一例を示す模式図である。 基板短辺を垂直に配置した場合の放射パターンの一例を示す模式図である。 ＣＭ／ＤＭの周波数特性を示す図である。 ＭＡＪ／ＤＭの周波数特性を示す図である。 ＭＡＪ／ＤＭの周波数特性を示す図である。 ＣＭ／ＤＭの位置依存性を示す図である。 ＣＭ／ＤＭの位置依存性を示す図である。 従来技術を説明するための図である。 従来技術を説明するための図である。 従来技術を説明するための図である。

符号の説明

１…プリント回路基板設計支援装置、２…入力装置、３…記憶装置、４…データ処理装置、４ａ…プログラム、５…出力装置、６…入力手段ａ、７…入力手段ｂ、８…入力手段ｃ、９…記憶手段ａ、１０…記憶手段ｂ、１１…記憶手段ｃ、１２…記憶手段ｄ、１３…抽出手段、１４…演算手段、１５…比較手段、１６…ＤＭ放射量算出手段、１７…ＣＭ放射量比算出手段、１８…ＭＡＪ放射量比算出手段、１９…ＣＭ放射量算出手段、２０…ＭＡＪ放射量算出手段、２１…グランドプレーン、２２，３４…信号配線、３０…プリント回路基板、３１…水晶発振器、３２…ＬＳＩ、３３…負荷容量、３５…初期化回路。

Claims (4)

1. プリント回路基板に形成されている配線に起因して生ずる電磁放射の放射量を算出することにより前記プリント回路基板の設計を支援するプリント回路基板設計支援装置であって、
   プリント基板に形成されているグランドプレーンと配線に関する第１の設計情報を入力する入力手段と、
   前記入力手段により入力された第１の設計情報を記憶する第１の記憶手段と、
   前記第１の設計情報から所望の配線に関する第２の設計情報を抽出する抽出手段と、
   前記抽出手段で抽出した前記第２の設計情報を記憶する第２の記憶手段と、
   前記第２の記憶手段から前記第２の設計情報を読み出し、この第２の設計情報に基づいて前記配線から生ずる電磁放射のディファレンシャルモード（ＤＭ）放射量の最大値と前記配線に対応して前記グランドプレーンから生ずるコモンモード（ＣＭ）放射量の最大値との和に相当する放射量を、前記配線に起因して生ずる電磁放射全体の主な放射量を示す主（ＭＡＪ）放射量として算出する演算手段と
   を備えることを特徴とするプリント回路基板設計支援装置。
2. 請求項１記載のプリント回路基板設計支援装置において、
   前記演算手段は、
   前記第２の設計情報に基づき前記配線のディファレンシャルモード（ＤＭ）放射量を算出するＤＭ放射量算出手段と、
   前記第２の設計情報に基づき前記配線のコモンモード（ＣＭ）放射量とディファレンシャルモード（ＤＭ）放射量との比を示すＣＭ放射量比を算出するＣＭ放射量比算出手段と、
   このＣＭ放射量比算出手段で算出されたＣＭ放射量比に基づいて前記配線の主（ＭＡＪ）放射量とディファレンシャルモード（ＤＭ）放射量との比を示すＭＡＪ放射量比を算出するＭＡＪ放射量比算出手段と、
   前記ＭＡＪ放射量比算出手段で算出されたＭＡＪ放射量比と前記ＤＭ放射量算出手段で算出されたディファレンシャルモード（ＤＭ）放射量とに基づいて前記配線の主（ＭＡＪ）放射量を算出するＭＡＪ放射量算出手段と
   を有することを特徴とするプリント回路基板設計支援装置。
3. プリント回路基板に形成されている配線に起因して生ずる電磁放射の放射量を算出することにより前記プリント回路基板の設計を支援するプリント回路基板設計支援装置で用いられるプリント回路基板設計支援方法であって、
   入力手段により、プリント基板に形成されているグランドプレーンと配線に関する第１の設計情報を入力し、
   第１の記憶手段により、前記入力手段で入力された第１の設計情報を記憶し、
   抽出手段により、前記第１の設計情報から所望の配線に関する第２の設計情報を抽出し、
   第２の記憶手段により、前記抽出手段で抽出した前記第２の設計情報を記憶し、
   演算手段により、前記第２の記憶手段から第２の設計情報を読み出し、この第２の設計情報に基づいて前記配線から生ずる電磁放射のディファレンシャルモード（ＤＭ）放射量を算出し、前記第２の設計情報に基づいて前記配線に対応して前記グランドプレーンから生ずるコモンモード（ＣＭ）放射量とディファレンシャルモード（ＤＭ）放射量との比を示すＣＭ放射量比を算出し、このＣＭ放射量比に基づいて前記配線に起因して生ずる電磁放射全体の主な放射量を示す配線の主（ＭＡＪ）放射量とディファレンシャルモード（ＤＭ）放射量との比を示すＭＡＪ放射量比を算出し、このＭＡＪ放射量比と前記ディファレンシャルモード（ＤＭ）放射量とに基づいて前記主（ＭＡＪ）放射量を算出する
   ことを特徴とするプリント回路基板設計支援方法。
4. プリント回路基板に形成されている配線に起因して生ずる電磁放射の放射量を算出することにより前記プリント回路基板の設計を支援するプリント回路基板設計支援装置に設けられたコンピュータに、
   入力手段により、プリント基板に形成されているグランドプレーンと配線に関する第１の設計情報を入力する入力ステップと、
   第１の記憶手段により、前記入力手段で入力された第１の設計情報を記憶する第１の記憶ステップと、
   抽出手段により、前記第１の設計情報から所望の配線に関する第２の設計情報を抽出する抽出ステップと、
   第２の記憶手段により、前記抽出手段で抽出した前記第２の設計情報を記憶する第２の記憶ステップと、
   演算手段により、前記第２の記憶手段から第２の設計情報を読み出すステップと、この第２の設計情報に基づいて前記配線から生ずる電磁放射のディファレンシャルモード（ＤＭ）放射量を算出するＤＭ放射量算出ステップと、前記第２の設計情報に基づいて前記配線に対応して前記グランドプレーンから生ずるコモンモード（ＣＭ）放射量とディファレンシャルモード（ＤＭ）放射量との比を示すＣＭ放射量比を算出するＣＭ放射量比算出ステップと、このＣＭ放射量比算出ステップで算出されたＣＭ放射量比に基づいて前記配線に起因して生ずる電磁放射全体の主な放射量を示す主（ＭＡＪ）放射量とディファレンシャルモード（ＤＭ）放射量との比を示すＭＡＪ放射量比を算出するＭＡＪ放射量比算出ステップと、前記ＭＡＪ放射量比算出ステップで算出されたＭＡＪ放射量比と前記ＤＭ放射量算出ステップで算出されたディファレンシャルモード（ＤＭ）放射量とに基づいて前記配線の主（ＭＡＪ）放射量を算出するＭＡＪ放射量算出ステップと
   を実行させるためのプログラム。
   

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