JP4678381B2 - 電源供給装置 - Google Patents

Description

本発明は、電源プレーン間の電源供給装置、特にスイッチング素子のスイッチング動作に基づく電磁放射の低減方法に関するものである。

近年、回路の高速化に伴い、スイッチング素子による電源電圧変動が問題となっている。即ち、回路が高速化すると電源デカップリングコンデンサの接続部のＥＳＬ成分が顕在化し、電源のインピーダンスが高くなってしまうためである。また、電源電圧変動が大きくなると、それを励震源とし、電源プレーンとグランドプレーンをパッチアンテナとして電磁放射も増加してしまう。

この課題を回避するため、例えば、低ＥＳＬのデカップリングコンデンサを開発したり、或いはデカップリングコンデンサをスイッチング素子の近くにつけたりする等の対策が考えられている。

しかしながら、デカップリングコンデンサ実装時の接続配線を完全に無くしてしまうことは不可能であり、接続配線が残る限り高周波になればＥＳＬが発生してしまう。また、スイッチング素子の近くに配置する方法を採用してもデカップリングコンデンサが有限の大きさを有しており、他の素子を配置する必要もあることから完全に無くしてしまうことは不可能である。

また、他の対策としては、回路上のいくつかのスイッチング素子毎にクロックの周波数や位相を拡散させるスペクトル拡散クロック法がある。この方法はスイッチング時間を拡散させて同時にスイッチングするスイッチング素子を減らし、電源電圧変動を小さくするものである。

この方法によれば、電源電圧変動が小さくなり、電源電圧変動の周波数も拡散されるため、電磁放射を低減することができる。電磁放射の規格は各周波数成分の最大値が一定値以下となっているので、周波数を拡散することでも各周波数成分の最大値が平均化され、電磁放射を低減できる。

更に、他の関連する技術として、特開２００５−１７５０９７号公報に並列信号配線の伝搬遅延差を無くすため、配線をジグザグにして配線長を同じにすることが開示されている（特許文献２）。また、他の特開２００６−１８５９３６号公報には、電磁波ノイズ輻射を抑えるためにランプの駆動周波数を下げることが記載されている（特許文献３）。
特開２００６−１０６３３１号公報 特開２００５−１７５０９７号公報 特開２００６−１８５９３６号公報

上述のようなスイッチング素子毎にクロックの周波数や位相を拡散させるスペクトル拡散クロック法では、特許文献１に記載されているようにクロック周波数や位相を拡散する余分な回路が必要になってしまう。

また、特許文献２の方法は上述のように配線をジグザグにして配線長を同じにするものであるが、スイッチング素子のスイッチングによる電磁放射を低減するものではない。特許文献３の方法も同様にスイッチング素子のスイッチングによる電磁放射を低減するのには使用できない。

本発明の目的は、スイッチング電源のスイッチング動作に起因する電磁放射を簡単な構成で、効率良く低減することが可能な電源供給装置を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するため、スイッチング素子を有する島状分離された第１の電源プレーンと、前記第１の電源プレーンの周囲に配置された第２の電源プレーンとを有する電源供給装置であって、前記第１の電源プレーンと前記第２の電源プレーンとを、それぞれ、長さの異なる複数の線路又は比誘電率の異なる複数の線路によって接続し、前記複数の線路それぞれの伝播遅延時間を異ならせて、前記第１の電源プレーンのスイッチング素子による電源電圧変動成分の位相を複数にシフトさせて前記第２の電源プレーンに印加することを特徴とする。

また、本発明は、スイッチング素子を有する島状分離された第１の電源プレーンと、前記第１の電源プレーンの周囲に配置された第２の電源プレーンとを有する電源供給装置であって、前記第１の電源プレーンと前記第２の電源プレーンとを線路によって接続すると共に、前記線路の途中に長さの異なる複数のオープンスタブを接続して、前記第１の電源プレーンのスイッチング素子による電源電圧変動成分の位相を複数にシフトさせて前記第２の電源プレーンに印加することを特徴とする。

本発明によれば、第１の電源プレーンからの電源電圧変動成分を位相を複数にシフトさせて第２の電源プレーンに印加することにより、電磁放射の周波数成分を拡散させて平均化し、簡単な構成で効率良く電磁放射を低減できる。また、第１、第２の電源プレーンを接続する配線の途中に複数の長さの異なるオープンスタブを配置することにより同様に簡単な構成で効率良く電磁放射を低減できる。

次に、発明を実施するための最良の形態について図面を参照して詳細に説明する。まず、本発明は島状分離された第１の電源プレーンのスイッチング素子で発生するスイッチングノイズに基づく電源電圧変動のうちデカップリングコンデンサで除去できない成分を位相を複数にシフトさせて、第２の電源プレーンに印加することで電磁放射を低減する。第２の電源プレーン３は島状分離された第１の電源プレーンの周囲に配置された電源プレーンである。

具体的には、島状分離された第１の電源プレーン（ノイズ発生源であるスイッチング素子を有する電源プレーン）と、その周囲に配置された第２の電源プレーンとを複数の線路素子で接続し、複数の線路素子の伝搬遅延時間を異ならせる。そして、第１の電源プレーンのスイッチング素子による電源電圧変動成分を位相を複数にシフトさせて第２の電源プレーンに印加し、電磁放射の周波数成分を分散することにより電磁放射を低減する。

線路素子とは、例えば、ＬＩＬＣ（Low-Impedance-Line-Component）等の線路型の低インピーダンスなデカップリング素子を指す。この線路素子は上述のデカップリングコンデンサの機能と配線としての機能を持つ。

電源配線の途中にこの配線素子を（線路の途中に４端子接続して使用する）複数並列接続することで、デカップリング素子で取り除けない電源電圧変動を位相をシフトさせて第２の電源プレーンに印加することで電磁放射を低減する。

位相をシフトさせる方法としては、並列線路素子の長さを変える方法や比誘電率を異ならせる方法等がある。線路素子は高誘電率材料より成っているため、長さにより位相差をつける際、波長圧縮効果により長さの差が小さくて済む。また、線路素子は低インピーダンスな線路であるため長さを変えてもインピーダンスは変わらないし、電源配線に必要な低インピーダンスを保つことができる。

なお、本発明は、線路素子ではなく、第１、第２の電源プレーン間を配線（２端子接続でも４端子接続でも良い）により接続することで位相をシフトさせても良い。以下の実施形態では線路素子を用いた場合の例を説明するが、上述のように配線（線路）を用いた場合にも同様の効果が得られる。

また、複数の並列線路素子で１つの線路素子を構成しても良い。即ち、１つの線路素子は４端子であるが、複数の線路素子の入力側と出力側の端子をそれぞれひとまとめにして接続しても良い。

更に、本発明は、スイッチング素子の近くに挿入されたデカップリングコンデンサで低減しきれない第１の電源プレーン１からの電源電圧変動を、複数の長さの異なるオープンスタブで位相をシフトさせて第２の電源プレーンに印加することで同様に電磁放射を低減する。

図１は本発明の第１の実施形態を示す。図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ’における断面を模式的に示す図である。図中１は島状分離された第１の電源プレーンである。第１の電源プレーン１にはスイッチング素子を有するＬＳＩ１１が配置されている。本発明は第１の電源プレーン１から第２の電源プレーン３へのスイッチング素子による電磁放射を低減するものである。

そのため、島状分離された第１の電源プレーン１は複数の実効線路長の異なる３本の線路素子２を介して第２の電源プレーン３と接続されている。線路素子２には、上述のようなＬＩＬＣ（Low-Impedance-Line-Component）等の線路型の低インピーダンスなデカップリング素子が用いられる。

図１では３本の線路素子２が用いられ、図１（ａ）に示すように３本の線路素子２の長さを異ならせている。そうすることで、上述のように第１の電源プレーン１の電源電圧変動の位相を複数にシフトさせて第２の電源プレーン３に印加し、電磁放射の周波数成分を拡散させることで電磁放射を低減する。線路素子２の数としては３本に限ることはない。以下の実施形態でも同様である。

また、図１（ｂ）に示すようにＬＳＩ１１は上述のようにスイッチング素子を有するＬＳＩである。ＬＳＩ１１は島状分離された第１の電源プレーン１内に配置され、ＬＳＩ１１の電源ピン１０が第１の電源プレーン１に接続されている。１２は回路基板に形成されたスルーホールを示す。

線路素子２の端子（図示せず）はスルーホール１２を介して第１の電源プレーン１に接続されている。線路素子２の他方の端子は同様にスルーホール１２を介して第２の電源プレーン３に接続されている。１４はグランドプレーン、１５は線路素子２のグランド面（グランドプレーン１４とベタ付け）を示す。

本実施形態では、上述のように第１の電源プレーン１のスイッチング素子により発生する電源電圧変動成分を位相を複数にシフトさせて第２の電源プレーンに印加することにより、電磁放射の周波数成分を拡散させて平均化し、効率良く電磁放射を低減することが可能となる。

ここで、図１では島状分離された第１の電源プレーン１から同位相でスイッチングノイズが伝わるが、第２の電源プレーン３では位相がシフトしている。しかし、図１（ａ）に示すようにそれぞれの線路素子２の第２の電源プレーン３への接続点の距離が離れているため、それぞれの接続点が第２の電源プレーン３とグランドプレーン１４から成るパッチアンテナの共振と同期してしまう可能性がある。そのため、第２の電源プレーン３への接続点は同じで、位相がシフトしたスイッチングノイズを印加する方が望ましい。

図２はそのような本発明の実施形態を示すものである。即ち、本発明の第２の実施形態として説明する。図中、図１と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。図２では第１の電源プレーン１から位相がシフトして第２の電源プレーン３のほぼ同一点にスイッチングノイズが印加されている。そのため、上述のようなパッチアンテナの共振と同期することがない。但し、通常、図２に示すように第１の電源プレーン１内における線路素子２の伝搬遅延の差しか位相シフト量が加わらないため、線路素子間の位相シフト量が十分に得られない。

図３はその課題を解決する第３の実施形態を示す。図中、図１や図２と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。図３では第１の電源プレーン１からビア（図示せず）を介してほぼ等長の配線６が接続され、それぞれの配線は長さの異なる複数の線路素子２に接続されている。第２の電源プレーン３のほぼ同一点に複数の線路素子２が接続されるようにほぼ等長の配線が引き回されている。但し、ほぼ等長の配線はインピーダンスを増加させてしまう。なお、ほぼ等長の配線は長さの長い線路素子と接続されているものほど長くても良い。

図４は本発明の第４の実施形態を示す。図中、図１〜図３と同一部分には同一符号をして説明を省略する。図４の構成では、第１の電源プレーン１内でＬＳＩ１１の電源ピン（３箇所とする）からスイッチング素子までほぼ等長の配線（ビア）で接続されている（図４では不図示）。そして、図４に示すように第１の電源プレーン１の３箇所の点から３本の長さの異なる線路素子２が第２の電源プレーン３のほぼ同一点に接続されている。

なお、図４に示すように長さの異なる線路素子２が第１の電源プレーン１内で異なる方向に向いているが、第１の電源プレーン１内の３箇所（図４の配線素子２の上端側）に電源ピンがあるからである。なお、ほぼ等長の配線は長さの長い線路素子と接続されているものほど長くても良い。

ここで、図１から図４の実施形態では線路の長さを異ならせる代わりに線路の比誘電率を異ならせても構わない。図５はそのような本発明の第５の実施形態を示す。図５では３本の線路素子４の比誘電率をそれぞれ異ならせることにより、第１の電源プレーン１の同一点と第２の電源プレーン３の同一点との間を比誘電率の異なる長さの等しい３本の線路素子４で接続している。

そうすることで、第１の電源プレーン１によるスイッチングノイズの位相をシフトさせて第２の電源プレーン３に印加している。そのため図５では図１〜図４の実施形態と同様の効果が得られる。

図６は図１から図５の実施形態の等価回路を示す。なお、図６では長さの異なる２本の線路素子２を用いている。線路素子２の比誘電率は１０である。

図７は図６の観測点の電源電圧変動を示す。図７（ａ）は線路素子の長さが４ｃｍと７ｃｍの場合（Δ＝３ｃｍ）、図７（ｂ）は４ｃｍと１０ｃｍの場合（Δ＝４ｃｍ）、図７（ｃ）はＲＥＦで両方４ｃｍの場合を示す。図７（ｃ）の１番目の大きなピークが、図７（ａ）、図７（ｂ）では位相シフトした２つのピークとして現れている。即ち、スイッチング素子のスイッチング動作に伴う電源電圧変動成分が位相シフトして周数数が分散した形となっており、電源電圧変動成分のピーク値が小さくなって電磁放射が低減されていることが分かる。

図８は図６の観測点の電流波形を示す。図７の場合と同様に図８（ａ）は線路素子の長さが４ｃｍと７ｃｍの場合（Δ＝３ｃｍ）、図８（ｂ）は４ｃｍと１０ｃｍの場合（Δ＝４ｃｍ）、図８（ｃ）はＲＥＦで両方４ｃｍの場合を示す。図８に示すように電源電圧変動と同様の現象が現れている。併せて、図８には電源プレーン１のスイッチング素子の出力波形（インバータ出力波形）と電流波形（Ｉｄ）を示す。図８の電流波形から正常に動作していることが分かる。

図９は周波数スペクトルを示す。図７の場合と同様に図９（ａ）は線路素子の長さが４ｃｍと７ｃｍの場合（Δ＝３ｃｍ）、図９（ｂ）は４ｃｍと１０ｃｍの場合（Δ＝４ｃｍ）、図９（ｃ）はＲＥＦで両方４ｃｍの場合を示す。位相をシフトした方が放射ノイズの低減効果が認められる。この放射ノイズと電源プレーン３とグランドプレーン１４より成るパッチアンテナの放射特性を掛け合わせたものが全体の電磁放射となるが、アンテナの励震源のスペクトルのピークが小さい方が全体の電磁放射が小さくなることは明らかである。

なお、位相シフトにより放射スペクトルのピークが小さくなることは、例えば、ＣＯＳ関数の位相０のものと位相αのものの和のフーリエ変換を考えれば簡単に分かる（図１０参照）。実際には図９に示すように周波数分散が起こる結果となりピークが減少するため、ピークが増加する周波数成分も存在する。

図１１は本発明の第６の実施形態を示す。図中、図１〜図４と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。図１１の実施形態では、第２の電源プレーン３の前の配線に複数の長さの異なるオープンスタブを形成している。図中５はオープンスタブ付きの配線を示す。

本実施形態では、オープンスタブによりスイッチング素子の近くに挿入されたデカップリングコンデンサ（図示せず）で低減しきれない電源電圧変動を複数の長さの異なるオープンスタブで位相をシフトさせて第２の電源プレーン３に印加することで電磁放射を低減する。

ここで、図１２に示すようにスイッチング素子に基づく電源電圧変動の場合には、オープンスタブで相殺されることは無く、位相がシフトした波形との重ね合わせとなる（入射波と反射波）。なお、電源インピーダンスは複数のオープンスタブよりスイッチング素子の近くに挿入されたデカップリングコンデンサで低く抑えられている。本実施形態における配線は線路素子でも構わない。

なお、上述のような電源電圧変動成分の位相シフトにより電磁放射の低減効果を得るためには、線路素子間の位相シフト量やオープンスタブによる位相シフト量はスイッチング素子のスイッチング出力波形（図８参照）の立ち上り時間や或いは立ち下り時間の１／２程度より大きい方が望ましい。

本発明の第１の実施形態を示す平面図及び断面図である。 本発明の第２の実施形態を示す平面図である。 本発明の第３の実施形態を示す平面図である。 本発明の第４の実施形態を示す平面図である。 本発明の第５の実施形態を示す平面図である。 第１乃至第５の実施形態の等価回路図である。 図６の観測点の電源電圧変動を示す図である。 図６の観測点の電流波形を示す図である。 図６の観測点の周波数スペクトルを示す図である。 位相シフトにより放射スペクトルのピークが小さくなる原理を説明する図である。 本発明の第６の実施形態を示す平面図である。 第６の実施形態の位相シフトによる電磁放射低減を説明する図である。

符号の説明

１ 第１の電源プレーン
２ 線路素子
３ 第２の電源プレーン
４ 比誘電率の各々異なる線路素子
５ オープンスタブ付き線路素子
６ 配線
１０ ＬＳＩ電源ピン
１１ ＬＳＩ
１２ スルーホール
１４ グランドプレーン
１５ 線路素子グランド面（１４グランドプレーンとべた付け）

Claims (5)

1. スイッチング素子を有する島状分離された第１の電源プレーンと、前記第１の電源プレーンの周囲に配置された第２の電源ブレーンとを有する電源供給装置であって、
   前記第１の電源プレーンと前記第２の電源プレーンとを、それぞれ、長さの異なる複数の線路又は比誘電率の異なる複数の線路によって接続し、前記複数の線路それぞれの伝播遅延時間を異ならせて、前記第１の電源プレーンのスイッチング素子による電源電圧変動成分の位相を複数にシフトさせて前記第２の電源プレーンに印加することを特徴とする電源供給装置。
2. 前記線路間の位相シフト量は、前記スイッチング素子のスイッチング出力波形の立ち上がり又は立ち下がり時間の１／２より大きいことを特徴とする請求項１に記載の電源供給装置。
3. 前記複数の線路は、それぞれ４端子接続のデカップリング特性を有する線路素子であることを特徴とする請求項１又は２に記載の電源供給装置。
4. スイッチング素子を有する島状分離された第１の電源プレーンと、前記第１の電源プレーンの周囲に配置された第２の電源プレーンとを有する電源供給装置であって、
   前記第１の電源プレーンと前記第２の電源プレーンとを線路によって接続すると共に、前記線路の途中に長さの異なる複数のオープンスタブを接続して、前記第１の電源プレーンのスイッチング素子による電源電圧変動成分の位相を複数にシフトさせて前記第２の電源プレーンに印加することを特徴とする電源供給装置。
5. 前記オープンスタブによる位相シフト量は、前記スイッチング素子のスイッチング出力波形の立ち上がり又は立ち下がり時間の１／２より大きいことを特徴とする請求項４に記載の電源供給装置。

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