JP5674595B2 - プリント基板設計支援装置およびプリント基板設計支援プログラム - Google Patents

Description

本発明は、プリント基板設計支援装置およびプリント基板設計支援プログラムに係り、特にプリント基板の配線幅と配線長の条件を決定するプリント基板設計支援装置およびプリント基板設計支援プログラムに関する。

プリント基板の実装設計においては、基板に要求される機能と性能を満たすように、多数の部品配置と配線経路を決定する必要がある。具体的には、電源配線の設計では、電圧降下（ドロップ）の問題がある。

図１を参照して、電圧降下を説明する。図１において、配線長をＬ、配線幅をＷ、配線厚さをＴ、配線材料の導電率をσ、この配線の抵抗値をＲ、配線を流れる電流をＩとする。電源配線は、その断面積ＴＷ、長さＬと導電率σに依存する抵抗Ｒを持ち、抵抗Ｒと電流Ｉに比例する電圧ドロップΔＶが発生する。

Ｒ＝Ｌ／（σＴＷ） …（式１）
ΔＶ＝ＩＲ …（式２）
式１が電源配線の抵抗値であり、式２が電圧ドロップである。電圧ドロップが大きくなると、部品に必要な電圧を供給できず、部品の誤動作や性能低下の原因となる。
従来、これらの部品配置や配線経路を普遍的に決定できる技術は存在しておらず、そのため設計技術者が自身の技術的知識や経験をもとに、試行錯誤をもって決定することが一般的だった。
部品配置や配線経路の決定を支援するための技術として、以下が公開されている。

特許文献１の技術では、部品間を結ぶ配線の本数に着目し、多くの配線で結ばれている部品同士をグループ化して扱うことで、総配線長が最短に近い部品配置を短時間に得ることができる。

特許文献２の技術では、面積や形状の異なるさまざまなブロックが多数存在する回路データにおいて、ブロックの面積に着目し、相互の接続数が多く面積の小さなブロック同士をグループ化して扱うことで、配線長が短く、面積が小さく、消費電力が少なく、ブロック間遅延が小さい部品配置や配線経路を得ることができる。

特開２０００−２５９６８２号公報 特開平１０−１１１８７８号公報

上述した先行技術は、配線の接続本数に着目しているため、バス線のような多数の信号線で結ばれる回路の設計には有効である。しかし、部品および配線の電気的特性を考慮していないため、一般の配線設計においてはその効果を十分に発揮できない。
本発明の目的は、プリント基板の実装設計において、配線の幅と長さに関する条件を、部品および配線の電気的特性を考慮して生成することである。

上述した課題を解決するため、対象の回路の要求特性を満たすように、回路を構成する部品および配線の特性を考慮して、配線幅と配線長を決定する技術を開発した。

上述した課題は、部品特性とその制約情報と、配線特性とその制約情報と、部品と配線との接続情報とに基づいて、特定配線区間の配線長を求めるプリント基板設計支援装置において、回路を配線区間に分割する分割処理部と、配線区間の電流方向を判定する電流方向判定処理部と、配線区間の電流量を判定する電流量判定処理部と、配線区間の配線幅を決定する配線幅決定部と、特定配線区間の配線長を決定する配線長決定部と、からなるプリント基板設計支援装置により、達成できる。

また、コンピュータを、回路を配線区間に分割する分割処理部、配線区間の電流方向を判定する電流方向判定処理部、配線区間の電流量を判定する電流量判定処理部、配線区間の配線幅を決定する配線幅決定部、特定配線区間の配線長を決定する配線長決定部、として機能させるためのプリント基板設計支援プログラムにより、達成できる。

本発明を用いて部品および配線の電気的特性を考慮して生成した配線の幅と長さを、実装設計に際しての指針として用いることで、必要な機能および性能を満たすプリント基板の最適な設計ができる。

電圧ドロップを説明する図である。 プリント基板設計支援装置のハードウェアブロック図である。 制御装置が実行する処理フローチャートである。 制御装置が実行する配線の幅と長さに関する条件生成の詳細な処理フローチャートである。 部品特性・制約情報の一部を説明する図である。 配線特性・制約情報のうち、配線の物質的特性を説明する図である。 配線特性・制約情報のうち、電流値に対する配線幅の条件を説明する図である。 部品・配線接続情報のうち、回路を説明する図である。 部品・配線接続情報のうち、配線長を説明する図である。 各配線の配線区間への分割結果である。 各配線区間の方向の決定結果である。 各配線区間の電流値の決定結果である。 各配線区間の最小配線幅の決定結果である。 特定配線区間の配線長の決定結果である。

以下、本発明の実施形態について、実施例を用い図面を参照しながら詳細に説明する。
なお、実質同一部位には同じ参照番号を振り、説明は繰り返さない。
以下の実施例では、電圧ドロップの要求を満たすような配線幅と配線長を生成するプリント基板設計支援装置１０について説明する。

図２を参照して、プリント基板設計支援装置１０のハードウェアを説明する。図２において、プリント基板設計支援装置１０は、制御装置１１と、入力装置１２と、表示装置１３と、外部記憶装置１４とから、構成されている。プリント基板設計支援装置１０は、制御装置１１に入力装置１２、表示装置１３、外部記憶装置１４が接続されて、構成されている。制御装置１１は、コンピュータであり、ＣＰＵ１１１、メモリ１１２から構成されている。外部記憶装置１４は、部品特性・制約情報１４１と、配線特性・制約情報１４２と、部品・配線接続情報１４３とを保持する。部品特性・制約情報１４１は、部品の特性と制約情報である。配線特性・制約情報１４２は、配線特性と制約情報である。部品・配線接続情報１４３は、回路と配線情報である。

図３を参照して、制御装置１１による、回路の配線幅と配線長の条件生成の処理フローを説明する。図３において、制御装置１１は、回路の配線幅と配線長の条件生成の処理フローを開始するとまず情報を取得する（Ｓ２１）。ここで、情報取得とは、外部記憶装置１４から、部品特性・制約情報１４１と配線特性・制約情報１４２と部品・配線接続情報１４３とを読み込むことである。制御装置１１は、未処理配線の有無を判定する（Ｓ２２）。ここで、未処理配線とは、制御装置１１がこの処理フローで参照したことがない配線のことである。ステップ２２で未処理配線が存在するとき、制御装置１１は、未処理配線を１つ任意に選択する（Ｓ２３）。制御装置１１は、その配線の種別を判定する（Ｓ２４）。それが電源配線である場合、制御装置１１は、配線の幅と長さの条件を生成して（Ｓ２５）、ステップ２２に遷移する。電源配線でない場合、制御装置１１は直ちにステップ２２に遷移する。ステップ２２で未処理配線が存在しないとき、制御装置１１は、情報格納する（Ｓ２６）。その後、制御装置１１は、結果表示して（Ｓ２７）、終了する。

図４を参照して、制御装置１１による、図３のステップ２５（幅と長さの条件生成）の詳細な処理フローを説明する。制御装置１１は、まず各電源配線に対し、電源系統の全体を決定する。制御装置１１は、部品特性・制約情報１４１で電力通過の特性が設定されている受動部品が配線の終端部に存在するかどうかを判定する（Ｓ３０１）。存在する場合、制御装置１１は、その受動部品に接続している他の配線を併合して（Ｓ３０２）ステップ３０１に遷移する。ステップ３０２において、併合とは、現在の配線と受動部品とを一体のものとして扱うことである。ステップ３０１において、併合する配線がなくなったら（ＮＯ）、制御装置１１は、各配線について、部品の端子（ピン）および分岐点で区切られる配線区間に分割する（Ｓ３０３）。次に、制御装置１１は、配線区間に制約情報があるか判定する（Ｓ３０４）。制約情報ありのとき、制御装置１１は、制約情報に従い配線区間の幅と長さを決定して（Ｓ３０５）、ステップ３０４に遷移する。

ステップ３０４でなしのとき、制御装置１１は、各配線区間に対し、電力が供給される方向を決定する。ここで、方向は、電流の流れる方向である。具体的には、制御装置１１は、方向未決定の配線区間が存在するかどうかを判定する（Ｓ３０６）。存在する場合（あり）、制御装置１１は、配線区間に対し方向を決定して（Ｓ３０７）、ステップ３０６に遷移する。ステップ３０６において、方向未決定の配線区間が存在しなくなったら（なし）、続いて制御装置１１は、各配線区間の消費電流を決定する。具体的には、制御装置１１は、電流量未決定の配線区間が存在するかどうかを判定する（Ｓ３０８）。存在する場合（あり）、制御装置１１は、配線区間に対し電流量を決定して（Ｓ３０９）、ステップ３０８に遷移する。ステップ３０８において、電流量未決定の配線区間が存在しなくなったら（なし）、制御装置１１は、各配線区間の配線幅を決定する（Ｓ３１０）。制御装置１１は、さらに配線長を決定して（Ｓ３１１）、終了する。

図５を参照して、部品特性・制約情報１４１を説明する。図５において、記述されているのは、ある回路に対する部品特性・制約情報１４１の一部であり、部品名４１と、ピン名４２と、需給４３と、電圧値４４と、抵抗値４５と、消費電流４６と、ドロップ許容４７とから構成されている。

需給４３の記述は、部品名４１に記述される部品の、ピン名４２に記述されるピンにおいて、電力が供給されるか、消費されるか、あるいは能動的には電力を消費せず、通過するかを記述する。ピン名を特定しない記述となっているＮＦ１などの部品では、任意のピンから他の任意のピンに対して通過することを示す。電圧値４４の記述は、需給４３が供給である部品の出力電圧を記載する。抵抗値４５には、需給４３が通過の部品の抵抗値を記載する。消費電流４６の記述は、需給４３が消費である部品の消費電流を記述する。ドロップ許容４７の記述は、その部品に流入する電流の電圧ドロップ許容量（％）を記述する。

部品名４１のＯＢＰは、On Board Power Supply（基板上電源供給部）である。ＬＶは、Level（電圧監視部）である。ＮＦは、Noise Filter（雑音フィルター）である。ピン名４２のＶＣＣは、コレクタ側電圧である。ピン名４２のＳＲＣは、Source（入力端子）である。

図５は、ある回路を構成する部品の特性・制約情報として記述されている。しかし、回路を限定せず、特定の品名などを持つ部品に対する共通の特性・制約情報として記述し、特定の回路における部品特性・制約情報１４１はその特性・制約情報を参照するという方法を採ってもよい。

図６および図７を参照して、配線特性・制約情報１４２を説明する。図６における配線特性・制約情報１４２は、配線が持つ物理的特性を規定した特性情報であり、銅箔厚５１と導電率５２とから構成されている。銅箔厚５１は、４０μｍ（４０×１０^−６ｍ）である。また、導電率は、５０×１０^６Ω^−１・ｍ^−１である。

図７における配線特性・制約情報１４２は、特定の電流量が流れる配線に要求される最小配線幅を規定した制約情報であり、電流量６１と最小配線幅６２とから構成されている。図７において、電流量６１が０.２Ａ未満のとき、最小配線幅６２は、０.１ｍｍである。
図６と図７は、ともにすべての電源配線に適用される配線特性・制約情報１４２として記述している。しかし、特定の回路および配線に限定した記述としてもよい。

図８と図９を参照して、部品・配線接続情報１４３を説明する。図８は、ある回路に対する部品・配線接続情報１４３の一部であり、部品を表す矩形７１と矩形７２と矩形７３と矩形７４と矩形７５と矩形７６と矩形７７との間を、配線を表す実線７００と実線７１０と実線７２０と実線７３０とが結んでいる。図８において矩形に隣接する文字列の近くへ引かれる線は、その部品におけるその名前のピンへ配線されることを示す。具体的には、配線７１０は、矩形７２が表す部品ＮＦ１と、矩形７６が表す部品ＩＣ１のＶＣＣとを結ぶ。

図９は、ある回路に対する部品・配線接続情報１４３の一部であり、配線区間９１と、長さ９２とから構成されている。図９において、配線区間９１は、部品名−部品名、部品名−分岐名、分岐名−部品名、または、分岐名−分岐名で記載されている。具体的には、Ｎｏ.１のＯＢＰ−Ａは、部品名−分岐名であり、図８の矩形７１から最初の分岐Ａまでである。Ｎｏ.１については、長さ９２が空白であり、この区間の長さを求める必要がある。一方、Ｎｏ.９のＮＦ３−ＩＣ２は、部品名−部品名であり、図８の矩形７４から矩形７７までである。Ｎｏ.９については、長さ９２が３０ｍｍであり、この区間の長さを求める必要はない。

以下、図３の未処理配線選択ステップ２３において、この配線７１０が選択された場合の、配線の幅と長さの条件生成の過程を説明する。
制御装置１１は、ステップ２４において配線種別を判定する。配線７１０は、ＩＣ１に接続しており、接続先のピンＶＣＣは、図５より電流を消費するから、この配線７１０は電源配線である。したがってステップ２５へ進む。

制御装置１１は、図４のステップ３０１において配線終端における通過部品の有無を判定する。配線７１０に接続している部品ＮＦ１は、図５より通過部品であるから、ＮＦ１に接続している配線７００は、配線７１０と同一の系統であり、ステップ３０２において１つの配線として併合される。配線７００は通過部品であるＮＦ２とＮＦ３に接続しているから、同様にして配線７２０と配線７３０もまた、この配線に併合される。これら配線に接続している通過部品は以上であるから、ステップ３０３へ進む。

制御装置１１は、ステップ３０３において配線を部品および分岐点ごとに、配線区間へ分割する。配線７００は、図１０に示す配線区間７０１と配線区間７０２と配線区間７０３と配線区間７０４と配線区間７０５と配線区間７０６と配線区間７０７との７つの配線区間に分割する。配線７１０と配線７２０と配線７３０とは、それぞれ配線全体で１つの配線区間となる。合わせると、ステップ３０３でこれらの配線は、１０の配線区間に分割される。

制御装置１１は、ステップ３０６とステップ３０７とにおいて各配線区間の方向を決定する。ステップ３０６において、最初は全ての配線区間の方向が未決定であるから、ステップ３０７へ進む。ステップ３０７では各配線区間のうち、決定できるものに対して方向を決定する。

まず、配線区間７０１は、電力を供給するＯＢＰのＯＵＴに接続しているから、方向は、ＯＢＰから配線区間７０２と配線区間７０５との分岐点８１へ向かうように設定される。配線区間７１０は、電力を消費するＩＣ１のＶＣＣに接続しているから、方向はＮＦ１からＩＣ１へ向かうように設定される。同様にして、配線区間７０４は、配線区間７０３と配線区間７０７との分岐点８３からＬＶへ向かい、配線区間７２０は、ＮＦ２からＩＣ２へ向かい、配線区間７３０は、ＮＦ３からＩＣ２へ向かうように方向が設定されて、ステップ３０４へ進む。方向が未決定の配線区間が残っているため、再びステップ３０７へ進む。

続いて、ＮＦ１に接続する配線区間である配線区間７１０の方向が前回のステップ３０７でＩＣ１へ向かうように設定されているから、ＮＦ１に接続する他方の配線区間である配線区間７０５の方向は、分岐点８１から配線区間ＮＦ１に向かうように設定される。同様にして、配線区間７０６は、配線区間７０２と７０３との分岐点８２からＮＦ３へ向かい、配線区間７０７は分岐点８３からＮＦ３へ向かうように方向が設定されて、ステップ３０６へ進む。方向が未決定の配線区間が残っているため、再びステップ３０７へ進む。

さらに、分岐点８３において、配線区間７０４と配線区間７０７との方向が、分岐点８３から外へ向かうように設定されているから、残る配線区間７０３の方向は、分岐点８２から分岐点８３へ向かうように設定されて、ステップ３０４へ進む。方向が未決定の配線区間が残っているため、再びステップ３０７へ進む。

最後に配線区間７０２の方向を決定し、ステップ３０６へ進む。図１１に、決定した各配線区間の方向を示す。これで方向が未決定の配線区間は残っていないので、ステップ３０８へ進む。

制御装置１１は、ステップ３０８とステップ３０９とにおいて各配線区間の電流量を決定する。ステップ３０８において、最初は全ての配線区間の電流量が未決定であるから、ステップ３０９へ進む。ステップ３０９では、各配線区間の電流量を参照し、その配線区間より末端側の電流量がすべて決定している場合に、それら電流量の和をその配線区間の電流量とする。

まず、配線区間７１０はＩＣ１のＶＣＣへ向かっており、ＩＣ１のＶＣＣは、図５より０.２２０Ａを消費するから、配線区間７１０の電流量は０.２２０Ａと決定する。同様にして、配線区間７０４の電流量は０.００３Ａ、配線区間７２０と７３０の電流量はいずれも０.４００Ａと決定して、ステップ３０８へ進む。電流量が未決定の配線区間が残っているため、再びステップ３０９へ進む。

続いて、配線区間７０５は、ＮＦ１へ向かっており、ＮＦ１から外へ向かう配線区間７１０の電流量は０.２２０Ａであるから、配線区間７０５の電流量も０.２２０Ａと決定する。同様にして、配線区間７０６と配線区間７０７の電流量はいずれも０.４００Ａと決定して、ステップ３０８へ進む。電流量が未決定の配線区間が残っているため、再びステップ３０９へ進む。

さらに、配線区間７０３と配線区間７０４と配線区間７０７との分岐点８３において、この分岐点８３から外へ向かう配線区間７０４の電流量は０.００３Ａ、配線区間７０７の電流量は０.４００Ａと決定しているから、分岐点８３へ向かう配線区間７０３の電流量は、両者の和である０.４０２Ａと決定して、ステップ３０８へ進む。電流量が未決定の配線区間が残っているため、再びステップ３０９へ進む。以下同様にして、残る配線区間の電流量も決定する。図１２に、決定した各配線区間の電流量を示す。これで電流量が未決定の配線区間は残っていないので、ステップ３１０へ進む。

制御装置１１は、ステップ３１０において各配線区間の最小配線幅を決定する。制御装置１１は、図７を参照して、各配線区間の電流量に対応する最小配線幅を割り当てる。図１３に、決定した各配線区間の最小配線幅を示す。

制御装置１１は、ステップ３１１において配線区間７０１の配線長を決定する。配線長は、電圧ドロップが図各部品のドロップ許容４７を満たすように決定する必要がある。図５のドロップ許容４７を電圧に換算すると、ＩＣ１の許容値は９９ｍＶである。ＩＣ２のＶＣＣ１およびＶＣＣ２の許容値は１３２ｍＶである。また、ＬＶの許容値は３３ｍＶである。

一方、配線区間７０５の電圧ドロップは、
０.２２０×９０^−３／（５０×１０^６×４０×１０^−６×０.３×１０^−３）
＝３３ｍＶ
である。同様に配線区間７０６の電圧ドロップは４０ｍＶである。配線区間７０７の電圧ドロップは３０ｍＶである。配線区間７０２の電圧ドロップは１０ｍＶである。配線区間７０３の電圧ドロップは１０ｍＶである。配線区間７０４の電圧ドロップは２.７ｍＶである。配線区間７１０の電圧ドロップは１１ｍＶである。配線区間７２０の電圧ドロップは４０ｍＶである。配線区間７３０の電圧ドロップは２０ｍＶである。

ＮＦ１のよる電圧ドロップは、
０.２２０×０.０３３
＝７.３ｍＶ
である。同様にＮＦ２の電圧ドロップは１３ｍＶである。ＮＦ３の電圧ドロップは１３ｍＶである。

したがって、分岐点８１からＩＣ１のＶＣＣまでの電圧ドロップは合計
３３＋７.３＋１１
＝５１.３ｍＶ
である。同様に分岐点８１からＩＣ２のＶＣＣ１までの電圧ドロップは合計１０３ｍＶである。分岐点８１からＩＣ２のＶＣＣ２までの電圧ドロップは合計８３ｍＶである。分岐点８１からＬＶ２のＳＲＣまでの電圧ドロップは合計２２.７ｍＶである。

この結果、ＩＣ１に対する配線区間７０１の許容電圧ドロップは
９９−５１.３
＝４７.７ｍＶ
である。同様にＩＣ２のＶＣＣ１に対する配線区間７０１の許容電圧ドロップは２９ｍＶである。ＩＣ２のＶＣＣ２に対する配線区間７０１の許容電圧ドロップは４９ｍＶである。ＬＶに対する配線区間７０１の許容電圧ドロップは１０.３ｍＶである。したがって、ＬＶに対する許容電圧ドロップが配線区間７０１の配線長を制約する。

すなわち、配線区間７０１の長さをＬ７０１とすると式１、式２から、Ｌ７０１を
Ｌ７０１≦ＲσＴＷ
≦ΔＶσＴＷ／I
≦１０.３×１０^−３×５０×４０×１０^−３／１.０２３
≦２０.１ｍｍ
とする必要がある。

なお、ドロップ許容４７を満たす配線長が作れない場合、制御装置１１は、エラーを示す値を返す。制御装置１１は、ステップ３１１で配線長が決定するかエラーが返されたらステップ２５を終了し、ステップ２２へ進む。

一般に、この方法での配線長は必ずしも一意に定まらない。候補選択基準を外部記憶装置１４に別途用意して解を１つに絞り込むか、特定の配線区間を最長にできるなど、何らかの特徴を持った候補を複数個表示装置１３に表示して、ユーザーに入力装置１２から選択させる、などといった方法をとることができる。図１４に、各配線区間の配線長を示す。図１４は、配線区間７０１を除く９つの配線区間の配線長が別途定められた場合に、配線区間７０１の最大配線長を算出した結果である。

なお、本実施例で示したプリント基板設計支援装置１０は、本発明の唯一の実施形態ではない。本実施例と同様に、部品や配線の特性および制約を参照して、配線幅と配線長を決定する場合に対し、本発明を適用できる。例えば信号配線に対しては、本発明によってインピーダンスの条件を満たす配線幅と、遅延時間の条件を満たす配線長を算出することができる。

１０…プリント基板設計支援装置、１１…制御装置、１２…入力装置、１３…表示装置、１４…外部記憶装置、１４１…部品特性・制約情報、１４２…配線特性・制約情報、１４３…部品・配線接続情報。

Claims (4)

1. 部品特性とその制約情報と、配線特性とその制約情報と、部品と配線との接続情報とに基づいて、特定配線区間の配線長を求めるプリント基板設計支援装置において、
   回路を、部品−部品間、部品−分岐間、分岐−部品間、または、分岐−分岐間である配線区間に分割する分割処理部と、前記配線区間の電流方向を判定する電流方向判定処理部と、前記配線区間の電流量を判定する電流量判定処理部と、前記配線区間の配線幅を決定する配線幅決定部と、前記特定配線区間の配線長を決定する配線長決定部と、を含み、
   前記配線幅決定部は、前記電流量判定処理部により判定された電流量を基に、前記配線区間の配線幅を決定し、
   前記配線長決定部は、部品の電圧ドロップの許容値を基に、前記特定配線区間の電圧ドロップの許容値を算出し、前記特定配線区間の電圧ドロップの許容値を制約として、前記特定配線区間の配線長を決定することを特徴とするプリント基板設計支援装置。
2. 請求項１に記載のプリント基板設計支援装置であって、
   前記部品の要求特性として、前記部品または前記部品のピンに対する電圧ドロップの許容量を有することを特徴とするプリント基板設計支援装置。
3. 請求項２に記載のプリント基板設計支援装置であって、
   電圧ドロップの許容量を満たすために、前記配線の抵抗値から前記配線長を算出する手段を備えることを特徴とするプリント基板設計支援装置。
4. コンピュータを、回路を、部品−部品間、部品−分岐間、分岐−部品間、または、分岐−分岐間である配線区間に分割する分割処理部、前記配線区間の電流方向を判定する電流方向判定処理部、前記配線区間の電流量を判定する電流量判定処理部、前記配線区間の配線幅を決定する配線幅決定部、前記特定配線区間の配線長を決定する配線長決定部、として機能させるためのプリント基板設計支援プログラムであって、
   前記配線幅決定部は、前記電流量判定処理部により判定された電流量を基に、前記配線区間の配線幅を決定し、
   前記配線長決定部は、部品の電圧ドロップの許容値を基に、前記特定配線区間の電圧ドロップの許容値を算出し、前記特定配線区間の電圧ドロップの許容値を制約として、前記特定配線区間の配線長を決定することを特徴とするプリント基板設計支援プログラム。

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