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3次元 EMC解析

静電ノイズ経路の解析

ケーブルからの放射

高速信号線路解析(SI)(1)

高速信号線路解析(SI)(2)

片面プリント基板の正確なインダクタンス

対向面のない両面プリント基板の特性

ICパッケージの特性解析

静電ノイズ経路の解析例(筐体+プリント板+ケーブル)

図のようにプリント板が内蔵されたケースから約30cmのケーブルが丸められて出ている場合に、ケーブルの先端とグランドの間に静電ノイズを印加した場合の内部のプリント基板上のノイズレベルなどを解析しています。

静電ノイズ経路の解析例

静電ノイズ経路の解析例

静電ノイズ経路の解析例

この回路は左図のとおり、ワイヤと基板の接続はインダクタLaとLbを介して行っています。静電ノイズは8番とFG間に印加され、それが基板内でどれだけのノイズ電圧として現れるかをみています。グラフは、La,Lbの値がともに1nHの場合とLbを10nHにした場合の基板内の電圧波形とスペクトルを示しています。Lbが大きい場合にノイズ電圧が大きくなっていることから、静電ノイズは、WireBからFGに逃げていると考えられます。

静電ノイズ経路の解析例

流分布と磁界

電流分布と磁界

静電ノイズ経路の解析例

ケーブルからの放射ー 3種類のケーブルを比較 ー

シールドケースからケーブルが出ている場合の放射電界を解析しています。右図のように、ケーブルの片方は0.1uFでケースに接続されており、ケーブルには100MHz,1Vが励振されています。ケーブルを、平行線、ツイストペア線、シールド線の場合の近傍電界を解析しています。平行線とツイストペア線では、ツイストペア線がわずかレベルが小さいが、ほとんど変化はない。シールドをかぶせた場合は、10m地点で約8dBほどレベルが下がっていることが確認できます。

ケーブルからの放射

近傍最大値 dBV/m 10m地点 dBV/m
平行ケーブル 41.2 -56.0
ツイストペア 42.6 -55.6
シールド付 28.0 -63.8

平行線

ケーブルからの放射 平行線

ケーブルからの放射 平行線

ケーブルからの放射 平行線

ツイストペア線

ケーブルからの放射 ツイストペア線

ケーブルからの放射 ツイストペア線

ケーブルからの放射 ツイストペア線

シールド線

ケーブルからの放射 シールド線

電流分布

ケーブルからの放射 シールド線

断面電界

ケーブルからの放射 シールド線

10m地点の電界分布

高速信号線路解析(SI)(1)

伝送周波数が高い高速ロジック信号では、ドミナントモードであるTEMモードだけでなく、高次モードが伝搬し波形が歪ます。このため、電磁界解析は、3次元でフルウエーブ解析を行う必要があります。このサンプルパターンは、等長配線を行っており、出力端Bの信号が同位相になるように設計されています。

以下の解析例では、入力A端の①②に2GHzと10GHzを入力した場合の出力Bの波形を示しています。2GHzではほぼ歪もなく同位相で伝搬されています。10GHzクロックでは、1.6ps程度の位相差が確認できます。磁界分布と電界分布では、基板端面に定在波が生じていることがわかります。

高速信号線路解析

高速信号線路解析

電流分布10GHz

電流分布10GHz

2GHzクロック波形

2GHzクロック波形

10GHzクロック波形

10GHzクロック波形

電界分布(10GHz)

電界分布(10GHz)

磁界分布(10GHz)

磁界分布(10GHz)

高速信号線路解析

高速信号線路解析(SI)(2)

これは、グランドプレーンのない片面の平行線路の解析例です。A,C,D端に10GHzのクロック信号を入力し、A,B端の波形を観測しています。

高速信号線路解析

高速信号線路解析

1GBPS

リターンロスと伝送特性

リターンロスと伝送特性

電流分布@10GHz

電流分布@10GHz

表面電界分布@10GHz

表面電界分布@10GHz

2.5Dソルバでは解析が難しい問題ー 片面プリント基板の正確なインダクタンス ー

片面基板に描かれたパターンの周波数に依存したインダクタンスを計算する問題は、電磁界シミュレータにとって結構厄介な問題です。この解析には、端子やポートを任意の位置に単体で設定できるかどうかが鍵になります。下図は横幅が約40mmの大電流パターンのインダクタンスを解析した例です。パターンは1面にしかなく、自由空間に浮いている状態です。この条件で、T1と各端子間のインダクタンスを計算可能です。

2.5Dソルバでは解析が難しい問題

2.5Dソルバでは解析が難しい問題

端子 インダクタンス[nH] @10MHz
T1-T2 12.34
T1-T3 26.07
T1-T4 29.64
T1-T5 28.87

右図のパターン上の分布は、10MHzにおける電流分布と電流ベクトルであり、エッジに電流が集中していることがわかります。縦面は、磁界のカット面であり、幅の広いパターン周辺の方が磁界が強いことがわかります。また、基板エッジの近傍では磁界分布が乱れていることも確認できます。

2.5Dソルバでは解析が難しい問題

2.5Dソルバでは解析が難しい問題ー 対向面のない両面プリント基板の特性 ー

両面基板などでパターンが対向していない場合の特性解析は、平行平板モードを用いているような電磁界シミュレータでは正確な計算が困難になります。S-NAP/Wirelessの3Dソルバは、このような条件でもストレスなく解析が可能です。図は横幅が約40mmの大電流パターンで、グランド面は殆ど対向していません。

2.5Dソルバでは解析が難しい問題

2.5Dソルバでは解析が難しい問題

電流分布と電流ベクトル

電流分布と電流ベクトル

電界分布およびポインティングベクトルは、誘電体を中央でスライスした位置での表示です。ポインティングベクトル(E×H)では、電流が合流している付近で分布が大きいことがわかります。右下図はP1から64MHzを1Vで励振したときの3mの位置での近傍電界強度です。若干基板の右上方向に強く出ていることが解ります。

基板内のポインティングベクトル

基板内のポインティングベクトル

基板内の電界分布

基板内の電界分布

3mの位置における電界強度分布

3mの位置における電界強度分布

ICパッケージの特性解析

ICパッケージのリード端子やボンディングワイヤなどの解析は、3次元構造で設定することで、リードインダクタンスやクロストーク、チップとの結合などを解析することが可能です。以下の解析サンプルは、QFP44ピンパッケージで、リード端子、ボンディングワイヤ、パッケージ誘電体、チップの代わりのプリント板で構成されています。

ICパッケージの特性解析

端子 インダクタンス[nH]
①-[16] 3.95
②-[17] 3.95
③-[18] 3.95
④-[19] 3.95
⑤-[20] 3.95
⑥-[21] 3.95

リード端子+ボンディングワイヤのインダクタンスセンターに近づくほど小さくなってる

ICパッケージの特性解析

ICパッケージの特性解析

ICパッケージの特性解析

青:S11、緑:S21

①-②をポート1に、[16]-[17]をポート2に設定したときの、Sパラメータ特性と電流分布

ICパッケージの特性解析

次に、以下の図のようにポート1から1GHzのクロック信号を入力し、内部の基板でポート2とポート3に分配される接続にした場合の特性を解析してみます。伝送特性は、5GHzより高域がカットされたLPF特性となっており、結果、クロック信号の立ち上がりと立下り特性が悪くなっています。LPF特性となっている要因は、内部基板でLPF回路が形成されていることによります。

ICパッケージの特性解析

ICパッケージの特性解析

ICパッケージの特性解析

パッケージ下部の電界分布

パッケージ下部の電界分布

パッケージ上部の磁界分布

パッケージ上部の磁界分布

ICパッケージの特性解析

端子近傍の電界ベクトルと磁界ベクトル

端子近傍の電界ベクトルと磁界ベクトル

パッケージ内部の電界分布

パッケージ内部の電界分布


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