プリント基板におけるノイズシミュレーションについて©2018 株式会社 エム・イー・エル

2018年12月
MEL Inc.

基板部分（電磁界）と回路部分（回路解析）
Sパラ素子（パターン部）

シミュレーションは、電磁界解析＋回路解析

MEL Inc.

S-NAP PCB Suiteの構造

解析処理を分割→電磁界の解析時間問題、実装問題
回路解析

電磁界解析

＋図形入力

1次解析

アートワーク情報・
実装情報

（電磁界）

Q-DATA

２次解析（高速）

解析条件設定ODB++
N×N
Sマトリックス

信号条件・負荷条件など

N:端子数
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EMCにおける電磁界解析手法
 基板全体，全層に渡って解析可能なこと
 キャパシタなどのLCR部品、等価回路を含めて解析可能なこと（ポートの取扱法）
 実用的な時間で解析可能なこと

等価回路化が容易な電磁界手法が必要

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M-FDM法（Multi-layered Finite Different Method）

差分方程式の等価回路化＜特徴＞• 素子を実装しての電磁界解析が可能である• 連立方程式が疎行列になるので高速に解析できる• 多層化（2.5次元）にも容易に展開できる

MFDでは結合がない

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BEMを併用非線形定常応答解析
回路応答＝過渡項＋定常項
SPICEなどで用いられるトランジェント解析は非線形解析を行いますが、この解は図のように過渡解と定常解の合成であり、定常解を得たい場合、過渡解が収束するまで待つ必要があります。回路の時定数が大きい場合、過渡解が収束時間は非常に長くなり、またどの時点で過渡解が収束しているのかの判断も難しくなります。

定常解が必要ハーモニック・バランス解析

トランジェント解析

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プリント基板ノイズ問題と解析手法• 高周波帯の特性が重要視される問題
静電ノイズ、放射ノイズ、EMS
電圧（電界）分布
基板の共振特性、結合、放射特性、、2次ソルバは概ね線形で可• 電流経路が重要視される問題
スイッチングノイズ、モータノイズ

電流（磁界）分布

スイッチング動作による電流の引き込み

2次ソルバに非線形解析（スイッチング動作）が必要
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静電ノイズ解析：全端子を俯瞰
例えば、静電ノイズが印加されたとき何を調べるべきか？

サンプル基板： 端子数約1400、6層静電ノイズを印加
アンテナ端子チューナー回路

電源回路（DCDC）

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端子電圧とパターンの電圧電流分布
RFコネクタに印加しているが、システ
ム回路部分の電圧が高い

電圧分布 ＠470MHz

全端子の電圧（色表示）
電流分布 ＠470MHz
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ノイズ侵入経路の考察
近傍電界分布や磁界分布を観測することで、侵入経路を推測できる
電源ライン

基板上方1mmの電界分布＠470MHz

L3層の電流分布 ＠470MHz

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端子電圧波形とスペクトルCPU電源端子（上段）とチューナICの電源端子（下段）の波形とスペクトル電圧の高い端子を調べると長いラインがつながっている

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ダイオードの効果
ハーモニック・バランスを用いてダイオードの効果を調べる
CPU電源-GND間に挿入、 ダイオードはSPICEモデル
観測点

ダイオード無し

ダイオードあり

CPU電源端子（上段）とチューナICの電源端子（下段）の波形とスペクトル
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ノイズ分布
静電ノイズの印加位置により、端子のノイズ分布が異なる①左下からノイズを印加②左上からノイズを印加③右上からノイズを印加④右下からノイズを印加
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スイッチングノイズ：非線形解析
基板上でスイッチング動作を行うことが重要！

・信号出力時のスイッチング
・DCDCコンバータのスイッチング・モータのスイッチングパルス信号

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ICの信号出力動作時のスイッチングノイズ
出力バッファがスイッチング動作している場合の電源電圧変動とパスコンの挙動を解析
CN1にDC５Vを印加し、CPUの電源、グランド間にスイッチングモデルを設定。
C14C17C57C16C18C15L6層に実装されたパスコン、U2のほぼ裏側

DC5V
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各パスコンの電圧と電流波形
電圧変動(1uV/div)

電流(400uA/div)

電圧変動(1uV/div)

C16C14C18C17C15C57

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電流(1mA/div)

同時スイッチング時の電源電圧波形と電流波形
スイッチング素子に0.5度位相ずれの状態を設定し貫通電流を再現

A
B

正常なスイッチング時

AB
同時スイッチング時

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放射ノイズの違い
放射電界は、電流密度から計算可能
同時スイッチングが発生した場合、50MHz～350MHzのノイズスペクトルが10dB以上UP

同時スイッチングなし

同時スイッチングあり
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DCDCコンバータ部の解析
・周波数DCDCのシミュレーションは、スイッチングが重要・基板内で動作しているDCDCコンバータのスイッチングノイズがRF部にどれだけ影響するか

RF部電源IC

RFブロックMEL Inc.

RFブロックのノイズ
66MHzと200MHz付近にノイズスペクトルが確認できる

66MHz

RF回路ブロックの入り口のDCライン

66MHz

チューナIC電源端子

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アンテナ電源供給部分

電圧電流分布

L4層
66MHz

200MHz

電圧分布

電流分布

ノイズが分布MEL Inc.

電圧供給ライン各部の波形
CPU電源

電源端子伝導ノイズ

DCDCス
イッチング
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電流分布
L1層における、DCと60MHzの電流分布

DC60MHzMEL Inc.

スイッチング素子の等価回路

C1LM2595

C2MEL Inc.

スイッチング素子特性の差スイッチング素子内のキャパシタを1/10にすると、60MHzの伝導ノイズは180MHzに移動

チューナ
ICCPU

電源端子
（伝導）
DCDC出力C1=220pF C2=470pF

C1=22pF C2=47pF
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3次元モーメント法電磁界（S-NAP/Wireless）

ヘルムホルツ波動方程式
マクスウエルの方程式

外部空間（ε0,μ0）

Je01
Jm01

領域1ε1,μ1

Je12
Jm12

領域2ε2,μ2Je02
Jm02∇×A(r) ⇔ ∇×F(r)積分形の解
MPIE(Mixed Potential Integral Equation)

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2019/8/7

3次元電磁界解析（筐体、ワイヤ）筐体やワイヤを含む全体解析

等価回路

La=Lb=1nH

ケースの電流分布と近傍磁界
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La=1nH
Lb=10nH3次元電磁界解析（ICパッケージ）
ボンディングワイヤや端子の相互結合を考慮する必要がある
ポート２

ポート１
１ＧＨｚ
クロック信号ポート3

端子近傍の電界磁界ベクトル
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3次元電磁界解析（クランプフィルタ）・EMC問題ではフェライトの効果も重要
・コモンモード特性は、ミックスドモードSパラメータを用いる

SDC21

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まとめ EMCシミュレーションはプリント板全体の特性解析が必要
 電磁界解析＋回路解析が必要。
 静電ノイズ解析などでは、全端子を俯瞰する必要がある スイッチングノイズ解析は、基板内でのスイッチング動作が重要→非線形解析が必要
 3次元的結合を考慮する場合は、3次元電磁界が必要
MEL Inc.