講演スライド

プリント回路基板のEMC設計
京都大学大学院工学研究科
松嶋徹
2015/7/20-23
第41回アナログRF研究会＠屋久島
EMC（電磁的両立性）：環境電磁工学
EMC とは？
許容できないような電磁妨害波を，
如何なるものに対しても与えず，
かつ，その電磁環境において
満足に機能するための，
機器・装置またはシステムの能力
高
Immunity
イミュニティ(耐性)
低
低
EMI
電磁妨害
EMS
電磁感受性
電磁妨害波によって引き起こされる
機器・装置またはシステムの性能劣化
電磁妨害波による素子・機器または
システムの性能劣化の起きやすさ
EMC: Electromagnetic Compatibility(電磁的両立性）
EMI: Electromagnetic Interference（電磁妨害（電磁妨害波））
EMS: Electromagnetic Susceptibility(電磁感受性）
2015/7/20-23
第41回アナログRF研究会＠屋久島
寄生インダクタンスによる電位差の発生
Δ v (t)=L d i (t)
dt
回路図に無いインダクタンス
電源（VCC）の電圧は場所により異なる
Lline
2
CB
LVPKG
in
VDD
out
CB
GIC
CDC
Lvia
1
G PCB
PCBグラウンド
LGPKG
ICグラウンド or
チップグラウンド
システムグラウンド
ΔV = ｜jωLI｜ = 2πfLI ≒ 6×fLI
1GHz = 109 Hz, 1nH = 10-9 H, 100 mA = 0.1 A のとき， ΔV = 0.2π V ≒ 0.6 V
問題になるインダクタンスの大きさは？：数nH
実装時の寄生インピーダンスの評価（抽出）が必須
2015/7/20-23
シミュレーション
第41回アナログRF研究会＠屋久島
入力インピーダンスとパワーインテグリティ
PCB
LSI電源系の設計における問題点
・パワーインテグリティ
・不要電磁波（EMI）放出
package
Zinput
Vｐｂ
INS
従来のLSI電源系の設計方針
Δ Vpb=ZinputINS
入力インピーダンス [W]
１．バイパスコンデンサを配置
２．デバイスからみたインプットインピーダンス(Zinput)を
ターゲットインピーダンス(Ztarget)以下に下げる
パワーインテグリティ向上
2015/7/20-23
周波数 [Hz]
第41回アナログRF研究会＠屋久島
回路基板設計時に許容できる寄生結合
1
10
10pF
1000
100
1000
1pF
寄生容量による結合
（高周波ノイズのもれ）
を避けたい．
1000
500nH
100pF
100nH
1000pF
100
Impedance [ohm]
100
100MHz
(<10pF)
(<10nH)
10nH
0.01F
1GHz
(<1pF)
(<1nH)
10GHz
(<0.1pF)
(<0.1nH)
10
10
1 Ω< Z < 100 Ω の範囲に入る
寄生インピーダンスは
無視できない
1nH
0.1F
1
1
0.1nH
1F
0.1
1
2015/7/20-23
10
100
Frequency [MHz]
1000
0.1
100MHz
(<1nH)
3000
第41回アナログRF研究会＠屋久島
1GHz
(<0.1nH)
10GHz
(<0.01nH)
パッケージ, PCBの個別設計
• パッケージ, プリント回路基板
– それぞれ個別にシミュレーション・設計
• LSI ⇨ SPICEモデル、IBISモデル、ICEMモデルなど
• パッケージ、PCB ⇨ LCRの等価回路、伝送線路
• パッケージのモデル化
– PCBはある標準状態でモデル化
• 十分広いグランドプレーンを仮定
– クリアランスホールが多数
2015/7/20-23
第41回アナログRF研究会＠屋久島
パッケージ-PCB間容量による電界放射の増加
• パッケージ-PCB間に反共振が発生
– パッケージ-PCB両グラウンド間の寄生容量
– グラウンド配線のインダクタンス
Measured(15nH+15nH)
Calculated (Lin=1nH)
Calculated (Lin=2nH)
• 遠方電界放射が増加
60
(2, 1)
IC
PCB Package
Lvdi ZIC
(2, 0)
E [dBV/m]
50
IIC
Cpkg
2-port
LGDI:33nH
LVDI:33nH
Lgdi
40
(1, 0)
(1, 1)
(0, 1)
30
20
Module 10
Iant
PCB
I2
Ccm
I1
Ic
GND
Power
0
30 100
200
300
400
500
Frequency [MHz]
3m 遠方電界放射
2015/7/20-23
第41回アナログRF研究会＠屋久島
600
Chip-package-board 統合設計の必要性
• パッケージのPCBへの実装時には・・・
1.
2.
PCB上の金属によるパッケージ上の寄生結合の変化
パッケージ-PCB間寄生容量の発生


パッケージ-PCB共振の発生
パッケージコモンモード共振の発生
⇒ LSI出力信号のジッタ増加, パッケージグラウンドバウンス
チップ、パッケージ、PCBの
個別設計・解析
チップ、パッケージ、PCB
統合設計が必要
2015/7/20-23
第41回アナログRF研究会＠屋久島
パッケージ-PCB共振(構造&等価回路)
• PDNの入力インピーダンス
– 高インピーダンス⇒電源品質の悪化
– 十分低いことが必要
(目標: ターゲットインピーダンス)
• 本検討では
– 1電源、1GNDの場合(簡単化のため)
– チップ、パッケージ、PCBの特性を表わす
回路素子を縦続接続
Chip 側
Battery側
PDNの入力インピーダンス
PDN: Power Delivery Network, Power Distribution Network
2015/7/20-23
第41回アナログRF研究会＠屋久島
パッケージ-PCB共振(シミュレーション)
• 直列共振
– パッケージやPCBの
個別解析である程度予測可能
– 主に配線のLとバイパスC
• 並列共振
– パッケージやPCBの
複合的な共振
– 個別解析では予測不可能
 統合設計が必要
Impedance [W]
100
10
1
Total impedance
Only IC/LSI
Package C and L
Total C and L
0.1
0.01
1
10
100
1000
Frequency [MHz]
LSI側から見た入力インピーダンス
2015/7/20-23
第41回アナログRF研究会＠屋久島
階層間結合による寄生共振(シミュレーション)
• パッケージ-PCB間寄生容量CCMの考慮の有無による違い
– PDNの入力インピーダンスはほぼ同じ
 LSIの電源-グラウンド間電圧には差がない
– パッケージ-PCBグラウンド間電圧は大きく異なる
 LSIおよびパッケージの電源-グラウンド電位が同相に変動している
100
Impedance [W]
w/ CCM
w/o CCM
10
1
0.1
0.01
1
10
100
1000
Frequency [MHz]
PDNの入力インピーダンス
2015/7/20-23
第41回アナログRF研究会＠屋久島
階層間結合による寄生共振(シミュレーション)
• パッケージ-PCB間寄生容量CCMの考慮の有無による違い
– PDNの入力インピーダンスはほぼ同じ
 LSIの電源-グラウンド間電圧には差がない
– パッケージ-PCBグラウンド間電圧は大きく異なる
 LSIおよびパッケージの電源-グラウンド電位が同相に変動している
100
Voltage [V]
10
w/ CCM
w/o CCM
Package
common-mode
resonance
1A
1
0.1
1A
0.01
1
10
100
1000
Frequency [MHz]
パッケージ-PCBグラウンド間電圧
2015/7/20-23
第41回アナログRF研究会＠屋久島
パッケージ・PCBに漏れ出す電源電流の低減
• IC/LSIの動作のためには、IC電源グラウンドからみた
入力インピーダンスを低くすることが重要
チップ-パッケージ、パッケージ-PCBの寄生結合による反共振に注意
Impedance [W]
100
10
1
Total impedance
Only IC/LSI
Package C and L
Total C and L
0.1
0.01
1
10
100
1000
Frequency [MHz]
• 電源系を低インピーダンスにすることで、電流量が増加
PCBや電源ケーブルに流れる高周波電流が大きくなり、不要放射が増加
2015/7/20-23
第41回アナログRF研究会＠屋久島
入力インピーダンスと不要電磁波放射
PCBに大きなバイパスコンデンサを実装
回路に高周波電流が流れるため
不要電磁波放射の増加の要因
不要電磁波放射
電流低減のため
デカップリングインダクタを実装
Zinputが大きくなり
入力インピーダンス [W]
パワーインテグリティが悪くなる
2015/7/20-23
decoupling inductor
周波数 [Hz]
第41回アナログRF研究会＠屋久島
電流低減率
• 外部に漏れ出す電流の評価指標
– バイパスコンデンサのESL, ESR
– デカップリングインダクタのL
電流低減率 K
IVi
Ki ( ) 
Ibci

漏れ出す電流
動作電流
Zbc1
ZV1  Zbc1
IV1
– バイパスコンデンサの自己共振以降
K 1( ) 
2015/7/20-23
Lbc1
LV1  Lbc1
第41回アナログRF研究会＠屋久島
IBC1
デカップリングインダクタの値と電流低減率
バイパスコンデンサの
自己共振周波数（約５００ MHz）以上の
周波数帯で
500 MHz
Lbc1
より
K 1( ) 
LV1  Lbc1
1
 20 dB
Lbc1 : Lv1  1 : 9 ならば | K 1 |
1 9
同様に Lbc1 : Lv1  1 : 100 ならば | K 1 | 40 dB
Lbc1 : Lv1  1 : 1000 ならば | K | 60 dB
1
L→ 大 ⇛ |Zinput|の増加
入力インピーダンス [W]
チップ内キャパシタの例
2015/7/20-23
0.1 nH
50 mΩ
1.0 nF
周波数 [Hz]
第41回アナログRF研究会＠屋久島
デカップリングの目標値
• チップ・パッケージ・PCBで
作成・実装できるCやLには制限がある
– 各部分に配置するバイパスコンデンサで
目標の周波数以上の電流を-20 dB
低減させることを目標とする
バイパスコンデンサの位置
2015/7/20-23
閉じ込める周波数帯（-20 dB)
チップ上
600 MHz以上
パッケージ上
100 MHz以上
PCB上（パッケージ側近）
1 MHz以上
PCB上（直流電源直前）
1 MHz以上
第41回アナログRF研究会＠屋久島
PCB部分の電流低減率
• 各部分において、電流低減率
を満たすようにLCを設計
– 入力インピーダンスの増加を
許容値以下にしたうえで
漏れだす電流の低減を実現
• 階層間容量による共振
に注意する必要がある
2015/7/20-23
点線：目標値
実線：シミュレーション値
106
107
第41回アナログRF研究会＠屋久島
108
109
まとめ
• EMCとは
– 他のシステムに影響を与えず（エミッションの低減）
– 他のシステムから影響を受けない（イミュニティの向上）
• プリント回路基板において、自身の動作を確保しつつ
高周波電磁雑音の外部への漏れ出しを抑制する
• 数nH、数pFの寄生結合が回路設計に影響を与える
– チップ・パッケージ・PCB複合した寄生共振
– 階層間（チップ-パッケージ、パッケージ-PCB）間の寄生結合
• プリント回路基板上の（電源系の）EMC設計
– 寄生結合・共振を調整し、入力インピーダンスを管理する
– 電流低減率により、PCBやケーブルへの電源系高周波電流の
流れだしを抑制する
2015/7/20-23
第41回アナログRF研究会＠屋久島

Download Report