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1 1 はじめにケイアールエフエム株式会社の パワフィルタ というのは 一体何ですか 何に使うのですか そして 何がどうすばらしいのですか この回答をする前に 少しまわり道になりますが 1. パワフィルタ は 今までの受動素子部品の常識とは 違う考え方で作られている 2. 集中定数系の電気回路理論で作られてきたデジタル回路の電源供給設計を見直すべきである という説明からはじめます そこでは 今までなんとなく使ってきた用語も もう一度はっきりと説明してみようと思います 2 デカップリング デバイス デカップリング デバイス という言葉を 日本で最初に用いるようになったのは EMI(Eelectro- Magnetic Interference) 対策の周波数範囲を1GHz 以上に広げなければならないと 一部のデジタル設計者たちが言い出した事がきっかけでした ケイアールエフエム株式会社は RF のエンジニアたちが設立した RF&Microwave Hybrid ICs の設計 開発を行う会社です その当時我々は RF ハイブリッド IC の直流バイアスに使う超小型の 新しい考え方でできたチョークコイルを開発していました このチョークコイルは デジタル設計者が困っている EMI や EMC(Eelectro- Magnetic Compatibility) 対策に必ず役に立つ 我々には確信がありました だから彼らに使ってもらうためにも 効果が解る呼び名がほしい その呼び名が デカップリング デバイス という言葉でした ログ回路技術を専門にしているのに対して コンピュータを構築するためのデジタル半導体回路の設計者は デジタル論理回路を専門としています この両者は 電子回路にとって何が需要な要素であるかという根本の考え方が 最初から違っていました ですから お互いの回路理論に関して交流することなく 別々に発展を遂げてきました デジタルの設計者は 論理回路の電圧が High か Low かということが問題で 極論を言えば 電位が在るか無いかの 電圧 にしか感心を示しませんでした ところが このデジタル回路の技術者たちが EMI や EMC の対策を考えなければならなくなったのです デジタル半導体を動かすための電源電圧 ( グラウンド電位 ) の変動が 許容範囲に入らなくなってきたからです その理由は 高速スイッチング動作をするデバイスをたくさん使うようになってきたからでした デジタル半導体の設計者たちもコンピュータのクロック信号が1GHz をこえてからは 電磁界現象がどうして起こるのかということに注意を払うようになりました それまでのデジタル設計者たちは 半導体が動作するために必要なエネルギーを供給する D.C. 電源の配線回路や構造の重要性に注目してこなかったのです これに対して オーディオやマイクロ波回路の設計者たちは 回路のインピーダンスや電界を気にしながら設計することが常識でした 線路の構造やその材料まで考えに入れて電磁界のシミュレーションや実証実験を繰り返して製品を作ってきました 無線機器を扱う RF や Microwave の回路設計者がアナ 図 1 すべての回路装置は電源に並列に繋がっている

2 パワフィルタ は デカップリング デバイスのひとつですが では このデカップリング デバイスというのは いったい何なのでしょう 具体的なファンクションで言うと 複数の電子回路 ( 装置 ) どうしが 電源回路 ( 線路 ) を介して直流以外の交流 ( 高周波 ) 領域で 電磁波 ( 高調波 ) を出たり入ったりさせないようにする電子回路部品 ( 装置 ) となります それは デカップリング キャパシタと同じではないか と思われたかたは多いと思います オーディオアンプやアナログ回路設計者の間ではあたりまえに使われていまして 各増幅段の中だけに留まらずに段間を越えて 高周波信号の結合 ( ループ ) ができないように 各増幅段に電源を供給するバイアス回路と GND( グラウンド ) の間にキャパシタを入れてフィルタリングする ことを言います それでは どこがデカップリング キャパシタと違うのか 我々は以下のように定義しています 結合をしないように するということは 一体 何 と 何 が結合しないようにすることなのか すべての ICs は図 1に示すように 電源のプラスとマイナスの2 本の線路のあいだで グラウンド (GND) に向かって繋がるようにぶら下がっています 確かに線で繋がっているわけですから 電気的には結合していると言えます この時に 直流レベルでは繋がっていますが交流レベルでは繋がっていないようにすることを 交流的に アイソレーション するといいます このアイソレーションをとるための機能部品が デカップリング デバイス です そうすると 電源のアイソレーションという機能で まず考え付くのは やはりデカップリング キャパシタです 第一は キャパシタを組み合わせただけでは実現が難しい10GHz 以上までをデカップリングする 図 2 半導体電源回路に用いるバイパス キャパシタ ( デカップリング キャパシタ ) 第二は 電磁気ノイズ対策部品としての機能を考えるときに 三次元的な分布定数系回路理論を取り入れた構造となっている 第三は あらゆるデジタル機器に用いることができるように 多機能の電源アイソレーションができる 図 2のように繋いで 交流信号のみを迂回 (bypass) させ IC には極力直流成分のみを流すという考え方です バイパス キャパシタとも言われます しかしシャントに入れるだけで 本当に都合よく交流信号をバイパスさせているのでしょうか これらの機能を合わせて持つ部品の総称を デカップリング デバイス と呼ぶことにしました 3 アイソレーション技術 電源線路を経由して直流以外の RF 領域で電磁気的な 図 3 いろいろな周波数に対応するかキャパシタは理屈どおりに働いてくれるのか

3 図 3は複数のキャパシタを使う場合の模式図です この電源側から IC 側に伸びる線を見て下さい この線路は 実際に配線をするときは 抵抗もインダクタンス成分もないという理想の状態では存在しません それに加えて 交流成分とか高調波成分と呼ばれる 電磁気ノイズ が電源側から流れ込んでくるのか IC 側から出てくるのかということでも バイパスの考え方は違ってきます 今後ますます高速化すると考えられる デジタル信号が発生させる 電磁気ノイズのバイパスを考えると どれ位の周波数範囲までアイソレーションするべきなのかという 別の問題にも突き当たります を決めるとき 交流的なインピーダンスを下げるのだからとインピーダンス Z =1 / ω C (ω=2πf) という式を用いて計算します けれども 例えば 100p F のキャパシタを 1GHz の交流信号デカップリングに使うという計算は簡単にできますが 直流レベルから1GHz という高い周波数まで 100p F で在り続ける理想のキャパシタは在りません ここに 集中定数系計算式の落し穴があります 市販のキャパシタは理想のキャパシタではなくて 周波数によってキャパシタの特性が変わります どの周波数においても同じ容量値ではあり得ません そして共振点を越えた周波数帯域ではインダクタンス成分が現れてきます デジタルの信号波形である矩形波が 正しく伝播されるためには 基本 ( クロック ) 周波数の5~10 倍の高調波成分を持っていなければならないと云われます 400MHz で動作する IC には 2GHz ~4GHz の高調波 ( 電磁気ノイズ ) が当然発生しているわけですが これらをバイパスさせるとすれば 範囲も当然 4GHz 以上の帯域に渡ってバイパスさせなければなりません これは大変な周波数です オーディオアンプで使われていたデカップリング キャパシタから見れば 超高周波といえます 小型化技術の最先端である LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic) 技術を用いた超小型の積層セラミックキャパシタを組み合わせただけでは 実現が難しい周波数帯域といえます 4 デカップリング キャパシタ受動素子を用いてデカップリングの帯域を4GHz 帯域程度まで広げようと試みると 大変に難しいことが判ります その最大の理由は 理想に近い受動素子部品が無いためです バイパスさせるデカップリング キャパシタの容量値 図 4 バイパス キャパシタが効くのは 限られた周波数範囲だけであることを忘れてはいけない デジタル回路のデカップリング キャパシタとしてよく見かける 図 3のような低い周波数用から高い周波数用までをいくつも並べて使われるキャパシタがあります デカップリングという観点からは 残念ながらフラットの広帯域性は実現できません それよりももっと恐ろしいことが起こります いろいろなキャパシタを電源に並列に入れれば入れる程 EMC 対策が裏目に出てしまうのです それは 既存のキャパシタが理想のキャパシタでないために持っている自己の残留インダクタンス成分によって 別

4 の新たな周波数の L,C 共振が起こってしまうためです デカップリング キャパシタに頼って電磁気ノイズ対策をやろうとすると キャパシタを付けたことで 別のところに発信が起こってしまう それをまたバイパスさせようと またキャパシタを入れるとまた別のところに発信が起こる というように単純には対策できません では どうすれば広帯域のデカップリングが可能になるのでしょうか その答えは 大袈裟なシミュレーションをするまでも無く 簡単な実験で実証できました インダクタをシリーズに入れれば良いのです しかし この考えには多くの高速デジタル電子回路の設計者が反対しました 高速で消費される半導体の電流回路に L( インダクタ ) を入れることは グラウンド バウンスの原因を作る かえって高周波ノイズが増える と言うのです 5 グラウンド バウンス グラウンド バウンスがなぜ起こるかについて 回路設計をされている方々はよくご存知と思いますが 図 5 に示すような共通インピーダンス結合がまず思い浮かびます それに加えて 近年の高集積半導体が CMOS (Complimentary Metal Oxide Semiconductor) であることが挙げられます 図 5 プラス側も同じ理屈で電圧の変動が起こります これは Vcc Sag と呼ばれて Ground Bounce とは区別されます CMOS 回路は 入力の信号に変化が無いときは ほとんど電流は流れませんが 信号が変化するときには多量の電流が流れます それが多くの回路で同時に起こると その電流は突然増大します すると一瞬にして グラウンドの電位が大きくバウンス ( 電位変化 ) します 当然ですが高集積化して大きなパッケージに入っている半導体回路ほど 内部のリード配線長も長くなり直列のインダクタンスはいたるところに寄生しています ですから理想のグラウンドがない 高集積半導体回路でのインダクタンス成分は 邪魔な存在だったのです このような経験からか 高速信号を処理する集積回路の設計者やデジタル回路の設計者たちは 半導体の広帯域デカップリング デバイスに直列のインダクタを使うことができないと思い込んでしまったのです グラウンド バウンスは コモンモード ノイズであるために デカップリング キャパシタがグラウンド バウンスの低減対策に使われてきました 確かにキャパシタでバイパスさせると能動素子 (IC など ) の電圧降下を和らげる働きがあります しかし いろいろなキャパシタを どんなにうまく実装しても すでにクロック周波数が 1GHz を越しているデジタル回路で 満足のいくの効果は出ません バイパス キャパシタは 特定の帯域だけに効果があるというのが正解で 理想のグラウンドや理想の電源を持ってこない限り 共通インピーダンスの結合をデカップリングすることができる ブラックマジック的な対策は見つかりません それでは 従来のデカップリング キャパシタに どのようなマイナスの問題点があるのかというところを見極めることで デカップリング対策の糸口を手繰ることはできないのでしょうか グラウンド バウンスをなくすことと 電源のデカップリングは対策の目的が異なります グラウンド バウンス

5 が起こらないようにするバイパス キャパシタは デジタル回路が低い周波数クロックで動作していた時の 誤動作をなくすための対策です 一方 デカップリング デバイスは高速動作をするデジタル回路の電源アイソレーションのための対策です そして この両者はトレードオフの関係にもあります グラウンド バウンスを無くすために多くのキャパシタを使うと 電磁気ノイズが反対に増えてしまうという現象を多くのノイズ対策技術者はすでに体験しています 6 電磁気ノイズ対策技術ここからは デカップリング デバイスの特徴的な効果のひとつである 電磁気ノイズ対策技術に焦点を当ててみます 歴史的に見ますと 最初のころはデジタルの信号線路の対策がほとんどで 受動素子 (Inductor [L], Capacitor [C], Resistor [R]) を組み合わせたフィルタ部品を 電磁気ノイズ ( 高調波 ) が多量に伝播しているデジタル信号線路に直接挿入してフィルタリングする EMI 対策が主流でした デジタルの信号速度も遅く 高調波成分も GHz を越えるところまで考える必要は無いと思われて EMI の規格も GHz 帯域まで広がっていませんでした 今から考えるとこの方法は 信号線路に直接フィルタを入れるため 大事なデジタル信号の高調波成分を削ぎ落としてしまい 高速化どころかデジタル信号の立ち上がり速度を鈍らせていたといえます このため近年は 直流に近い周波数のところでは抵抗値がゼロで 信号帯域を越えるにしたがって大きなインピーダンスになる フェライト ビーズがよく使われるようになりました けれども このフェライト ビーズは 純粋の抵抗成分だけではありませんので 数 100MHz を越えるような信号にはもちろん効果がありません デジタル信号が GHz 帯の高速になればなる程 信号線路に部品を配置することなどできません 線路は極力短く インピーダンスの不整合が起こらないように線路設計シミュレーションをして作らなければ 信号が伝わらないことさえあります 1. 理想のコンデンサは無い 先にも書きましたように コンデンサは等価的な残留インダクタンス (ESL) を持っているために 高い周波数になればなる程ほど 大きなフィルタリングができる理想のアイソレーション ( 挿入損失 ) 特性を失います f C 1 = 2π ESL C の共振が起こり そこから先はシャントに入った残留インダクタンスの抑圧で アイソレーションの特性を大きく劣化させて 図 4の積層セラミック キャパシタに代表されるような V 字型の周波数特性となります 2. 理想のインダクタも無い インダクタもコンデンサと同じように 周波数が高くなるほど 大きな減衰 ( アイソレーション ) が取れるフィルタリング特性が理想ですが コイル状に巻いただけでもできる寄生容量 (C 0 ) の影響で f L 1 = 2π L C の共振が起こり コンデンサよりも急峻な くさび状のフィルタリング周波数特性を示します 3.L C フィルタ上記のような理由から L も C も単体での通過帯域特性では不十分で GHz 帯域のフィルタリングを実現するためには 多段にこれらを組み合わせるしかありません しかし 電磁気ノイズ対策部品としては LC 素子の数が増えるためか 単体形状の部品としては数 GHz 帯 O

6 域のものしかなく 形状も大きく RF 回路用途のものが主流です 多量に実装されるデジタル半導体の電源端子用途に SMT(Surface Mount Technology ) 部品で広帯域デカップリングを目的とするものは見あたりません 4. コモンモード チョークディファレンシャル モード (Differential Mode) の電流に対しては互いに磁束を打ち消す方向に磁界を発生させ コモンモードの電流ではインダクタンスを強め合うようにと トロイダル状に巻かれたこのチョーク コイルは 名前の通りコモンモード ノイズ対策部品として重宝されてきました しかし 形状がどうしても大きくなることと フェライトが効果を無くす数 100MHz 位までしか使えないという欠点があり 電源のデカップリング デバイスというには 帯域が狭すぎます けれども 電磁気の理屈を利用するという考え方は これから説明する コイフィル TM に繋がります デジタル回路の基本はスイッチング動作にあります ですから 高速で動くデジタル集積回路はこのスイッチンング回路が複雑に組み合わされたもであるといえます このため 大規模集積回路 (LSI=Large Scale Integrated Circuit) のロジックが同時にスイッチングするような条件の時は LSI の内部でグラウンド バウンスが発生します するとこれが呼び水となって LSI から伝達される出力信号とそのLSI に供給している電源の電圧を揺さぶります これが同時スイッチング ノイズ (SSN=Simultaneous Switching Noise) と呼ばれる電磁気ノイズです これらを止めなければ電磁気ノイズ対策ができないというのが今までの考えでした ですから LSI の出力信号線路から外に飛び出してくる電磁波は シールドしたり吸収体を置いたりして 少しでも吸収させ 信号導体 線路に伝わる高調波はフィルタリングする という方法しかないと考えられてきたのです しかしながら 飛び出してくる電磁波も導体を伝播する高調波も ともに GHz をとうに越えて二桁の GHz という超広帯域になってきました そろそろ 今までの受動素子部品によるフィルタリングの考え方を変えなければならないのではないか このような考えが デカップリング デバイスという言葉を使い出したもうひとつの理由です 7 超広帯域デカップリング技術 ケイアールエフエム株式会社は 設立以来 一貫して D.C. 電源アイソレーション開発として 超広帯域デカップリング デバイスの開発を手がけてきました 基本回路は 受動素子のインダクタとコンデンサを組み合わせるフィルタ構造ですが 分布定数系回路の理論で設計されていることと そこに使われる受動素子は 総て新しい考え方で開発された受動素子で 今までのコ ンデンサやインダクタとは違います 図 6 コイフィル TM 帯域 A とチップ インダクタ帯域 B のフィルタリング周波数 ( 減衰 ) 特性の比較

7 1. コイフィル TM 今までのインダクタは 図 6や図 8を見ると判るように 積層タイプも巻線タイプも アイソレーションの特性はくさび状の 共振を起こしている周波数特性 を示しますが 開発されたインダクタ コイフィル TM は U の字を開いたようにスパイク状の共振がありません そのためフィルタリング周波数の帯域は 図 6のAに示すように広帯域に広がっています Isolation (db) Air Core Inductor Frequency (GHz) Isolation (db) Mutilayer Inductor Frequency (GHz) 図 8-1 巻線チップコイル図 8-2 積層チップ L 8-3 巻線コイルと積層インダクタを直列接続した時の周波数帯域 ( 減衰 ) 特性 図 7 直列接続の周波数特性 ( 巻線型インダクタ ) が重なるだけで 広帯域特性とは言えません それに 他のインダクタでは実現できなかった有益な特長を持っています 同じインダクタンス値の コイフィル TM を隣どうしに近づけて 直線上に2 個直列につなぐと 減衰特性を増やすことができます また インダクタンス値の違う直列接続は お互いの特性を補完しあって 広帯域にアイソレーションが広がります しかし 既存のインダクタは 図 7のように直列に繋いでも減衰特性は目に見えて増えません それに 巻線タイプは 回路基板に個別のインダクタを近接して実装すると磁界の結合を起こし 低い周波数で共振を起こしてしまいます Isolation (db) COILFIL - KF Frequency (GHz) Isolation (db) COILFIL - KF Frequency (GHz) 図 9-1 KF2シリーズ図 9-2 KF1 シリーズ 2. パワフィルタ TM 従来のインダクタは 低域のインダクタと広域のインダクタの 2 個を直列に繋いだだけではスパイク状の特性 図 9-3 KF1 と KF2 シリーズの直列接続特

8 図 8-1 は 従来からある空芯の巻線コイルの 33nH 図 8-2 は 10nHの積層チップインダクタの周波数特性測定データです この2 個を低誘電率樹脂基板のDU Tに 直列に実装した時の周波数特性が図 8-3 です これに対して 同じ条件のDUTに コイフィル TM のKF1シリーズ (0603 サイズ ) 図 9-2と KF2シリーズ (0805 サイズ ) 図 9-1 を やはり同じように2 個直列に近づけて実装した時の周波数 ( 減衰 ) 特性を 図 9-3 に示します スパイク状の共振は無く なだらかに広帯域化していることがわかります 総務省の TAO( 通信放送機構 ) からの支援で開発されました デカップリング デバイス パワフィルタ TM は コイフィル TM の並列接続では不十分だった低域の特性と高域のインダクタンスを改善することで 形状 4.4mm(W) 4.4mm(L) 2.5mm(H) 最大阻止帯域 30kHz~12.5GHz(at -20dB) を実現しました 対策 ソリューションとして デジタル半導体回路のD. C. 電源デカップリングを (1) IC 上やパッケージ内に作る単体受動素子部品 (2) ICパッケージの外に実装する受動素子部品 (3) 電源バイアス回路に付けるる部品 のように 総合的に組み合わせて広帯域のデカプリングを実現する これが 今すぐできる電磁気ノイズ対策の最善のソリューションであると考えます 残念なことに いままで半導体はIC 屋さん 受動素子は部品屋さんと独自に開発を進めてきたために 日本では特に 両者が歩調をあわせる共同開発が実現せず 現在のデジタル回路の高速化を迎えてしまいました しかし 今からでも遅くないと我々は考えています 今回ご紹介した コイフィル や パワフィルタ はデカップリング デバイスとしては まだ過渡的な製品で 今後も開発を続けて行きます 皆様の意見をお待ちします 異論 反論 何でも結構です また 賛同していっしょに開発してくれるパートナー会社 スポンサー会社も探しています 図 10 積層コンデンサのフィルタリング特性と従来品の広帯域フィルタ特性に対し 今まで開発されたパワフィルタのシリーズ 高速スイッチングする能動素子が高集積化しているデジタル半導体の電源配線の設計は 分布定数系理論で設計すべきではないかという我々の提案に対しては 他にもいろいろな考えかたがあると思います そこで 我々はすぐにでも解決できる 電磁気ノイズ コイフィル TM は 米国で最初に特許登録されたことから JETROの援助を受けて 米国を拠点に応用開発をすすめるために KRFM AMERICA が設立され 次世代向けの研究開発が始まっています ( 25 th JUL 2003 Alexandria, Virginia ) DecouplingDevice この原稿は 米国の EIA (Electronic Industry Association) の傘下 ECA (Electronic Components, Assemblies & Materials Association) での発表資料及び日本の MATERIAL stage 誌のために書かれたものを一部変更したものです