Microsoft PowerPoint - BTS-315_グランド･バウンスとEMI(itoh).pptx

Size: px

Start display at page:

Download "Microsoft PowerPoint - BTS-315_グランド･バウンスとEMI(itoh).pptx"

たみえしのしま
5 years ago
Views:

1 Slide -1 グランドバウンスを乗り越えてシグナルインテグリティと EMC の改善 Dr. Eric Bogatin, Signal Integrity Evangelist, Bogatin Enterprises, a LeCroy Company Slide -2 内容問題解決の方法論グランドバウンス問題基本原則グランドバウンス問題がEMC 問題となるのは? 解決法

2 Slide-3 Slide -3 詳しい情報は Web へ最新の出版今後のセミナースケジュール My Blog: 今月学んだこと www. PrintedCircuitUniversity.com オンライントレーニング Prentice Hall から発刊, 2009 根本原因の特定こそ問題解決の近道 Slide -4 根本原因の特定を間違えば問題の解決は運にまかせるしかなくなるスタンほんとうにこれで大丈夫かい? とんがった頭と長い嘴があるから奴らが飛べるっていうのはおかしいと思うんだ

問題の特定 : グランドバウンス Slide -5 問題の特定基本原則の理解根本原因の究明設計ガイドラインの作成設計ルールの作成 Slide -6 グランドバウンスの起源 Signal 2 L 11 Signal 1 Signal 2 の電圧にグランドバウンス電圧が重畳されます -> クロストーク I 1 I 2 1 2 L 22 Common

3 問題の特定 : グランドバウンス Slide -5 問題の特定基本原則の理解根本原因の究明設計ガイドラインの作成設計ルールの作成 Slide -6 グランドバウンスの起源 Signal 2 L 11 Signal 1 Signal 2 の電圧にグランドバウンス電圧が重畳されます -> クロストーク I 1 I L 22 Common return L 21 I 1 = I 2 V gndbounce = dn total dt N total =L 22 I 2 -L 21 I 1 V gndbounce = (L 22 -L 21 ) di 1 dt =L total di 1 dt インターコネクトのどの部品でリターン電流が重なるのか? どのような信号伝送方法ならリターン電流をほぼ一定に保てるのか?

Slide -7 簡単なシミュレーション (QUCS を用いて ) で根本原因を確認 n lines 2v/div Data

4 Slide -7 簡単なシミュレーション (QUCS を用いて ) で根本原因を確認 n lines 2v/div Data lines 1v/div Quiet lines 共通リードのインダクタンス RT = 1 nsec L_comm = 4 nh n = 4 switching TD = 1.1 nsec R_source = 20 Ohms Slide -8 ヤングマンの法則を用いて根本原因を設計ガイドラインにブログ : Nov 9, 2008 参照あなたの腕を上げたら腕が痛むなら腕はあげなければいい * *Henny Youngman(1906 年生まれのアメリカのコメディアン ) のギャグ機能 Bを実現しようとして問題 Aが発生するなら機能 Bは設計から省けばいい問題の根本原因を究明してその根本原因を取り除く

リターンパスをグチャグチャにしないリターン電流を重ねないグランドバウンスが観測される点 SIP 抵抗細いパッケージのトレース細いコネクタのピン

5 Slide -9 グランドバウンスが問題になるインターコネクトの構造グランドバウンスの 2 つの原因 : リターンパスがグチャグチャ : 広い面積のプレーンに比べて大きなインダクタンス異なる信号ラインでリターン電流が重なっているヤングマンの法則の利用 : グランドバウンスを低減する方法リターンパスをグチャグチャにしないリターン電流を重ねないグランドバウンスが観測される点 SIP 抵抗細いパッケージのトレース細いコネクタのピンベタグランドのギャップスルーホールコネクタ Bourns 抵抗ネットワークのグランドバウンス TT Electronics Slide -10 murata

nh/inch グランドバウンスのノイズの推測 Slide -12 V gnd =L total n di dt

= V sig Z 0 RT L total ~ 10 nh/inch x Len L total [nh] =

信号電流の立ち上がり時間 L total ~ 5 nh L total ~ 2 nh 例 : n = 3, RT =

6 Slide -11 リターンパスのトータルのインダクタを求めるのは困難! ハンマーしか持っていなければ全てのものは釘みたいに見える w = s ならば L total ~ 10 nh/inch グランドバウンスのノイズの推測 Slide -12 V gnd =L total n di dt V gnd L total n L total x n = = 2% x V sig Z 0 RT RT di dt = V sig Z 0 RT L total ~ 10 nh/inch x Len L total [nh] = リターンパスの全インダクタンス n = 同時スイッチングの回数 RT[nsec] = 信号電流の立ち上がり時間 L total ~ 5 nh L total ~ 2 nh 例 : n = 3, RT = 0.5 nsec gb noise ~ 2% x 2 x 3 / 0.5 = 24% 例 : n = 2, RT = 1 nsec gb noise ~ 2% x 5 x 2 / 1 = 20%

リターン電流の重なり = グランドバウンス Slide -13 - L total ~ 10 nh/inch x Len (

25インチ V gnd V sig L = total n Z 0 RT L total = 2.

n 5 x 1 = =10% V sig Z 0 RT 50 x 1 L total ~ 10 nh/ インチ x 0.

25 インチスイッチングする信号が 3 つになると noise ~ 30%, 立ち上がり時間 RT が 1 nsec

7 リターン電流の重なり = グランドバウンス Slide L total ~ 10 nh/inch x Len ( リターン電流が重なって流れる長さ ) - 例 : スイッチングする信号が1つリターン電流が重なって流れる長さが0.25インチ V gnd V sig L = total n Z 0 RT L total = 2.5 nh x 2 legs = 5 nh Z0 = 50Ω, RT = 1 nsec, n = 1 V gnd L = total n 5 x 1 = =10% V sig Z 0 RT 50 x 1 L total ~ 10 nh/ インチ x 0.25 inches = 2.5 nh 0.25 インチスイッチングする信号が 3 つになると noise ~ 30%, 立ち上がり時間 RT が 1 nsec 以下だとさらに大きくなる Slide -14 アンテナからの電波放射 E = 5.5 R P radiated E= 遠方電界強度 (V/m) R= 信号源からの距離 (m) P radiated = 全放射電力 (w) 数ナノワットの放射電力でも FCC の class B に適合しない!

8 Slide -15 EMI 問題を回避するのは困難! 世の中には 2 種類のエンジニアがいます : 意図してアンテナを設計しているエンジニアと意図していないのにアンテナが作られてしまっているエンジニアです 2 つの基本的なアンテナの形式と電流 Slide I ノイズの乗ったプレーンシャーシケーブルのシールドもし C = 1 pf なら Z = 100 MHz I 磁気双極子伝送線路各アンテナでリターン電流が流れているのはどこ?

コモン電流と FCC の不適合 Slide -17 + + I Len I 最大放射の方向 - - 導電性面孤立双極子 E = 4 x 10-7 f x I x Len = 0.4 V/m x f x I fはmhz Iはマイクロアンペア R @ 100 MHz, E ~ 100 V/mがFCC, class Bの上限 100 V/m I max = 0.

9 コモン電流と FCC の不適合 Slide I Len I 最大放射の方向 - - 導電性面孤立双極子 E = 4 x 10-7 f x I x Len = 0.4 V/m x f x I fはmhz Iはマイクロアンペア 100 MHz, E ~ 100 V/mがFCC, class Bの上限 100 V/m I max = 0.4 V/m x 100MHz = 3 A たった ~ 3 A のコモン電流が流れると FCC に不適合になる! Slide -18 例 : グランドバウンスによるコモン電流と放射ノイズ E = 4 x 10-7 f x I x Len R E = 電界強度 (V/m) I = 電流 (A) Len = 単極子の長さ (m) R = 観測点までの距離 (m) f = サイン波の周波数 (Hz) ケーブルのシールドノイズの乗ったプレーン V I = gndb 0.1V = = 100 A 1k シャーシ Z return E = 1.2 x x 10-4 x 1 = 4000 V/m 3 ノイズ電圧 = 100 mv インピーダンス ~ 1 kω コモン電流 ~ 100 ma Len ~ 1 m R = MH これは憂慮すべきか?

10 Slide -19 グランドバウンスからの EMC 問題をヤングマンの法則を使って解決ノイズの乗ったプレーンケーブルのシールド 1 cm シャーシ I cm = L total Z cm di plane dt I plane = プレーンの電流 L total = リターンプレーンの全インダクタンス Z cm = コモン電流からみたインピーダンス解決法 : リターンパスの全インダクタンスを小さく : 導体を短く太くする信号とリターン電流を近づけるプレーンにおける di/dt を小さくする - 差動伝送ダイおよびパッケージにコンデンサコモン電流に対するインピーダンスを上げる : フェライト! Slide -20 有限幅のリターンパスノイズの乗ったプレーンケーブルのシールドシャーシ D. S. Britt, D. H. Hockanson, F. Sha, J. Drewniak, T. Hubbing and T. Van Doran, Effects of Gapped Ground Planes and Guard Traces on Radiated EMI, IEEE Symposium on Electromagnetic Compatibility, 1997, p. 159 ちょうどトレース幅以下のギャップ???? コモン電流リターンパスの幅を 3 x w 以上にする

Slide -21 ケーブルから放射される電波は本当はコネクターからエンクロージャ 1 di 1 20mA Ic= L

同軸ケーブルのリターンパスの全インダクタンスは? 理想的同軸コネクタではどれくらいグランドバウンスは生じるのか? 0.

全インダクタンスを流れるリターン電流がノイズ電圧を生じるノイズ電圧がケーブルのコモン電流を生じるケーブルが電波を放射する

11 Slide -21 ケーブルから放射される電波は本当はコネクターからエンクロージャ 1 di 1 20mA Ic= L total = 0.1nH = 10 A Zc dt 200 1nsec 信号入出力同軸ケーブルの外部の磁界はどの程度か? 同軸ケーブルのリターンパスの全インダクタンスは? 理想的同軸コネクタではどれくらいグランドバウンスは生じるのか? 0.1nH 非対称のコネクタ全インダクタンスを生じる非対称のコネクタはリターンパスの全インダクタンスを生じる全インダクタンスを流れるリターン電流がノイズ電圧を生じるノイズ電圧がケーブルのコモン電流を生じるケーブルが電波を放射する Slide -22 コモン電流とコネクタ品質 IEEE EMC Symposium Frequency (Hz)

12 グランドバウンスが設計を台無しにする Slide -23 大きすぎるクロストークの原因ロングレンジ??? 同時スイッチングする信号のに比例立ち上がり時間に反比例 EMI の原因コネクタ内プレーン内グランドバウンスの解決リターンパスをグチャグチャにしないリターンパスを共有しない Slide-24 Slide -24 詳しい情報は Web へ最新の出版今後のセミナースケジュール My Blog: 今月学んだこと www. PrintedCircuitUniversity.com オンライントレーニング Prentice Hall から発刊, 2009

スライド 1

スライド 1 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 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 EMI 電磁妨害 EMS 電磁感受性低電磁妨害波によって引き起こされる機器