SPICE: Certainty for All Decisions

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シミュレーションと解析

シミュレーションと解析は、回路図ではプリレイアウト、完成した物理設計ではポストレイアウトで実行できます。Altium Designer には、SPICEシミュレータ、反射やクロストークのシミュレータ、サードパーティのフィールドソルバとの統合など、両方の領域で成功するためのリソースが含まれています。シミュレーションツールの使用や設計における電気的挙動の解析については、ライブラリのリソースをご覧ください。

PCBシミュレーション Altium DesignerのSPICEシミュレーション xSignals in Altium Designer PDN Analyzer for DC Power Integrity

効率的なDC-DCコンバータ設計

効率的なDC-DCコンバータ設計：Altium Designer 24 MixedSimによる自動測定現代の電子機器における主要な課題の一つは、特定の電源供給ソリューションを提供することです。このセクションは、ACからDCへのコンバーターやDCからDCへのコンバーターなど、さまざまなSMPS（スイッチングモード電源）で構成されることがあります。高電力アプリケーションでは、ACからDCへの変換には、デバイスの良好な電力因数（すなわち、高調波の削減と見かけ上の電力消費の削減）を達成するためにPFCコントローラーが必要になる場合があります。SMPS設計における典型的な課題は：設計に必要な電源電圧と電流を達成するためのSMPSレギュレーターの数；実装コスト；設計を実装するために必要なエリア；レイアウト設計；効率と熱削減または熱管理設計のサポート。ポイント"d"と"e"は、Altium Designer Mixed Simulationを使用することで容易に対処できます。例えば、Altium Designerと統合できるKeysightのPower Analyzerを使用して、PCB内の電流密度をシミュレートできます。この記事では、DC-DCバックコンバーターをより効率的にする方法について掘り下げ、その効率を迅速に見積もるための簡単で効果的なヒントをいくつか共有します。バックコンバーター設計について基本的なバックコンバーターの回路図は図1に示されています：図1 4つのオペアンプを使用して、ランプ信号発生器（U3A）、エラーアンプ（U1B）、ランプ信号のバッファ（U2B）、および変調器（U2A）を作成します。基準電圧は、RCネットワークを介してエラーアンプに接続されたDCソースとしてシミュレートされ、ソフトスタート機能を提供します。図1は、PWM変調を使用して出力電圧を設定する電圧モードコンバータです。電力段はQ1、L1、D2、およびC2を中心に構築され、R7がコンバータの負荷抵抗として機能します。U3Aに関連するコンポーネントは動作周波数を設定し、C1を変更することで簡単に調整できます。C1を4.3nFに設定すると、周波数は約100kHzになります。コンバータの安定性に影響を与える補償ネットワークは、安定性またはステップ応答（C4、C3-R10、およびR12-C6）を改善するために調整できます。R8とR9は、基準電圧とともに出力電圧を設定します。この場合、R8とR9は1:2の分割器を作成し、出力電圧を6Vにします。

SPICEシミュレーションモジュール - 自動測定

SPICEシミュレーションモジュール：設計の課題で時間とお金を節約するために、シミュレーションで自動測定を使用する方法電子回路のシミュレーションは、設計成功の鍵となります。SPICE回路シミュレータは、設計分析を加速するために使用できます。Altium Designerは、効率的かつ正確な方法で設計をシミュレートするのに役立ち、回路の機能運用について深い洞察を提供します。 Altium Designerでの主要な分析の一つが、回路の時間領域シミュレーションである過渡解析です。過渡解析の例を図1に示します。カーソルのペアを使用して、信号値の周波数を決定できますが、信号量は「Measurements」というツールを用いて簡単に自動化できます。図1に示された回路の測定設定の例を図2に示します。図1 - シンプルな電圧モードのバックコンバータ図2 - バックコンバータの測定設定 Altium DesignerのSPICEシミュレータにおける自動測定 Altium DesignerのSPICEシミュレータには、さまざまな自動測定が利用可能です。その一部を図3に示します。これらの信号量は、すべての現代のオシロスコープで利用可能な測定オプションとして扱うことができます。例えば、信号のピークtoピークレベルやRMS電圧の明確な指示は、DSOだけでなくAltium Designer SPICEシミュレータでも表示できます。これらの測定の設定には、時間範囲分析と、測定によっては分析が行われる信号レベルの1つまたは2つのパラメーターのみが必要です。後者は、例えば周波数測定に必要です。図3 - 自動測定タブの一部のリスト

電源PCBのための重要な設計基準

パワーエレクトロニクスPCB：最高のECADソフトウェアで電源PCBの設計とシミュレーションを行う電源用のPCBは、高速ネットワーキング機器や複雑な組み込みシステムを設計するのと同じくらい難しい場合があります。これらの回路基板の設計では、特に高電圧や電源の出力に達する高電流を扱う場合に、さまざまな動作や安全要件を考慮する必要があります。電源PCBに関わる安全基準に加えて、コンポーネントの選択は、過度のノイズ、リンギング、発熱を伴わずに所望の電力出力を提供できるようにするために重要です。適切なCADツールとコンポーネント調達機能を使用すれば、電源設計にコンポーネントを簡単に見つけて追加することができます。その後、基本的な業界標準（ESD、電流および熱管理、安全性など）に準拠していることを確認しながら、迅速にレイアウトを作成できます。電源PCB設計に関する重要なガイドラインと、 ALTIUM DESIGNER^® 業界最高のシミュレーションおよびレイアウトツールを備えた統合電源PCB設計パッケージについて、さらに読み進めてください。家電製品、産業システム、コンピュータ、精密測定機器など、多くのシステムは、統合された電源ユニットまたは外部電源ユニットから安定した電力を必要としています。電源ユニット用のPCBは、熱管理、EMIおよびノイズ、安全性など、多くの設計要件のバランスを取る必要があります。これらの要件をすべて満たすことは、特に適切な設計ソフトウェアがない場合、難しいことがあります。電源で使用されるさまざまな回路も非常に複雑であり、多くのコンポーネントや設計の検証にシミュレーションが必要です。電源PCB設計者は、重要な設計および安全要件を遵守しながら仕事を行うために、完全な設計ツールセットを必要とします。基本的な要件を満たす設計を確実にするために、安全で高効率な電源用PCBを構築するのに役立つ重要な設計ガイドラインをいくつかまとめました。適切な設計ガイドラインに従い、最高のPCBレイアウトソフトウェアを使用すれば、大規模に製造可能なメタルコアPCBを作成できます。これらのガイドラインに従って、メタルコアPCBが製造可能であり、基本的な業界標準に従っていることを確認してください。電源PCBのための重要な設計基準電源PCBに適用される業界標準は多岐にわたり、IPC標準からその他の業界特有の標準まであります。電源がESDや導体の過度な温度上昇を経験しないようにするための基本的なIPC標準には、次の2つがあります： IPC-2221：この一般的な設計資格標準は、クリープ距離とクリアランスの要件を指定することにより、電源設計に適用されます。これらの要件は、表面層の露出した導体間および内部層の導体間でのESDを防ぐことを目的としています。 IPC-2152：この標準は、導体の電流運搬能力に適用され、導体の温度上昇を制限することを意図しています。この制限は、表面層および内部層のポリゴン、銅の注ぎ込み、電源プレーン、および電源レールのサイズを決定するために使用されるべきです。信頼性を管理する他の重要なIPC標準には、IPC-6012やIPC-A-600があり、これらは電源設計をクラス2またはクラス3として分類する場合があります。UL/IEC標準も、さまざまな製品に安全要件を指定するために、複数の業界で重要です。完全なCADパッケージが標準に沿った設計を支援しますあなたの電源用のPCBレイアウトには、ポリゴン設計、信号層と平面層の定義、電源レールの作成など、さまざまなCADツールが必要になります。Altium Designerのようなアプリケーションで最高のCADツールを使用すると、熱負荷を散逸させ、温度を低く保つために設計にヒートシンクを配置することもできます。あなたの電源PCBは、電力変換および調整中にさまざまな電圧をサポートします。導体のクリアランスについてIPC-2221標準に従う設計ソフトウェアを使用してください。高電圧設計におけるIPC-2221標準に基づく設計についてもっと学びましょう。 PCBレイアウト内の導体が過度の温度上昇を経験しないように、IPC-2152標準に従ってください。 PCBレイアウトで導体のサイズを決定し、温度上昇を低く保つ方法についてもっと学びましょう。

伝送線路インピーダンス測定

伝送線路インピーダンス測定：偶数モード対奇数モード正確な伝送線インピーダンス測定が必要な場合、次のボードで使用する必要がある重要な値はこちらです。

PCBのあらゆる要素をAltium Designerでシミュレート

PCBのあらゆる要素をAltium Designerでシミュレート PCBの機能に、高速、高周波、デジアナ混在信号、低電流、RF通信のいずれかが含まれる場合、設計どおりのデバイス機能を実現するには設計の検証が不可欠です。それには、高度なシミュレーションツールとシームレスに統合された、回路図、レイアウト、コンポーネント管理のための優れたツールが必要になります。市場で最も優れたPCB設計ソフトウェアであるAltium Designerなら、複数のPCBシミュレーションツールを1つの環境で利用でき、回路基板の電源供給、シグナルインテグリティ、熱解析、デジアナ混在信号などを簡単にシミュレーションできるので、その他のツールを探す必要はありません。 Altium Designer 回路基板を構築する技術者向けのツールが豊富に含まれたPCB設計パッケージで、堅牢なPCBシミュレーションソフトウェアが組み込まれています。回路、および電子デバイス向けのシミュレータやシミュレーション手法は非常に数多く存在するので、これらのツール全てが1か所に集約されていると非常に便利です。シミュレーションによる設計の検証が必要な場合も、設計用とシミュレーション用のソフトウェアツール間で設計を移動するために時間を使う必要はありません。全てを1か所に統合したという宣伝文句の高価なPCB設計ソフトウェアパッケージではなく、市場で唯一の正式な統合PCB設計ソフトウェアパッケージをご検討ください。デバイス検証は基板レベルで直接行いますが、この重要なステップを完了するには、デバイス上の全ての回路に対応できるPCBシミュレータおよびテストツールが必要です。デバイスが複雑になるほどシミュレーションツールに求められる適応性が高くなりますが、使用中の設計プログラムを離れることなく、これらの重要なシミュレーションを実行して結果を解析することができます。Altium Designerは、手頃な価格でありながら、1つのインターフェース内で回路シミュレータツールをデザインに直接、関連付けられる、唯一の完全なPCB設計パッケージです。 Altium Designerで完全なパッケージを入手その他のPCB設計ソフトウェアプログラムにも統合されているものがありますが、これらは、PCB設計モジュールとPCBシミュレータモジュールの間で切り替えが必要です。これでは、完全な統合設計とは言えないばかりか、単純な回路シミュレーションの実行や最も基本的な設計ツールの使用にも、多数の不要な手順が必要です。Altium Designerだけが真に統合された設計環境として、設計からシミュレーションや高度な解析まで、全てを同一パッケージ内で提供します。設計、シミュレーション、コンポーネント管理の全ツールを1つのパッケージで提供統合された設計環境を使用すれば、回路設計またはレイアウトから別のシミュレーションプログラムへのエクスポートは必要ありません。重要なシミュレーションツールが、回路設計や回路基板レイアウトツールと直接、相互作用します。コンポーネントの機能、仕様、論理回路は全て広範なコンポーネントライブラリ内に定義されており、新しいコンポーネントが追加されると自動的にライブラリが更新されます。これらは全て、Altium Designer内で回路に対して適用できます。 PCBレイアウトに基づくシミュレーションには、高精度なCADツールが必要です。Altium Designerでは、重要な設計機能のカスタマイズが可能で、コンポーネントの配置もほかに例を見ない精度で実行できます。

PDNインピーダンス解析、およびモデリング：回路図からレイアウトまでシグナルインテグリティーはよく話題になりますが、シグナルインテグリティーはパワーインテグリティーと密接に関連しています。これは、電源/電圧レギュレーターからのスイッチングノイズまたはリップルを減らすだけではありません。PCB内のPDNのインピーダンスにより、基板のコンポーネントが電源の問題が原因で設計どおりに機能しなくなる設計上の問題が明らかになります。ここでは、PDNインピーダンス解析の基本モデルについて理解していきます。PDNインピーダンスのある程度、正確なモデルを構築できれば、コンポーネントに適したデカップリングネットワークを設計し、PDNのインピーダンスを許容範囲内に保持できます。 PDNインピーダンス解析を行う理由この記事をご覧の高速、および高周波設計者の方は、この質問に対する答えを既にご存じだと思います。しかし、技術的な需要の高まりに合わせ、全ての設計者が予想より早く高速および高周波設計者になることが考えられるため、PDNインピーダンスがPCBの信号の動作に与える影響を理解しておくことが重要です。残念なことに、この情報は必ずしも1つの場所に適切にまとめているわけではないため、ここで詳しく説明したいと思います。簡単にまとめると、PDNインピーダンスは回路の次の側面に影響します。電源バスノイズ。PCBの過渡電流が原因で生じる電圧リップル。PDNインピーダンスは周波数の関数であるため、スイッチングによって生じる電圧リップルも周波数の関数になることに注意してください。これらの過渡電流は、電圧レギュレーターからの出力のノイズレベルに関係なく発生する可能性があります。電源バスノイズの減衰。場合によっては、電源バス上のリップルがリンギング（減衰不足過渡振動）として示されることがあります。これは、デカップリングコンデンサーのサイズが適切でない場合、またはデカップリングネットワークでデカップリングコンデンサーの自己共振周波数が考慮されていない場合に発生する可能性がある1つの問題です。必要なレベルのデカップリング。従来、コンデンサーは自己共振周波数が相対的に低い（100MHz以下）ために、TTLと高速のロジックファミリーを使用するPCBでデカップリングを確保するには不十分でした。そのため、設計者はデカップリングを確保するのに十分な静電容量を提供するために、プレーン間静電容量を使用していました。自己共振周波数がGHzの新しいコンデンサーを利用すれば、高速/高周波PCBでデカップリングを十分提供することができます。電流リターンパス。リターン電流は最小抵抗（DC電流の場合）または最小リアクタンス（AC電流の場合）の経路をたどります。グラウンドネットワークのインピーダンスはスペースによって異なり、信号トレースとPDN間の寄生結合に一部、依存します。 IRドロップ。電源およびリターン電流のDC部分では、PDNを構成する導体の固有抵抗により一定の損失が生じます。以下の画像はPDN解析結果の例で、特定の信号トレースの下を通るリターン電流と、同じGNDプレーンのDC電流を示しています。タイミングジッター。信号の伝播時間は有限であるため、デカップリングコンデンサー、およびレギュレーターから引き出される電流がスイッチングコンポーネントに到達するまで時間がかかります。これらの信号がコンポーネントに到達すると、出力信号に干渉し、信号の立ち上がり時間にジッターを発生させる可能性があります。一般的に、パワーレールのノイズによるタイミングジッターは、ノイズの強度、およびレギュレーターとコンポーネント間の長さに応じて増加します。長いパワーレールでは、タイミングジッターが数ナノ秒で数百に達して、データの同期がとれなくなり、ビットエラー率が増加する可能性があります。このPDNアナライザー出力の信号トレースに注目 PDNインピーダンス解析の簡略モデル