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シミュレーションと解析

Altium DesignerとAltium 365を使用したEMIフィルターシミュレーションによるノイズ抑制

Thought Leadership Altium DesignerとAltium 365を使用したEMIフィルターシミュレーションによるノイズ抑制 Altium DesignerとAltium 365を使用したEMIフィルターシミュレーションによるノイズ抑制

PCBにおけるシグナルインテグリティー解析の基本

PCBにおけるシグナルインテグリティー解析の基本シグナルインテグリティー解析の重要な手順と、これらの手順によってPCBレイアウトの問題が特定されるかについて説明しています。

Altium Designerでの降圧コンバータシミュレーション

Altium Designerでの降圧コンバータシミュレーション新しい電源を設計する場合は、回路設計時に降圧コンバータシミュレーションを行うのが効果的です。Altium Designerでは回路図から直接、降圧コンバータシミュレーションを簡単に行えます。

Buckコンバータ用インダクタの選択方法

Thought Leadership Buckコンバーター用インダクタの選択方法 SMPSは、お気に入りの電子機器をスムーズに動かすために、静かに（しかし電気的にはノイジーに）活動しているデバイスの一つです。彼らは背景で静かに役割を果たしていますが、彼らがいなければボードは動作しません。電力をたくさん消費するアプリケーションのDC-DCコンバータ設計の一環として、安定した電力供給を高効率で負荷に提供するためには、コンポーネントの選択が非常に重要です。数多くのDC-DCコンバータトポロジーの中で、バックコンバータは入力電圧を下げるために、高効率の電力変換を提供するために多くの用途で使用されます。これらの電力コンバータのコンポーネント選択に関する一般的な質問は、バックコンバータ用のインダクタをどのように選択するかです。バックコンバータ内のインダクタや他のコンポーネントを扱う際の目標は、電力損失を熱に限定し、同時に電流リップルを最小限に抑えることです。バックコンバータのインダクタ以下に示すのは、SMPS用の基本的なバックコンバータトポロジーです。この図では、MOSFETからの出力がPWM信号で駆動され、ユーザーが選択したデューティサイクルでMOSFETをオン/オフします。インダクタとキャパシタは、PWM信号が切り替わる際に負荷に安定した電流を供給するために重要な役割を果たします。最終的に、PWM信号のデューティサイクルは、ユーザーが負荷に供給される出力電圧を制御するための主要な機能です。インダクタはPWM信号と同じレートで常に切り替わるため、出力に送られる電流にわずかなリップルを重ねる役割を担います。インダクタとキャパシタはLフィルタを形成し、これは基本的に2次のバンドパスフィルタです。十分に大きくESRが低いキャパシタを使用すると、キャパシタは低インピーダンスを提供し、リップルを構成する高周波成分は大部分が取り除かれます。バックコンバータ用のインダクタの選択方法インダクタの適切な値は、設計が許容できるリップル電流と、PWM信号に使用する予定のデューティサイクルに依存します。以下の方程式は、ダイオードの順方向電圧降下とMOSFETを通過するON状態の電圧降下の関数としての出力電圧を示しています。これらの電圧を考慮した後、出力電圧は次のようになります：いくつかの数学をスキップして、重要な結果に直接移ります。まず、インダクタンスとPWM周波数はリップル電圧に反比例します。次に、リップルはPWMデューティサイクルの二次関数でもあります。バックコンバーターのリップル電流は次のようになります： PWM信号の立ち上がり時間はどちらの方程式にも現れません。しかし、立ち上がり時間は、コンバーターから発生するノイズおよび損失（詳細は以下を参照）を決定する上で重要な役割を果たします。重要な結果は以下のようにまとめることができます：デューティサイクルを増加させるとリップルは減少しますが、出力電圧を入力電圧に近づけることにもなります。 PWM周波数を上げるとリップルは減少しますが、これによりMOSFETでの熱放散が増加します。ただし、これには注意点があります。エッジレートが速いPWM信号を使用すると、高いPWM周波数からの損失が減少します（再度、下記参照）。より大きな入力電圧を使用するには、リップルを許容レベルに減少させるためにより大きなインダクタを使用する必要があります。一般的に、リップルを減少させるためにはより大きなインダクタを使用します。 PWM立ち上がり時間が重要な理由インダクタは、出力電流上のリップルを生成し、同時に抑制する役割を担っていますが、これは上記のガイドラインを使用して設計で設定できる設計目標とすることができます。しかし、インダクタが制御できないスイッチングレギュレータのいくつかの重要な側面があります：スイッチング要素からの放射EMI：このトランジスタからのスイッチングノイズは、下流回路にいくらかのノイズを誘導することがあります。スキン効果による熱損失：これはインダクタの幾何学的形状の機能であり、インダクタンス値ではありません。インダクタがより大きな断面積と高い熱伝導率を持っている場合、インダクタからの熱がより高い速度で放散されます。トランジスタの熱損失：トランジスタは、スイッチングと調整中に最も多くの熱を発散します。しかし、より速いエッジレートを使用することで、この熱損失を抑制できます。なぜなら、MOSFETがPWM振動の間により完全にオフに切り替わるからです。

これらのアンプは動作中に安定していますか？PCB内のアンプの安定性について知っておくべきことがここにあります。

Thought Leadership 高周波数と漂遊容量におけるアンプの安定性アンプは、現代生活を可能にする重要なコンポーネントの一つです。無線通信からパワーエレクトロニクスまで、これらの製品が適切に機能するためには、アンプが安定して予測可能に動作する必要があります。安定性分析は、物理学と工学の中で私のお気に入りのトピックの一つであり、予想外の場所でよく出くわします。その一つがアンプです。フィードバックとゲインを持つ時間依存の物理システムは、システムが安定した振る舞いに達する条件を持っています。アンプの安定性は、これらの概念をアンプに拡張し、意図しないフィードバックによってシステム出力が望ましくない飽和状態に成長する可能性がある場所です。適切な設計とシミュレーションツールを使用すれば、レイアウトを作成する前に回路モデルの潜在的な不安定性を簡単に考慮に入れることができます。 RFアンプの安定性に及ぼす漂遊容量の影響アンプ回路の不安定性の源泉、およびアンプICの入出力ポート間は、寄生容量です。この寄生容量は、アンプに接続されるトレース間に存在します。寄生容量は、長いトレース（すなわち、伝送線）のインピーダンスを特定の値に設定するために重要です。しかし、寄生容量はまた、出力ポートと入力ポート間の意図しないフィードバックの経路を提供します。このフィードバックパスは容量性であるため、入出力信号の周波数が高いほどそのインピーダンスは低くなります。現在、これは通常チップレベルで対処されていますが、より多くのRFアンプがますます高い周波数で動作するにつれて、PCBのトレースやパッドからの寄与がより重要になってきます。わずか数pFの寄生容量でも、運用中にアンプを不安定にするのに十分です。ボードレベルでは、入力の漂遊容量が帯域幅を制限する効果を持ち、帯域幅は因子(1 + ゲイン)によって減少します。解決策は、アンプのポートでトレースとパッドを設計して寄生容量を最小限にするか、フィードバックループに補償容量を追加することです。高GHz帯域（例えば、mmWave周波数）では、コンポーネント間の間隔は臨界長よりも大きいため、インピーダンス制御ルーティングを使用する必要があります。SoCへの一部のコンポーネントの統合は、この問題を解消するのに役立っていますが、今後のデバイス用の多くのRFアンプは依然として個別のコンポーネントとしてパッケージされています。典型的な例は、mmWaveアプリケーション用の新しいパワーアンプです。アンプの安定性を評価する典型的な方法は、メーカーの評価ボードを使用して、直接、任意の過渡的な挙動を測定することです。もう一つの選択肢は、アンプに接続された入力および出力トレース上の寄生容量を決定し、これらをシミュレーションに含めることです。これらのシミュレーションでは、寄生容量を打ち消すために、アンプのフィードバックループに補償用のキャパシタを実験的に追加することもできます。シミュレーションでの漂遊容量の考慮方法あなたの回路図は、完璧な回路の2D描画に過ぎません。システム内のどこにも漂遊容量要素を含んでおらず、PCBの実際の挙動を正確に反映していません。とはいえ、適切な設計ツールを使用すれば、PCBに寄生を簡単に含めることができます。受動部品の自己共振をシミュレートしようとしているのか、またはシステムの他の部分の漂遊容量をシミュレートしたいのかにかかわらず、戦略的な場所に回路図にキャパシタを追加する必要があります。アンプの入力における漂遊容量をシミュレートするには、適切なサイズのキャパシタとACソースをアンプの入力に追加するだけです。キャパシタはシャント要素として配置されます（つまり、共通のグラウンド接続に接続されます）アンプの入力ポートと出力ポートに。また、アンプコンポーネントの検証済みコンポーネントモデルを使用して、寄生容量の存在下でのアンプの動作を把握する必要があります。シャント容量要素は、基板内のグラウンドと入出力トレース間の結合をモデル化します。その後、2種類のシミュレーションを実行できます：過渡解析および極-零点解析。過渡解析の予想結果過渡解析では、アンプが動作するにつれて信号が不安定になり、時間とともに飽和に達するかどうかを確認できます。以下のグラフは、大きな寄生容量による強い不安定性を持つ100 GHz信号の例示結果を示しています。ここでは、意図しない強いフィードバックと高入力信号レベルにより、出力の過渡電圧が2Vの飽和値に達しています。

Altium Designerにおけるフィルタ伝達関数と極-零点解析

Altium Designerにおけるフィルタ伝達関数と極-零点解析電子工学の授業で回路解析の問題に何時間も費やしたことを覚えています。手計算で様々なフィルター/アンプの構成を分析する方法を学びました。回路は通常、フィードバックがない限り、オームの法則やキルヒホッフの法則で扱えました。RFコンポーネント用の広帯域やマルチバンドマッチング回路など、高度なアプリケーションの回路は、手計算で分析するのがすぐに難しくなります。しかし、複雑なフィルターの共振周波数の数が2または3を超えると、問題はすぐに扱いきれなくなります。この時点で、問題は通常、3次以上の多項式の分解または直接解を求めることになり、手計算では管理不可能になります。数学が得意な私でも、高次の多項式の問題は好きではありません。幸いなことに、複雑なフィルターを扱う際には、信号の挙動の多くの側面を決定できます複雑なフィルター回路の解析以下の回路図に示されている回路は、かなり複雑なフィルターです。一般的な実践でこのタイプのフィルターに遭遇することはないかもしれませんが、マルチバンドアンテナ用のマッチング回路を設計しているときには、かなり近いものになります。この回路では、ソース（V2）が信号をバンドパスフィルターに送り、この部分からの出力（キャパシタを通過する電圧）がバンドストップフィルターに入力されます。フィルターからの出力電圧はL3とC3を通過する電圧で測定されます。このフィルター回路は、Miscellaneous Devices.IntLibライブラリの汎用コンポーネントを使用して構築されました。正弦波源（V2）は、Simulation Sources.IntLibライブラリで見つけることができます。このフィルターの簡単な分析では、2つの重要な極があると言えます。バンドパスRLC共振周波数での出力電圧のピークと、バンドストップ共振周波数での出力電圧のゼロです。しかし、実際にはこれは正しくありません。これは、キャパシタC1とインダクタL1もこの回路のバンドストップ部分と共振しており、回路の伝達関数に複雑な共振構造を作り出しているためです。見ていくとわかるように、フィルター伝達関数には2つ以上のピークとゼロがあります。これは通常、回路と入力信号をラプラス領域に変換することによって行われます。一般に、伝達関数は以下の方程式に示されるように、積の分数として書くことができます。この方程式では、各zは伝達関数のゼロであり、回路が出力電圧を通過させない特定の周波数と減衰率に対応しています。各pは極であり、伝達関数のピークに対応します。フィードバックのない線形回路では、極は虚数共役ペアまたは負の実部を持つ完全な複素共役ペアとして現れます。極の実部は、回路の過渡的な挙動を教えてくれます。出力電圧の臨界点を計算することで共振を計算しようとすると、臨界点を決定するために6次の多項式を解く必要があることがわかります。上記の回路についても、この回路の極を決定するために6次の多項式を解く必要があります。この問題は技術的に解決可能ですが、周波数領域での回路の挙動を決定するためにSPICEシミュレータを使用する方が速いです。この演習を手作業で行う代わりに、Altium Designerで SPICEシミュレーションを使用してこの問題を解決します。フィルタ伝達関数の計算この回路の伝達関数を計算するために、入力と出力に2つのプローブ（IとV）を配置しました。入力電流は、回路がそのバンドパスまたはバンドストップ共振で共振するたびに、いくつかの減衰または増幅を経験します。出力電圧測定（Vプローブ）の比較は、特定の周波数での入力電圧と比較して伝達関数を構築するために使用されます（上記の方程式を参照）。始めるには、シミュレーションダッシュボードを開き、分析に使用するソースと測定プローブを選択します。次に、以下の分析を有効にします：伝達関数：伝達関数の計算に使用するソース名と基準ノードを選択してください。極-零点解析：入力ノードをR1（NetR1_2）に接続されたネットに設定し、出力ノード（NetC2_1）を設定します。基準ノードオプションを「0」に設定したままにしてください。これは、基準を地面に対する電圧測定とするためです。ネット上のどこかに地面に接続されたコンポーネントがある場合は、これらのオプションを変更する必要があります。私の設定は下の画像に示されています。