シミュレーションと解析

Thought Leadership SMPS回路設計：どのスイッチング周波数を使用するか？ネットワークスイッチの電源供給電力エレクトロニクスおよびスイッチングモード電源（SMPS）の設計者は、高いスイッチング周波数を使用するとシステム内のスイッチング損失が増加する可能性があることを知っておくべきです。しかし、電源とそれに含まれるコンポーネントの小型化を推進する中で、設計者はSMPS回路設計において高いスイッチング周波数を使用することが求められます。これにより、スイッチング損失やノイズがシステム内で深刻な問題となることがあります。ほとんどのエンジニアリングの決定と同様に、適切なスイッチング周波数を選択することは、コンポーネントのサイズを小さくする、損失を減らす、ノイズを取り除くというトレードオフのセットを伴います。これら3つを同時に達成することは難しい、または不可能です。しかし、賢いPCBレイアウトの決定を行うことで、SMPS回路における高周波数とエッジレートの必要性と、ノイズを最小限に抑える必要性とのバランスを取ることができます。 SMPS回路における周波数、損失、ノイズの最適化 SMPSがより小さなコンポーネントで動作するためには、スイッチングPWM信号を高い周波数で動作させる必要があります。出力インダクタ、キャパシタ、およびダイオードは、出力を通じてDC電力を伝達するように設計されており、スイッチングノイズ、入力電圧からの残留リップル（例えば、整流回路からのもの）、および入力に存在する可能性のある任意の不要な高調波をフィルタリングします。言い換えると、出力はある特定の帯域幅内でローパスフィルター（実際には、これはRLCバンドパスフィルターです）のように機能します。このフィルターのロールオフ周波数を定義することができます（スイッチングデジタル信号のニー周波数と混同しないでください）。 PWMスイッチングノイズが出力を通じて伝播するのを防ぐためには、PWMスイッチング周波数は回路のロールオフ周波数よりも大きくなければなりません。SMPS回路でバックまたはブーストトポロジーを使用している場合でも、出力のロールオフ周波数は出力キャパシタンスとインダクタンスに反比例します。言い換えると、十分に高いPWMスイッチング周波数を使用すれば、SMPS回路でより小さなコンポーネントを使用できます。バックブーストSMPS回路図一般的に、SMPS回路におけるPWM信号の切り替え周波数が損失の主要な決定要因であり、それが熱に変換されると考えられています。高い周波数を使用する際のこの問題は正しいですが、周波数だけがMOSFETの損失を決定する唯一のパラメータではありません。実際には、SMPS回路で使用されるパワーMOSFETでは、エッジレートがSMPS回路の発熱損失の重要な決定要因です。回路要素が理想的であるとは限りませんが、適切でない場合にそれらをそう扱いがちです。上記のMOSFETにも同じことが当てはまります。PWM信号が0Vに落ちたとき、MOSFETが完全にオフにならず、エッジレートが遅すぎると導通し続けることがあります。PWM信号のエッジレートを上げると、MOSFETは完全にサイクルされ、OFF状態での導通が少なくなります。これは、実際には切り替え周波数を高い値に設定しても、電力損失を減少させます。高いPWM周波数と速いPWMエッジレートの組み合わせにより、SMPS回路で使用されるコンポーネントを小さくすることができます。電力損失（つまり、熱放散）が低いため、小さなヒートシンクを使用できます。しかし、高周波数のPWM信号は強く放射し、速いエッジレートは回路内で過渡応答を引き起こします。この挙動は、MOSFETパッケージとボードレイアウトレベルでの寄生容量と寄生インダクタンスに完全に関連しています。SMPS回路が寄生インダクタンスが最小限になるようにレイアウトされていることを確認する必要があります。賢いレイアウト選択でSMPSのノイズスパイクを減らす SMPS回路（ダウンストリームPDNを含む）の寄生インダクタンスは、SMPS回路の電圧スパイクの大きさを決定します。寄生容量もSMPS回路の電圧/電流スパイクに寄与しますが、これが支配的になるのはkVレベルで作業している場合です。寄生インダクタンスによるこの特定の電圧スパイクは、SMPSレイアウトの回路ループを占有し、コンポーネントを故障のポイントまでストレスさせる可能性があります。高速なエッジレートを使用すると、SMPS回路に大きな過渡電流が誘導されます。標準厚さのFR4上の比較的短いトレース（数cm）でも、約10nHの寄生インダクタンスがあります。PWM信号の急速な立ち上がりエッジと数アンペアのON電流が、数ボルトのスパイクを誘導することがあります。時間が経つにつれて、これはコンポーネントにストレスを与え、SMPSの故障につながります。高いスイッチング周波数と速いPWMエッジレートを使用すると、このインダクターやこれらのキャパシターよりも小さいコンポーネントを使用できます。この課題を克服することは難しい場合があり、SMPS回路の寄生成分を抽出することが必要です。これらの回路を設計する際の典型的な戦略は、機能を検証するために回路図からシミュレーションを実行し、プロトタイプを作成した後にテストを行うことです。ここで概説されたガイドラインを活用すれば、動作するデバイスを得るために必要なプロトタイピングの回数を減らすことができるでしょう。 Altium Designer^®の設計ツールは、SMPS回路を設計し、製造と組み立てに持ち込むことができる強力なレイアウトを作成するのに理想的です。

Thought Leadership PCB内の信号歪み：原因と解決策高速信号の長さ合わせは、すべて同期に関するものです... 信号の歪みは、信号の整合性や回路分析に関する多くの議論でしばしば触れられるだけのものです。より多くのネットワーク製品が高速で動作し、複雑な変調方式を使用するようになると、信号の歪みがビットエラー率に寄与する深刻な問題となることがわかります。歪みの源は、電気的な相互接続でのデータレートの速度向上を妨げる主要なボトルネックの一つとして挙げられています。同じ問題は、特に10GHz台の周波数で動作するアナログ信号においても見られます。RF/ワイヤレス領域の設計者は、設計、テスト、測定中にこれらの信号の歪み源を理解する必要があります。線形対非線形の信号歪み信号の歪みのすべての源は、線形または非線形として分類することができます。それらは調和波の生成という点で異なります。非線形歪みの源は、信号が源を通過する際に調和波を生成するのに対し、線形信号歪みの源は調和波を生成しません。歪みの両方の源は、信号を構成する周波数成分の大きさと位相を変更することができます。信号の歪みの異なる源は、帯域幅の歪み源と特定の信号の周波数内容に依存して、異なるタイプの信号（アナログまたはデジタル）に異なる影響を与えます。信号の歪みの異なる源は、変調のタイプに応じて、変調された信号にも異なる影響を与えます。明らかに、異なる信号の歪み源の範囲は広く、すべての源を詳細にカバーすることはできません。しかし、PCBトレースとコンポーネントにおける線形および非線形の信号歪みのいくつかの重要な源を要約することができます。線形信号歪みの源周波数応答と位相歪み。線形回路での周波数スイープシミュレーションに慣れている場合、伝達関数が線形回路内の信号の位相と振幅の変化を定義することを知っているでしょう。回路、特定のコンポーネント、または相互接続の伝達関数は位相シフトを適用し、信号の大きさを調整します。位相と振幅のこれらの変化は周波数の関数であり、ボード線図で視覚化されます。これは、異なる周波数成分が異なる量だけ遅延され、これらの異なる周波数成分が異なる量で増幅または減衰されることを意味します。不連続。この広範な歪み源には、相互接続に沿ったインピーダンスの不連続（例：ビアやトレースのジオメトリ）や材料特性の不連続（例：ファイバーウィーブ効果から）が含まれます。分散歪み。これは、基板、導体、およびボード内の他の材料における分散によって生じます。この歪み源は避けられませんが、相互接続の長さが短い場合には気付かない程度に小さくすることができます。基板内の分散は、デジタル信号の異なる周波数成分がトレースを異なる速度で移動する原因となります。分散はまた、トレース上の信号によって見られる損失角度に影響を与え、信号歪みに寄与します。これにより、パルスが伸びる（つまり、群速度が周波数依存になる）ことが起こり、分散補償がない超高速レーザーで起こるのと同様です。 PCB相互接続で分散を補償する一つの解決策は、 DSPアルゴリズムを使用するか、正と負の群速度分散を交互に持つ層状基板ウィーブを使用して、関連する周波数範囲での正味の分散がゼロになるようにすることです。この特定のトピックは十分に広範なため、独自の記事に値します。この優れた記事をSignal Integrity Journalで、PCBトレースの分散に関する完全な議論をご覧ください。

Thought Leadership Altium Designerにおける電子システムレベルの回路設計エレクトロニクスシステムレベルの設計では、機能性と抽象化に焦点を当てることができます PCBレイアウトエンジニアの日常は、回路図を実際の製造可能なPCBに変換することについてです。これが実現する前に、設計は機能性を設計することに焦点を当てた抽象レベルで始まります。全体的な設計プロセスが進むにつれて、設計要件はより詳細になり、信号処理レベルに達し、最終的にはコンポーネントレベルに達します。新しいシステムに独自の機能性を作り出そうと忙しい設計者やエンジニアは、信号処理レベルで操作し、先進的なアプリケーションのための新製品を構築することを可能にする設計機能が必要です。なぜシステムレベルで始めるのか？新しい技術分野では、かなりの信号処理が必要とされ、これはコンポーネントレベルに到達する前にシステムレベルで決定される必要があります。自動車およびUAVレーダー、テレコムおよびファイバーネットワーキング、産業制御、センサーデータ取得および処理、その他多くの混合信号アプリケーションは、馴染みのある例でしょう。必要な信号処理ステップが決定され、完成されると、設計者やエンジニアはこれらの機能を回路図およびボードレベルで実装するために必要なコンポーネントを決定することができます。 Altium Designer^®の幅広いシミュレーションツールセットは、システムレベルでの作業に理想的です。設計者は、高い抽象レベルでシステムレベルの信号処理ステップを設計する自由を持ちます。必要な信号処理ステップを実装するために必要な機能を決定したら、その機能をコンポーネントレベルで実装するための幅広いコンポーネントにアクセスできます。Altium Designerでこれがどのように機能するか見てみましょう。 Altium Designerにおける電子システムレベル設計 Altium Designerでのシステムレベル設計は、新しい回路図から始まります。ここで、コンポーネントライブラリにあるすべての回路シミュレーション機能にアクセスできます。新しいプロジェクトと空の回路図を作成すると、回路図にシミュレーションモデルを追加し始め、ユニークな機能と信号処理ステップを設計できます。下の画像では、Altium Designerの標準シミュレーションおよびモデリングツールを使用して、シンプルなブロック図を作成しました。ここでは、加算器を使用したフィードバックループを含め、まもなく説明する2つの処理ブロック（ABM1とラベル付けされている）で意図した信号処理ステップが含まれています。信号処理ステップを設計するためのブロック図上の画像で、コンポーネントパネルを開いて多数の標準ライブラリを読み込んでいるのがわかります。赤いボックスで囲んだのは、関連するシミュレーションおよびモデリングライブラリです。これらのライブラリを使用すると、電圧/電流源（区分線形、任意、正弦波、電圧/電流制御源）などの標準的なシミュレーションモデルにアクセスできます。また、多数の数学関数にもアクセスできます。フィードバックループを作成するために、電圧を加算する関数（M_IN、設計ID ADDVとラベル付けされている）を使用しました。これらのシミュレーションモデルに加えて、Simulation

Altium Designerでアンプのシミュレーションを作成する方法高速信号の配線長の一致は、すべて同期に関連するテストと測定の段階は迅速に済ませたいものです。最終的に設計段階が完了すると、試作のテストを行えるようになります。これは同時に、システムに必要なコンポーネントを絞り込み、システムで計画している機能を評価することでもあります。回路のテストと測定は非常に重要ですが、これらは比較の基礎がなければ意味を成しません。シミュレーションの役割アンプでも他のどのような回路でも、シミュレーションツールは基板をレイアウトする前に回路を検証する際に重要です。多くのコンポーネント製造業者は特定のアプリケーションに特化したIC、SoC、SoMを製造していますが、コンポーネントによっては要求に対処できない場合もあります。次のシステムで使用する革新的な機能を実現するためには、多くの場合に各種のICや別々のコンポーネントからカスタム回路を構築する必要があります。このような場合は、設計を評価するためにシミュレーションツールが有用です。シミュレーションの結果は、後で試作のテストを開始するときや、特化したコンポーネント