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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 PCB Design and Simulation Workflows Altium DesignerのSPICEシミュレーション xSignals in Altium PDN Analyzer for DC Power Integrity
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Excel スプレッドシートを使用したキャパシタのインピーダンス対周波数のモデリング Excel スプレッドシートを使用したキャパシタのインピーダンス対周波数のモデリング 1 min Whitepapers 以前の記事 で述べたように、2日間の設計コースのクラスノートに基づいて、電源サブシステムの設計を正しく行うことは、今日の高速PCB設計プロセスで最も難しい側面です。このプロセスの主要な側面は、最終製品で適切に機能するように電源をモデル化することです。このモデリング努力の重要な部分は、キャパシタのインピーダンス対周波数をモデル化できるようにすることに焦点を当てています。これは十分に単純で、Excelスプレッドシートを使用して行うことができます。 この記事では、キャパシタの集団がどのように選ばれるか、この努力の一環としてExcelスプレッドシートがどのように使用されるか、キャパシタを分析するためのSPICEモデルがどのように作成されるか、そして実際の回路と完全なPDNの要素に対する結果の予測がどれほど近いかを説明します。この記事で強調されるのは、Alteraから無料で提供されている PDNツールです。 キャパシタのインピーダンス対周波数を支配するものは何か？ Excelスプレッドシートを使用してキャパシタのインピーダンス対周波数をモデル化する方法について詳しく説明する前に、 キャパシタがどのように振る舞うかを理解することが重要です。 キャパシタには3つの要素があり、それらは以下の通りです： キャパシタ自体。 キャパシタと取り付けリードのインダクタンス。 導体の抵抗。 上記の要素は直列に発生し、RFエンジニアは結果として得られるデバイスを一連の調整回路としてラベル付けします。 キャパシタの振る舞いを理解するには、以下の基準に基づきます： 低周波数では、インピーダンスは非常に高いため、キャパシタの振る舞いは見えません。 高周波数では、キャパシタはインダクタとして機能します。 図1は、2つの一般的なキャパシタのインピーダンス対周波数を示しています。 低周波数では、キャパシタのインピーダンスは予想通りです。最終的に、寄生インダクティブリアクタンスとキャパシティブリアクタンスは一つの周波数で等しくなり、共振時のLC回路のように互いに打ち消し合います。グラフの下部では、キャパシタのインピーダンスはESR（等価直列抵抗）に等しくなります。 注：ESRは、コンポーネントリードを作る導体の有限の電気伝導率によるすべてのコンポーネントの寄生抵抗です。 コンデンサのグループは、回路内でのコンデンサの配置方法に依存して、直列共振と並列共振を示すことがあります。各共振は、特定の周波数（または周波数群）でインピーダンスが最小になるときに発生します。共振周波数の周辺では、コンデンサは電源で最も有用ですが、比較的狭い周波数範囲でのみ有用です。有用な周波数をより広い範囲に拡大することは、PDNで複数のコンデンサを使用する理由の一つです。 適切なインピーダンス計算 記事を読む
電力サブシステム設計のためのPDNインピーダンス測定 電力サブシステム設計のためのPDNインピーダンス測定 1 min Blog 電力サブシステムが適切な電力を供給するためには、カスタムテストプローブを使用して周波数に対するPDNインピーダンス測定を行う必要があります。 記事を読む
PCB用のスキーマティック・ネットリストとは何ですか？ PCB用のスキーマティック・ネットリストとは何ですか？ 1 min Thought Leadership 次の素晴らしい回路図を作成した場合、設計ソフトウェアの背後には多くのことが行われています。回路図内のコンポーネント間の接続は、少数の論理的および電気的識別子に還元することができます。回路図は異なるコンポーネントとピン間の接続を示すグラフィカルな画像を提供するかもしれませんが、設計についてすべてを本当に理解するためには、重要な文書が必要になります。 回路図のネットリストは、実際のPCBを作成するために設計ソフトウェアの複数の機能で使用される中心的な情報の一つです。回路図のネットリストは、電気的接続情報を提供するとともに、設計データの機能構造を単一のデータセットで反映します。データを再利用する必要がある場合や、シミュレーションツールで電気的接続を迅速に定義する必要がある場合、ネットリストは回路図設計からこれらの他のツールへの移行を助けてくれます。また、設計レビューの一環として、製造業者にネットリストのコピーを提供する必要もあります。PCB設計ソフトウェア内のネットリストの正確な構造をもう少し詳しく見てみましょう。 スキーマティックネットリストには何が含まれていますか？ さらに進む前に、EDAソフトウェアで使用されるネットリストには、IC設計やPCB設計用の異なるタイプがあることを理解しておく必要があります。これらのネットリストは、ロジック、コンポーネント間の接続、および階層的な関係を定義することができます。ネットリストは、設計の構造と機能を要約するための強力なツールです。ネットリストにはグラフィカルな情報は含まれていません。これはスキーマティックドキュメント自体に含まれています。 それはそうと、回路図とそのネットリストは密接に関連しています。ネットリストは回路図から生成することができるし、回路図（ フラットまたは階層的）はネットリストから生成することもできます。PCB回路図の情報に関して言えば、ネットリストには複数のデータエントリが含まれ、各エントリには以下の情報が含まれます： ネットラベル：スキーマティック内の特定のネットに付ける名前です 参照指定子：ネット上に接続されたコンポーネントのための指定子です ピン番号：ネット上の各コンポーネントはいくつかのピンを持っているため、ネット上の各コンポーネントのピン番号がネットリストに表示されます スキーマティックのネットリストの読み方を知っていれば、回路がシミュレーションの準備時にSPICEネットリストにどのように変換されるかを見ることができます。また、サードパーティのライブラリからのネットリストに見つかるかもしれないエラーをトラブルシューティングすることもできます。 回路図をキャプチャして初期レイアウトにインポートすると、回路図のネットリストデータが使用されて、未配線のレイアウトで見られる接続線が作成されます。回路図にこれ以上の変更を加える必要がない限り、ボードを配線する際に設計データが一貫していることを確信できます。ただし、製造前に BOMとガーバーファイルが回路図とネットリストの情報と一致していることを確認する必要があります。 製造業者がネットリストをどのように使用するか 設計レビュー中に、回路図のネットリストのデータがGerber、BOM、および回路図のデータと比較されます。ネットリストとこれらのドキュメントの1つ以上の間に不一致が見られることはよくあります。これは、ほとんどの場合、設計が完了する前にネットリストとBOMをエクスポートした結果であり、設計を送信する直前の最後の変更により、BOM、ネットリスト、およびGerberを再構築して、すべてのデータが一致していることを確認する必要があります。これが繰り返しに聞こえるかもしれませんが、低品質の製造業者を使用して不良のボードのバッチを郵送で受け取るよりはましです。 製造業者は、ネットリストを使用してベアボードテストの要件を定義します。ネットリストの接続性は、ベアボードテストプロセスに使用されるテストフィクスチャにプログラムされます。ODB++データファイル形式は、ネットリストをパッケージから生成できるため、製造において好ましい形式です。それ以外の場合は、Gerberファイルと一緒にIPC-D-356ネットリストを送信することをお勧めします。これにより、ベアボード製造前に徹底的な比較が可能になります。 古いプロジェクトのネットリストを捨てないでください デザインの再利用は新しい概念ではなく、 頻繁に使用するライブラリや回路ブロックを保持することから全てに及びます。異なるEDAアプリケーションからの設計データを希望のプラットフォームにインポートすることは難しい場合があります。次の設計は古い設計のバリアントであるかもしれませんし、元の回路図/レイアウトの特定の機能ブロックを参照する必要があるかもしれません。古いプロジェクトからのネットリストを保持しておくことで、元のレイアウトや/および回路図データが破損しているかアクセスできない場合でも、新しい設計プラットフォームでそれらを再構築するのに役立ちます。 回路網リストに配置されたデータは特定の形式で高度に構造化されているため、異なる設計プラットフォームは新しい設計を構築する際に互いの回路網リストを再利用することができます。古い設計のコンポーネントに対してモデル、回路図シンボル、PCBフットプリントを持っていれば、新しいソフトウェアで元の設計を手動で再構築する必要はありません。回路網リストからネット名、参照指定子、ピン番号を読み取ることはできますが、古い回路網リストから設計を迅速に再構築できる設計ソフトウェアを使用する方がはるかに良いでしょう。 Altium 記事を読む
Altium Designerでの多層PCBスタックアップの計画 1 min Blog PCB設計者 PCB設計者 PCB設計者 近年のPCBが、単層や2層の基板で設計されることはほとんどありません。最新のPCBでは高密度の接続と多数のコンポーネントが使用されており、これからの設計は多層PCBになっていくと考えられます。手掛けるデバイスのフォームファクターがかつて見たことのないものであれば、リジッドフレキシブル基板を使用することになるでしょう。こうした種類のPCBには、適切なスタックアップが不可欠です。つまり、直感的なスタックアップ マネージャーを備えるPCB設計ソフトウェアが必要になりますが、Altium Designerではマルチレイヤー スタックアップを直接、PCBレイアウトに簡単に同期できます。 Altium Designer マルチレイヤー スタックアップの管理ツールを備えるPCB設計ソフトウェアパッケージ マルチレイヤーのスタックアップの最適な方法は、数々の要素によって変わってきます。特定の方法がなければ、あらゆる設計や配線、EMCの要件に同時に対処できます。多層PCBのデバイスのアプリケーションによっても、レイヤースタックアップの最適な方法は決まります。Altium Designerの統合設計環境では、優れたスタックアップ ツールからレイアウト、シミュレーション、ルールチェックの機能を直接使用できます。 マルチレイヤー スタックアップの計画 どんな回路基板でも、コンポーネントや銅箔の配置に関して計画を立てなければなりません。単層のPCBでさえ、レイアウトに関する計画がなければ製造にリリースできません。PCB設計では、回路の設計が終わるまでコンポーネントの配置に常に注意を払う必要がありますが、これは多層PCBにも当てはまります。両面PCBや多層PCBでは、ベリードビアの穴を追跡したり、厚さや外層について計画したりすることができます。 今後の多層PCBのスタックアップ方法を計画する際は、信号プレーンとパワープレーン/GNDプレーンの繰り返しになり、各レイヤーが絶縁コアかプリプレグで分離されることが一般的になるでしょう。リジッドフレキシブル基板は本質的に多層基板であり、それぞれにスタックアップの要件があります。その目的はレイヤー間のクロストークとEMIを抑制すると同時に、効率的な配線を可能にすることです。 多層PCBのスタックアップ方法 多層PCBの設計は技であり、芸術でもあります。設計全体のプロセスは、レイヤーの配置によって変わってきますが、レイヤー間を配線するためにビアを使用し、適切なパワープレーンとGNDプレーンのペアの配置を選択して、製造業者向けの情報をすべて含めた書類を作成する必要があります。これらは、優れたレイヤー構成マネージャーを備えるPCB設計ソフトウェアがなければ完了できません。 スタックアップの各レイヤーにはそれぞれの機能がありますが、これらはマルチレイヤー スタックアップで指定する必要があります。 マルチレイヤーのスタックアップ方法について、詳しくはこちら 記事を読む
TRANSLATE: 銅箔の粗さが信号とインピーダンスに与える影響 TRANSLATE:

銅箔の粗さが信号とインピーダンスに与える影響 1 min Blog 工学、特に電気工学と機械工学の歴史は、途中で役立たずになった近似値で溢れています。これらの近似値は一時期はうまく機能し、数十年にわたって技術を大きく前進させました。しかし、どんなモデルにも適用可能な限界があり、典型的なRLCG伝送線モデルや周波数非依存のインピーダンス方程式も例外ではありません。 では、これらの方程式の問題は何でしょうか？上級のPCBエンジニアや製造業者はこれらを頻繁に引用し、それらを福音のように見せかけますが、多くの複雑な技術概念と同様に、これらのモデルや方程式はしばしば十分な文脈なしで伝えられます。ここで物理学が醜い顔を出し、モデルが引き続き適用可能であるためには変更が必要だと告げます。 銅箔の粗さモデリングや関連する伝送線インピーダンスシミュレーションは、標準モデルが信号の振る舞いを正しく扱えない多くの領域のうちの一つです。 銅箔の粗さがインピーダンスと損失にどのように影響するか 伝送線インピーダンスのRLGCモデルを見ると、インピーダンスに寄与する4つのパラメータがあります（すべて標準単位/単位長さで表されます）： R：伝送線の直流抵抗で、線の導電率に依存します。 L：伝送線のループインダクタンスで、純粋に線の幾何学的形状の関数として取られます。 C：線の全容量で、これも線の幾何学的形状の関数として取られます。 G：基板の導電率で、特定の周波数での損失角と任意の寄生直流導電率をモデル化することを意味します。 業界の多くの人があなたに教えてくれないことがあります：これらのパラメーターはすべて周波数依存であり、抵抗項を含みます！「ちょっと待って、EE101のクラスでみんなが抵抗は周波数に依存しないと言っていたけど、どういうこと？」と思っているかもしれません。 2014年にさかのぼると思いますが、 IEEE P802.3bj タスクフォースが初めて100 Gb/s Ethernet PHYインターコネクトの因果モデルを受け入れる提案を提示されました。このモデルでは、上記のインダクタンス、容量、抵抗の項が周波数依存性を含むように修正されました。基板の分散を考慮することで容量項は容易に修正されました。では、抵抗とインダクタンスはどうでしょうか？高周波での導体内のスキン効果により、周波数による抵抗の依存性が生じます。 スキン効果は、電流が高周波で振動するときに、導体の表面近くに電流が集中する現象を指します。完全に滑らかな導体では、スキン効果はGHz周波数に達するまでごくわずかです。しかし、銅の粗さが存在する場合、特定の周波数範囲内で損失がかなり大きくなることがあります。スキン効果は線路のインダクタンスも増加させます。全体的な効果は、標準のRLGCモデルで予測される値から線路インピーダンスの変更です。 基板の分散を考慮しない場合でも、 等価回路項の分散は常に理想的なインピーダンスからの逸脱を引き起こします。マイクロ波やミリ波領域に深く入ると、インターコネクトを設計する際に銅の粗さを考慮する必要があります。 記事を読む
高電圧SMPS PCBレイアウトで熱とノイズを最小限に抑える 高電圧SMPS PCBレイアウトで熱とノイズを最小限に抑える 1 min Thought Leadership AC-DC変換であれDC-DC変換であれ、スイッチング電源のレイアウトは高電圧設計で一般的であり、慎重に構築する必要があります。このシステムは非常に一般的ですが、スイッチング中の電圧と電流の急激な変化により、簡単にEMI（電磁干渉）を放射する可能性があります。設計者は、ある領域のわずかな変更が診断が困難なEMI問題を引き起こす可能性があるため、既存の設計を新しいシステムに適応させることはほとんどありません。 適切なレイアウト選択と配線を行うことで、SMPSの出力からノイズが重大な問題になるのを防ぐことができます。低電圧コンバータは異なるフォームファクターでICとして購入できますが、高電圧コンバータは専用のボード上で個別のコンポーネントから製造する必要があります。ここでは、コンポーネントを冷却し、システムのノイズ問題を防ぐための重要なSMPS PCBレイアウトのヒントをいくつか紹介します。 SMPS PCBレイアウトのノイズと熱問題 どうしても避けられないことですが、任意のSMPSはトランジスタドライバのスイッチング動作により、中程度の高周波ノイズを発生させます。実際には、AC-DC変換中の全波整流器からの低周波リップルを高周波スイッチングノイズに変換しています。この変換によりより安定したDC出力が得られますが、依然として2つの重要なノイズ源が問題となります： スイッチング素子からの直接的なスイッチングノイズ。 システム内の他の場所での過渡的なノイズ。 SMPSユニットの出力には、伝導ノイズとしても放射ノイズとしてもノイズが現れることがあります。各問題の原因を診断するのは複雑になることがありますが、2種類のノイズを区別することは容易です。SMPS PCBレイアウトにおける他の設計上の課題は、ボード内で発生する熱です。これは、適切なPWM周波数、デューティサイクル、立ち上がり時間を選択することで影響を受けることがありますが、ボードで適切な熱管理戦略を使用する必要があります。これら2つの課題を念頭に置いて、SMPS PCBレイアウトで注意すべき細かな点を見てみましょう。 熱管理 理想的なSMPSはゼロパワーを消散しますが、現実にはこれは起こりません。スイッチングトランジスタ（およびAC-DC変換用の入力トランス）が、熱として大部分の電力を消散します。スイッチング電源トポロジーでは効率が90％を超えることもありますが、電力MOSFETはスイッチング中にかなりの熱を発散することがあります。ここでの一般的な実践は、重要なスイッチングコンポーネントにヒートシンクを設置することです。これらをグラウンドプレーンに接続して 新たなEMIの発生源を防ぐことを確認してください。 高電圧/高電流の電源では、これらのヒートシンクはかなり大きくなることがあります。エンクロージャにファンを取り付けることで、システムの冷却をさらに強化できます。ただし、新たなEMI問題を引き起こさないように、このファンの電源供給に関して ベストプラクティスに従うことを確認してください。 SMPS PCBレイアウトのヒント あなたのPCBスタックアップ レイアウトは熱管理に多少役立ちますが、EMIの感受性に関してはより大きな決定要因です。伝導ノイズは通常、入力回路と出力回路に 記事を読む
Buckコンバータ用インダクタの選択方法 Buckコンバーター用インダクタの選択方法 1 min Thought Leadership 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。 記事を読む