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第31回電源システム技術シンポジウムD4「小型化に向けた受動部品の使いこなしとシミュレーション技術」

スイッチング電源のノイズ解析・EMIシミュレーション技術

高野修平キーサイト・テクノロジー合同会社EDAソリューション統括部アプリケーション・エンジニア

2016/4/21

Pageアジェンダ

– スイッチング電源設計を取り巻く環境

– 基板の影響を考慮した設計

• サージ・ノイズ発生の原因

• 基板上の電流密度分布の可視化

– 実例紹介

– まとめ

2016/4/21

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スイッチング電源設計を取り巻く環境

「小型化に向けた受動部品の使いこなしとシミュレーション技術」

基板も受動部品の一つとみなし、基板の配線パターンの使いこなしとシミュレーション技術について紹介します。

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小型化

コスト削減

高効率化

ノイズ対策

スイッチング周波数の高速化

レイアウト寄生インダクタンスの低減

試作回数の削減

使用する部品の小型化

SiC, GaN等の利用急峻なスイッチング波形の利用

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スイッチング電源設計を取り巻く環境

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サージの増大

効率の低下

回路のみの解析結果

回路＋電磁界の解析結果

Pageアジェンダ





– 実例紹介

– まとめ

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基板の影響を考慮した設計

– 高速な電流の変動は、配線のインダクタンス成分とdi/dtの積により、大きなリップル電圧、サージ電圧の原因になります。

– さらに、大きな電圧変化により、デバイスの破壊や、ノイズの増大を引き起こします。

サージ・ノイズ発生の原因

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L dI/dT

dt

diLRiV

電流値の時間的変化

ii

L

R

ΔV

L：インダクタンスR：抵抗

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– 簡単な回路でRiとL*di/dtの影響を理解できます。

サージ発生のメカニズム

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ΔV

インダクタンスに比例

電流 iスイッチオフ

dt

diLV

Vds

インダクタの両端に逆起電力発生

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基板の影響を考慮した設計高di/dtのループ

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スイッチング素子

コンデンサ

高di/dtの電流経路

スイッチング電流

DC電流

DC電流

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基板の影響を考慮した設計高di/dtのループ

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デカップリング・キャパシタの位置によって高di/dtのループの経路が変わります。

高di/dtのループ

レイアウトによる寄生インダクタンス

高di/dtのループにある寄生インダクタンス

高di/dtのループにある寄生インダクタンス

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基板の影響を考慮した設計寄生インダクタンスの影響を観察

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寄生インダクタンス

ゲートドライバー

TRANSIENT

VV

HG

LS

HS

LG

VarEqn

Gate_driver

L

L

Diode

VAR

V_DC

SwitchV

I_Probe

I_Probe

I_Probe

Diode_Model

Diode

L

SwitchV

RL

V_DC

Tran

X1

L4

L1

VAR1

L3

SRC3

SWITCHV2

Id_H

L2

Id_L

I_load

DIODE2

DIODEM1

DIODE1

SWITCHV1

R1

SRC1

Tran1

Vh=1fsw=_fswtr=_trD=0.2Tdead=50e-9

R=L=10 nH

R=L=10 nH

R=

Vdc=100 V

L=10 nH

_fsw=100e3_tr=50e-9

L=10 nHR=

R=5 Ohm

Vdc=100 V

MaxTimeStep=(_tr)/4StopTime=1/_fsw

vd_L

vs_H

vd_H

v3

v2

v1

v4

vo

vs_L

HighSide

1/fsw

D/fsw

tr tr

(1-D)/fsw

Tdead Tdead

1/fsw

LowSide

fsw:スイッチング周波数D：デューティ比tr：立ち上がり（下がり）時間Tdead:デッドタイム

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– 寄生インダクタンスが増えると、サージも大きくなります。

寄生インダクタンスの影響を観察

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Id

サージサージ増大

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– Power Deviceのトランジスタ周りの寄生インダクタンスも重要な設計要素です。

ゲート周りの寄生インダクタンス

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ゲートドライバ

配線

配線の影響を無視した場合配線の影響を考慮した場合

Vgs

VgsVgs

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– 簡単な基板パターンの場合、手計算でインダクタンスを求め、回路に反映することで、ある程度解析できます。

• 但し、配線パターンが複雑になると、計算が難しくなります。

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20.2

10.3

5.38

2.441.38 0.76

4.55 3.97 3.352.48 1.78 1.21.94 2.27 2.783.94

5.74

9.08

0

5

10

15

20

25

0.127 0.254 0.508 1.27 2.54 5.08

配線幅の変化による配線特性の変化

R, mohm L, nH C, pF x 10 配線幅mm

(配線長: 5.08mm)

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– 基板のパターンに寄生する抵抗は幅と長さに依存しますが、インダクタンスは電流のループの大きさに依存します。

• 配線パターンと寄生インダクタンスの値についてシミュレーション例を見てみましょう。

配線パターンと寄生インダクタンス

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≒73.6nH

配線幅=1mm1層のみ使用。

25mm

25mm

Port1

Port2

≒30.3nH

Port1

Port2

Gap=0.25mm

≒16.4nH

層厚=0.37mm

Port1

Port2

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シャントスループローブ

マニピュレータ金属板

E5061B


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2016/4/211 MHz

10 MHz

100 MHz

1 GHz

インダクタンス

[H]

– 寄生インダクタンスを回路に反映する方法の一つは測定データの利用です。

インピーダンス解析機能の詳細は、データシート：5990-7033JAJPをご参照下さい。

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– 測定が難しい場合、電磁界解析を使って特性を求め、回路に反映します。

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電磁界解析

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– 電磁界解析結果の可視化により、レイアウトのどの部分に問題があるかを確認できます。

• レイアウト特性を考慮しない場合の解析結果

基板の影響を考慮した設計基板上の電流密度分布の可視化

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Pow

er

supply

L

Cin Cout

Load

SW1

SW2

スイッチング波形出力電圧

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Cin

Cout

L

ICLoad

レイアウト＋回路スイッチング波形出力電圧

GND

IC

Cout

Cin

L

L2GND

CoutCinSW1

SW2

Output

電流がループしている箇所の寄生インダクタンスの影響でノイズが発生しています。

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Cout

L

Cin

ICLoad

修正版レイアウト＋回路

ビアを追加

スイッチング波形出力電圧

GND

IC

Cout

Cin

L

GND

CoutCinSW1

SW2

Output

寄生インダクタンスが小さくなり、ノイズが抑えられています。

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レイアウト修正前レイアウト修正後

Pageアジェンダ





– 実例紹介

– まとめ

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実例紹介

– 下記の2つの例をご紹介します。

• モーターコントロール用FETを使った降圧コンバータの入出力での波形についてシミュレーションと実測の比較

• 車載・小電力(インパネなど)用DC-DCコンバータICを利用した、CISPR25規格のノイズスペクトラムの実測とシミュレーション結果の比較

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実例紹介

– モーターコントロール用FETを使った降圧コンバータについて、基板レイアウトの違いにより、出力ノイズがどのように変化するかをシミュレーションと実測で比較。

実測とシミュレーションの比較

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入力DC12V

出力DC5V/100mA（負荷50Ω）

C1

Q2

L1

コントローラC2

Q1

C3C4

入力側電圧

基本回路図

Vin12V

負荷50Ω

L1Q1

Q2 C3 C4C1 C2

47uF 330uF

1uH

150uF 10uF

Vp-p：400mV

入力12V

スイッチング周波数750kHz

12V

100mV/div 500ns/div

様データ提供：

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実例紹介実測とシミュレーションの比較

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– 比較対象のレイアウトは2種類

レイアウトA レイアウトB

様データ提供：

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実例紹介実測とシミュレーションの比較

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2016/4/21様

●入力12V（シミュレーション結果）

Vp-p 約400mV

Vin

, V

入力観測点

出力観測点

データ提供：

●出力5V（シミュレーション結果）

ΔV≒200mVΔV≒100mV

Vout,

V

ΔV≒100mV ΔV≒300mV

●出力5V（実測結果）

レイアウトA

レイアウトB

レイアウトA

レイアウトB

レイアウトA

レイアウトB

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実例紹介

– 車載小電力(インパネなど)用DC-DCコンバータICを利用した、CISPR25規格のノイズスペクトラムの実測とシミュレーション結果の比較

– 実測環境のモデル化

• 雑音端子電圧の精度良いシミュレーションには接続するケーブルや、GNDとする金属板と基板間の容量等をモデル化することが必要になります。

• LISNのモデルは多くの場合メーカーから等価回路が公開されていますが、実際の特性を全て反映しているわけではなく、モデルと実物の乖離で、シミュレーションと実測の乖離が生じます。

実測とシミュレーションの比較

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ICEP2016: Importance of Switched-Mode Power Supply IC

Model for Conductive EMI Noise Simulation より引用

データ提供：ローム株式会社様

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実例紹介

– 実測環境と回路図

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実例紹介

– 利用した回路部品と、シミュレーションモデルについて

• Rohm社製 IC BD90640: Rohm社より提供を受けたカスタムモデル

• Rohm社製 SBD: SPICE モデル Web

• TDK社製インダクタ： ADS用電流重畳モデル Web

• 村田製作所社製コンデンサ：固定バイアスのモデル Web

• ニチコン社製コンデンサ： ADSのLRCでモデル作成自作

• ケーブル ADSの配線モデルで作成自作

• LISN NNBM8125 メーカー提供の等価回路を参照自作

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2016/4/21データ提供：ローム株式会社様



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実例紹介

– 実験に用いた基板レイアウト

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2016/4/21データ提供：ローム株式会社様



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実例紹介

– 雑音端子電圧の実測(上)とシミュレーション結果(下)

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モデル作成ツール

– シミュレーション用のデバイスモデルが手に入らない場合、データシートや、実測データからモデルを生成する機能も提供しています。

データシート・実測データからシミュレーションモデルを作成

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Model Extraction Tool

1 Click!

ADS

Simulation

Model

Parameter

Data Migration Tool

Device

Data

Sheet

OR

Measurement

data

3rd Party

Tool

GP-IB

Pageアジェンダ


– サージ・ノイズ発生の原因


– EMIの解析

– まとめ

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まとめ

– 小型、高効率を達成するスイッチング電源の設計では、ノイズ対策が重要であり、シミュレーションが活用できます。

– シミュレーションの活用にはモデルが必要です。メーカー提供のモデルに加え、測定データや、電磁界解析データを活用できます。

– 電磁界解析を使うことで、基板の特性をモデル化出来るだけでなく、電流の可視化により、レイアウトの改善方針を検討できます。

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謝辞

本セミナ資料の作成にあたり、実験データをご提供いただきました

•RITAエレクトロニクス株式会社様

•ローム株式会社様

に深く感謝致します。

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体験セミナやMovieの紹介

– Keysight ADSを実際にご体験いただけるセミナを毎月開催しています。ご興味のある方は下記よりお申し込み下さい。

• www.keysight.com/find/trial-seminar

– 下記Movieをご覧頂くと、ADS用のサンプルファイルのダウンロードとお試し版のライセンスをお申し込みいただけます。是非お試し下さい。

• https://youtu.be/LwPJi3jyfw0

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