エンジニアコラム

回路設計とEMC設計の塩梅第19回 EMC計算法・EMCシミュレーション(4) 伝導イミュニティ(CI)の計算試行

2022.03.15

こんにちは! ロームの稲垣です。

第19回は、電磁両立性(EMC)の計算法・シミュレーションの(4)で、伝導イミュニティ(CI: Conducted Immunity)の計算試行について説明します。半導体集積回路の電磁両立性(EMC)特性に関するもので、「IEC 62132-4 DPI法(Direct RF Power Injection Method)」ついてです。

DPI法(IEC 62132-4)は150Ω法(IEC 61967-4)と共に、半導体集積回路のEMC測定法として頻繁に使用される電磁両立性(EMC)国際規格です。計算対象としては、RF信号発生器、電力増幅器、双方向性結合器、DCブロック(容量素子C)、デカップリング・ネットワーク(誘導素子L)、DUT(試験対象)、EMC対策回路(ここでは容量素子C)等があります。DPI法では、試験周波数が278周波数(150kHz-1GHz)と指定されています。従って、解析法としては回路解析(過渡解析)を278回繰り返し、その結果を周波数軸のグラフにプロットして計算結果を得ます。また、今回も測定値をベースに、計算機モデル(シミュレーション・モデル)を作成する手法で実現します。DPI法の測定結果は、上記の双方向性結合器で観測した進行波電力の電力値(dBm)である事にも注意してください。回路解析では、直接電力値を扱えないので少し工夫が必要です。

それでは順を追って説明します。計算試行では2段階処理をしていて、1段階目のIB(誤動作閾値)モデル抽出(Extraction)と2段階目の計算予測(Prediction)の各々を(シェル・)スクリプトで自動化しています。1段階目のIB(誤動作閾値)モデル抽出(Extraction)は、下記の計算手順となります。尚、IB(誤動作閾値)モデルについては、「第16回EMC計算法・EMCシミュレーション(1) 計算法概要」を参照してください。

■1段階目:IB(誤動作閾値)モデル抽出(Extraction)

  1. ① まず上記の計算対象から計算回路図を作成します。測定回路をそのまま結線し計算回路にするイメージです。書籍の回路図や当該IEC規格書を参照していただくと、わかりやすいと思います。双方向性結合器はTL(トランスミッション・ライン)で代用し、DUT(試験対象)はLCRメータで端子間インピーダンスを測定し、その電気的特性からLCR(受動素子)回路を作成します。
  2. ② DPI法の測定で得た電力値から、電圧値もしくは電流値に換算します。ここでは、50Ω換算します。
  3. ③ ②で換算した電圧値もしくは電流値をRF信号発生器の信号源として与え、回路解析(過渡解析)で1周波数のIB(誤動作閾値)(LSI端電圧もしくは電流)を計算します。DPI法の測定値は、LSIが誤動作した時のLSI端の値ではなく、双方向性結合器の進行波電力である事に注意が必要です(ここは大事です!)。
  4. ④ 全周波数(278)において③を繰り返します。(シェル・)スクリプトやマクロで繰り返し実行できる様に設定すれば、解析回数が多くても1度実行してしまえば問題ないかと思います。この結果をファイル保存し、周波数軸にプロットしたものが下記グラフとなります。

IB(誤動作閾値)モデルの計算例(電圧換算)

IB(誤動作閾値)モデルの計算例(電圧換算).

IB(誤動作閾値)モデルの計算例(電流換算)

IB(誤動作閾値)モデルの計算例(電流換算).

尚、伝導・放射エミッション検証で使用したIA(電磁干渉)モデルは、それ単体でも数値に汎用性があります。即ち計算回路図が異なっても、その値単体に意味を持ちます。一方、IB(誤動作閾値)モデルは計算回路図やLSIモデル(インピーダンス特性)に依存した、限定された固有の電圧値や電流値である事に留意ください。計算回路図やLSIモデルと一緒に使うことで、測定時の誤動作を計算機上で再現する事のできる計算機モデル(シミュレーション・モデル)となります。

2段階目の計算予測(Prediction)は、下記の計算手順となります。

■2段階目:IB(誤動作閾値)モデル抽出(Extraction)

  1. ⑤ 計算予測用回路を作成します。IB(誤動作閾値)モデル抽出用の回路との差異は、誤動作判定器(コンパレータ)の追加です。ここでも書籍の回路を参照頂ければ、イメージしやすいかと思います。
  2. ⑥ 次にRF信号発生器の信号源を減衰振動波形に設定します。SPICEでは減衰振動波形を作る事は比較的簡単です。逆にだんだんと大きくなる波形は、発散する方向なので設定できません。
  3. ⑦ 回路解析(過渡解析)で、1周波数の解析を実行すると、LSIが例えば誤動作した状態から誤動作しない状態へと遷移することがわかります。誤動作した状態とは、RF信号発生器の大きな出力が印加され、LSI端のIB(誤動作閾値)レベルよりも大きい電圧や電流が到達した場合を意味します。逆に誤動作しない状態とは、LSI端のIB(誤動作閾値)レベルよりも小さい電圧や電流が到達した場合を意味します。そこで誤動作する状態から誤動作しない状態への、切り替わりの時のRF信号発生器の電圧もしくは電流をファイル保存すれば良いのです。これを全周波数(278)繰り返します。
  4. ⑧ 保存された電圧値もしくは電流値を50Ω換算して電力値にしたものが、求める計算予測値となります。EMC対策回路を付けずに、IB(誤動作閾値)モデルを抽出した回路と同じ回路で計算予測したものが、下の左図となります。測定値と計算値がぴったり一致しています! 計算が正しければ当然の結果ですね。
  5. ⑨ 更に、EMC対策回路(ここでは容量素子C)を追加して計算予測した結果は、下の右図となります。追加した容量素子の効果で、LSIの誤動作レベルが改善している事がわかります。

左:IB(誤動作閾値)モデル作成回路での計算予測例

左:IB(誤動作閾値)モデル作成回路での計算予測例. 
(測定値と計算値が一致,黒:測定値,赤:計算値,青緑:限度値)

右:EMC対策回路(C=1uF接続時)の計算予測例

右:EMC対策回路(C=1uF接続時)の計算予測例.
 (黒:測定値,赤:計算値,青緑:限度値)

実際の設計現場では、EMC対策回路を検討して、この計算予測の計算を繰り返し実行することで、IEC規格に準拠したアプリケーション回路やLSI回路を決定していきます。(全周波数において限度値よりも計算予測値が大きくなる様にEMC対策回路を決定します。)

御一読頂きまして、どうもありがとうございます。

<書籍の参照ページ>
「LSIのEMC設計」,科学情報出版株式会社,2018年2月初版発行,ISBN978-4-904774-68-7.

  • ◆伝導イミュニティ(CE)シミュレーションの概要説明:
    第2章 半導体集積回路動作と電磁両立性特性 pp.41~43
    第6章 現象別半導体集積回路の電磁両立性検証(2) pp.147~149,pp.157~159

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