EDA・ソフトウエア 強いLSIやボードを設計するための
 

特性解析ツール(プリント回路基板用)とは

トクセイカイセキツール

2005/11/27 14:21
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 LSIの高速化やボードの高密度化によって,ボードの配線パターンなどのインダクタンス(L)やキャパシタンス(C)成分によって,ボード上の信号のアナログ的な振る舞いが顕著になってきた。たとえば,クロストークや反射で配線上の信号が乱れたり,外部に電磁雑音を発生したりする1)。さらに,LSIの発熱量も大きくなる。

 これらの問題を設計段階で検討しておくことが急務となってきた。設計段階でこうした振る舞いを考慮し,その対策を打っておかないと,試作ボードを何度も作り直すことになる。

レイアウト前の解析が重要に

 設計段階でこうした問題を検討するためには,以下に紹介する解析ツールを利用する。これらの解析ツールを利用するタイミングは2回ある。すなわち,ボードのレイアウト(配置配線)後とレイアウト前である。

 これまでは,配置配線が終った状態で行なうことが多かった。正確な解析ができる半面,問題が発見された場合には修正に手間がかかる。最近は,レイアウトが固まる前から徐々に解析を進めることが多い。これでレイアウト後の後戻り回数を大幅に削減でき,開発期間全体を短縮できる。

 以下に代表的な解析ツール,3つについて説明する。伝送線路シミュレータ(transmission line simulator)EMI(electro magnetic interference)シミュレータ(EMI simulator)熱解析ツール(thermal analyzer)である。

伝送線路シミュレータ

 伝送線路シミュレータ(transmission line simulator)は,インピーダンスの不整合による反射や隣接する配線パターン間で発生するクロストーク,信号遅延などによる信号の乱れを計算する回路シミュレータ2)。その結果は,オシロスコープでボード上の信号を観測するのと同様に,波形として確認することができる。

 伝送線路解析を実行するには,配線のシミュレーション・モデルや部品のシミュレーション・モデルが必要である。前者は,伝送線路シミュレータ・ベンダーが用意するソフトウエアを使うとシミュレータのユーザーが自ら作成できる。しかし,後者は,受動部品を除くと,ユーザー自身が作成することは難しい。

 特に,ICやLSIについては,半導体メーカーから供給を受ける以外に有効な手段がない。半導体メーカーがICやLSIを作るときに使っているモデル(多くは,回路シミュレータのSpice形式のモデル)を入手できることがあるが,ボードの伝送線路解析には適当でないこともある。モデルが詳細すぎて,シミュレーションに思わぬ時間がかかる。

 そこで,この問題の解決を狙い,ICやLSIの入出力回路の電流-電圧特性だけを考慮したモデルを普及させようという動きがでてきた。その音頭をとるのが,米IBIS(Input/Output Buffer Information Specification)Open Forumという機関である。この機関が提案したIBISという仕様は,ANSI/EIA-656として標準化された。IBIS仕様のモデルはインターネット経由で入手することができる。

EMIシミュレータ

 EMI(electro magnetic interference)シミュレータ(EMI simulator)は,ボードから発生する電磁放射雑音を解析するシミュレータ3)。伝送線路シミュレータを拡張したツールである。

 方形波に近いデジタル信号は多くの高調波成分を含んでおり,ボード上の配線パターンやケーブルなどがアンテナになって周辺の空間に電磁雑音を放射する。最近,その雑音が他の電子機器へ与える影響を懸念する声が高まり,米FCC(Federal Communications Commission)や欧州のCISPR,日本のVCCI(Voluntary Control Council for Interference by Data Processing Equipment and Elctronic Office Machines)などで電磁放射量を規制する動きが具体化してきた。

 電子機器やボードの計設者は,こうした規制への対策を立てねばならない。EMIを低減するには,

  1. 信号のレベルを下げる。
  2. 配線パターンを短くする。
  3. フィルタ部品によりノイズ成分を除去する。
  4. グランド層を作る。

などの対策が一般的である。ただし,従来,各対策がどれだけの効果を生むかは,試作ボードを作るまでわからなかった。

 試作ボードを作る前に,その効果を確認するのがEMIシミュレータの主たる用途である。EMIシミュレータは,信号レベルやLSIの動作速度,ボード上の配線経路などを考慮し,ボード上の配線経路が発する電磁放射雑音を計算する。

熱解析ツール

 動作速度が上がりLSIの発熱量が上がっている。一方で,放熱が難しくなる機器は増えている。ボードの実装密度の向上と,電子機器の小型化がその原因である。

 ボードや機器を試作する前に,熱の問題を解析するのが熱解析ツール(thermal analyzer)の目的である。具体的には,ボード上のICやLSIなどが発生する熱が,機器内部の温度に与える影響を見積もる。ファンによる強制空冷を行なっている状態と,自然対流状態の両方で,筐体内の温度分布や熱流体の流れを解析し,その結果をグラフィカルに表示できるツールが多い。

 設計者は,熱解析ツール中で,ファンの大きさを変えたり,部品の配置を調整したり,通風孔の位置を変更して,最適な冷却対策を探る。筐体内の熱や空気の流れを扱える本格的な熱解析ツールを使うには,部品の3次元形状を入力する必要がある。なお,熱解析ツールのなかには,ボード上の各LSIの発熱量から,ボード上の熱分布を算出するだけのものもある。


(99. 9. 6更新)

参考文献

1)小田原,後藤監修,『最新プリント配線板のCAD』,ミマツデータシステム,1990年5月.

2)小島,「高速ディジタル・ボード設計に回路シミュレータが定着」,『日経エレクトロニクス』,1995年7月31日,no.641,pp.171-184.

3)松井,Paul K.U.Wang,「ボードのEMI実測は面倒,非線形素子/分布定数モデルで計算するシミュレータ開発」,同上,1994年1月17日号, no.599,pp.119-124.

このEDA用語辞典は,日経エレクトロニクス,1996年10月14日号,no.673に掲載した「EDAツール辞典(NEC著)」を改訂・増補したものです。

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