Microsoft PowerPoint - BTS-315_グランド･バウンスとEMI(itoh).pptx

(1)

 Bogatin Enterprises, LLC, a LeCroy Company 2011 www.beTheSignal.com

グランド･バウンスを乗り越えて

シグナル･インテグリティと

EMC

の改善

Dr. Eric Bogatin,

Signal Integrity Evangelist,

Bogatin Enterprises, a LeCroy Company

www.beTheSignal.com

Slide -2 When Worlds Collide

内容

• 問題解決の方法論

• グランド･バウンス問題

• 基本原則

• グランド･バウンス問題がEMC問題となるのは？

• 解決法

(2)

詳しい情報は

Web

へ

www.beTheSignal.com

今後のセミナー・スケジュール

My Blog: 今月、学んだこと

www. PrintedCircuitUniversity.com

• オンライン・トレーニング

Prentice Hallから発刊, 2009 Slide -4 When Worlds Collide

根本原因の特定こそ

問題解決の近道

根本原因の特定を間違え

ば、問題の解決は運にま

かせるしかなくなる。

スタン、ほんとうにこれで大丈夫かい？とんがった頭と長い嘴があるから奴らが飛べるっていうのはおかしいと思うんだ。

(3)

問題の特定

:

グランド･バウンス

• 問題の特定 • 基本原則の理解 • 根本原因の究明 • 設計ガイドラインの作成 • 設計ルールの作成 Slide -6 When Worlds Collide

グランド・バウンスの起源

L11 L22 L21 1 2 Signal 2 Signal 1 Common return I1 I2

Signal 2の電圧

にグランド・

バウンス電圧

が重畳されます

->クロストーク

V

gndbounce

=

dN

_dt

total

I

₁

= I

₂

N

total

=L

22

I

2

-L

21

I

1

V

_gndbounce

= (L

₂₂

-L

₂₁

) =L

dI

1 _total

dt

dI

₁

dt

インターコネクトのどの部品でリターン電流が重なるのか?

どのような信号伝送方法ならリターン電流をほぼ一定に保てるのか

?

(4)

簡単なシミュレーション

(QUCS

を用いて）で、根本原因を確認

2v/div

1v/div

n lines

Data lines

Quiet lines

共通リードのインダクタンス RT = 1 nsec L_comm = 4 nH n = 4 switching TD = 1.1 nsec R_source = 20 Ohms Slide -8 When Worlds Collide

“

ヤングマンの法則

”

を用いて

根本原因を設計ガイドラインに

ブログ：www.bethesignal.com/blog, Nov 9, 2008 参照

「あなたの腕を上げたら腕が痛むなら、腕はあげなければいい。」* *Henny Youngman(1906年生まれのアメリカのコメディアン)のギャグ “機能Bを実現しようとして問題Aが発生するなら、機能Bは設計から省けばいい。” 問題の根本原因を究明して、その根本原因を取り除く

(5)

グランド・バウンスが問題になる

インターコネクトの構造

• グランド･バウンスの2つの原因:

 リターンパスがグチャグチャ: 広い面積のプレーンに比べて大きなインダク

タンス

 異なる信号ラインでリターン電流が重なっている。

• ヤングマンの法則の利用:グランド･バウンスを低減する方法

 リターンパスをグチャグチャにしない

 リターン電流を重ねない。

• グランド･バウンスが観測される点



SIP抵抗

 細いパッケージのトレース、細いコネクタのピン

 ベタ・グランドのギャップ

 スルーホール、コネクタ

抵抗ネットワークの

グランド・バウンス

TT Electronics

Bourns

(6)

リターン･パスのトータルの

インダクタを求めるのは困難

!

ハンマーしか持ってい

なければ、全てのもの

は釘みたいに見える。

w = sならば、

L

_total

~ 10 nH/inch

V

_gnd

L

_total

n

L

_total

x n

V

_sig

= = 2% x

Z

₀

RT RT

グランド・バウンスの

ノイズの推測

V

_gnd

=L

_total

n

dI

_dt

dI V

sig

dt Z

0

RT

L

_total

~ 10 nH/inch x Len

例

: n = 3, RT = 0.5 nsec

gb noise ~ 2% x 2 x 3 / 0.5 = 24%

例

_{gb noise ~ 2% x 5 x 2 / 1 = 20%}

: n = 2, RT = 1 nsec

L

total

~ 5 nH

Ltotal~ 2 nH Ltotal[nH] = リターン・パスの全インダクタンス n = 同時スイッチングの回数 RT[nsec] = 10-90 信号電流の立ち上がり時間

=

(7)

= = =10%

リターン電流の重なり

=

グランド・バウンス

- L

total

~ 10 nH/inch x Len (リターン電流が重なっ

て流れる長さ

)

- 例: スイッチングする信号が1つ、リターン電流

が重なって流れる長さが

0.25インチ

スイッチングする信号が3つになると、 noise ~ 30%,

立ち上がり時間RTが 1 nsec以下だとさらに大きくなる。

L

_total

= 2.5 nH x 2 legs = 5 nH

Z0 = 50Ω, RT = 1 nsec, n = 1

=

V

gnd

L

total

n

V

sig

Z

0

RT

V

gnd

L

total

n

5 x 1

V

_sig

Z

₀

RT 50 x 1

0.25インチ Ltotal~ 10 nH/インチ x 0.25 inches = 2.5 nH Slide -14 When Worlds Collide

アンテナからの電波放射

E = P

5.5

_radiated

R

E= 遠方電界強度 (V/m) R= 信号源からの距離 (m) Pradiated= 全放射電力 (w)

数ナノワットの放射電力でも

FCC

の

class B

に適合しない

!

(8)

EMI

問題を回避するのは困難

!

「世の中には、

2 種類のエンジニアがいます。

:

意図してアンテナを設計しているエンジニアと

意図していないのにアンテナが作られてしまっ

ているエンジニアです。」

2 つの基本的な

アンテナの形式と電流

ノイズの乗ったプレーン

シャーシ

ケーブルのシールド

もしC = 1 pFなら Z = 1600Ω @ 100 MHz

+

-I

磁気双極子

I

伝送線路

各アンテナでリターン電流が流れているのはどこ?

(9)

コモン電流と

FCC

の不適合

+

-I

Len

I

孤立双極子

導電性面

E = 4  x 10

-7

f x I x Len

_{= 0.4 V/m x f x I}

R

@ 100 MHz, E ~ 100 V/mがFCC, class Bの上限

fはMHz、Iはマイクロアンペア

I

max

= = 3A

_{0.4V/m x 100MHz}

100V/m

たった

~ 3 Aのコモン電流が流

れると

FCCに不適合になる!

最大放射の方向

例

:

グランド・バウンスによる

コモン電流と放射ノイズ

E = 4  x 10

-7

f x I x Len

R

E = 電界強度（V/m） I = 電流（A） Len =単極子の長さ（m） R = 観測点までの距離（m） f = サイン波の周波数（Hz）

シャーシ

ノイズの乗ったプレーン

ケーブルのシールド

E = 1.2 x 10

-6

10

8 x 10

-4

x 1

_{= 4000V/m}

3 これは、憂慮すべきか

?

ノイズ電圧= 100 mV

インピーダンス ~ 1 kΩ

コモン電流~ 100 mA

Len ~ 1 m

R = 3 m

@ 100 MH

I = = = 100A

V

gndb

0.1V

Z

_return

1k

(10)

グランド・バウンスからの

EMC

問題

をヤングマンの法則を使って解決

シャーシ

ノイズの乗ったプレーン

ケーブルのシールド

1 cm

I

_cm

=

L

_Z

total

dI

plane

cm

dt

I

plane

= プレーンの電流

L

_total

=リターン・プレーンの全インダクタンス

Z

cm

=コモン電流からみたインピーダンス

• 解決法:

 リターン・パスの全インダクタン

スを小さく: 導体を短く、太くする、

信号とリターン電流を近づける

 プレーンにおけるdI/dtを小さく

する-差動伝送、ダイおよびパッ

ケージにコンデンサ

 コモン電流に対するインピーダ

ンスを上げる：フェライト!

有限幅のリターン・パス

シャーシノイズの乗ったプレーン

ケーブルのシールド

D. S. Britt, D. H. Hockanson, F. Sha, J. Drewniak, T. Hubbing and T. Van Doran, “Effects of Gapped Ground Planes and Guard Traces on Radiated EMI”, IEEE Symposium on Electromagnetic Compatibility, 1997, p. 159

ちょうどトレース幅

以下のギャッ

プ????

コモン電流

リターン・パスの幅を3 x w以上にする。

(11)

ケーブルから放射される電波は

本当はコネクターから

• 非対称のコネクタはリターン・パスの全インダクタンスを生じる。

• 全インダクタンスを流れるリターン電流がノイズ電圧を生じる

• ノイズ電圧がケーブルのコモン電流を生じる

• ケーブルが電波を放射する。

エンクロージャ信号入出力

Ic= L1_{Zc dt 200 1nsec}totaldI 1 20mA= 0.1nH = 10A

0.1nH 非対称のコネクタ、全インダクタンスを生じる • 同軸ケーブルの外部の磁界はどの程度か? • 同軸ケーブルのリターン・パスの全インダクタンスは? • 理想的同軸コネクタではどれくらいグランド・バウンスは生じるのか? Slide -22 When Worlds Collide

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グランド･バウンスを乗り越えて

シグナル･インテグリティと

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Signal Integrity Evangelist,

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内容

• 問題解決の方法論

• グランド･バウンス問題

• 基本原則

• グランド･バウンス問題がEMC問題となるのは？

• 解決法

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最新の出版

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根本原因の特定こそ

問題解決の近道

根本原因の特定を間違え

ば、問題の解決は運にま

かせるしかなくなる。

問題の特定

:

グランド･バウンス

グランド・バウンスの起源

Signal 2の電圧

にグランド・

バウンス電圧

が重畳されます

->クロストーク

V

=

dN

dt

I

= I

N

=L

I

-L

I

V

= (L

-L

) =L

dI

dt

dI

dt

インターコネクトのどの部品でリターン電流が重なるのか?

どのような信号伝送方法ならリターン電流をほぼ一定に保てるのか

?

簡単なシミュレーション

(QUCS

を用いて）で、根本原因を確認

2v/div

1v/div

n lines

Data lines

Quiet lines

“

ヤングマンの法則

”

を用いて

根本原因を設計ガイドラインに

ブログ：www.bethesignal.com/blog, Nov 9, 2008 参照

グランド・バウンスが問題になる

インターコネクトの構造

• グランド･バウンスの2つの原因:

 リターンパスがグチャグチャ: 広い面積のプレーンに比べて大きなインダク

タンス

_dt

_gnd

_total

_dt

_{gb noise ~ 2% x 5 x 2 / 1 = 20%}