DEMITAS NXの共振解析【簡単にノイズ対策できます】

出典：NEC

こんな要望にお答えします。

本記事を書いている私は電子回路設計者として約10年になります。

DEMITAS NX（デミタスエヌエックス）はプリント板シミュレータです。

私は仕事でプリント基板を設計するとき、DEMITAS NX を必ず使います。

その経験に基づいて、プロの方向けにDEMITAS NX の解説をします。

本記事を読めば、DEMITAS NX でよく使われる共振解析が分かるようになりますよ。

5分程度で読めますので、ぜひ最後までご覧ください。

DEMITAS NX の共振解析とは

DEMITAS NX の共振解析は、「電源・GNDプレーン共振解析」といいます。

その言い方の通り、プリント基板の電源層とGND層の共振を解析します。

とはいわれても共振って何？って方のために、よくある4層基板で解説します。

【4層基板】
L1層：信号+電子部品
L2層：GND
L3層：電源
L4層：信号+電子部品

上記が、4層基板の構成です。

ここで、L2層のGNDとL3層の電源は銅箔の平面（プレーン）です。

このL2層とL3層の間には、プリプレグという材料で絶縁していますが、これが誘電体となります。

つまり、銅箔（金属）の面に誘電体が挟まれているので、コンデンサとして働きます。

また、銅箔にはインダクタンス成分があるので、このインダクタンスとコンデンサで共振回路を形成します。

L1層とL4層にある電子部品は電源とGNDに繋がっています。

この電子部品が発生する電流変化の周波数と、共振回路の周波数が一致すると、

プレーン共振（面共振）となり、基板からノイズが放射することになります。

DEMITAS NX の共振解析のメリット

DEMITAS NX で共振解析をすると、基板から放射するノイズに対して、設計段階で対策を打つことができます。

なぜなら、プレーン共振解析のシミュレーションを実行すると

「共振しているノイズの周波数」が分かるからです。

例えば、150mm×100mmの基板サイズの電源層とGND層であれば、

735MHzぐらいで共振することが知られています。

実際の基板はサイズが様々でして、自分の設計した基板が、どの周波数で共振するか分かりません。

しかし、DEMITAS NXでシミュレーションを実行すれば、それが簡単にわかります。

共振周波数がわかれば、その周波数のノイズを抑制するように、以下の対策を打つことができます。

電源層やGND層の形状を変更する
コンデンサを追加する
RCスナバを追加する

この中で「コンデンサを追加する」というのが、一番簡単にできるので、よくやる対策です。

このように実際に基板を作る前の設計段階で対策を打てるので、後戻りを減らすことができます。

実際に共振解析をシミュレーションする

DEMITAS NX の使い方

DEMITAS NXの使い方を解説します。デフォルトで用意されているデモ用プログラムで解説します。

1. DEMITAS NXを起動する

こんな感じの画面になります。

デモ用プログラムのファイルを読み込むと、黒い画面に基板のデータが表示される。

※上記のファイルが見つからない場合は、いくつかのファイルを開いてみて、
以下のようなファイルが開けば良いです。拡張子が.layの場合もあります。

3. メニューの[編集] → [属性設定] → [部品属性] を選択すると、Excelが開く。

「インスタンス名」がCで始まるものに対して、以下の2点を確認する。

・「タイプ」に半角文字で『capacitor』が入力されていること
・「解析モデル名」に半角小文字で『c104』が入力されていること

確認出来たら、左の[実行ボタン]の「終了」をクリックしてExcelを閉じる。

このとき、「属性をセットしていません。属性をセットしますか？」と表示されたら「いいえ」を選択する。

『capacitor』と『c104』が入力されてない場合、手動で入力する。

（Excelなので、コピペ機能を使えば簡単に入力できる。）

全ての入力が終わったら、「属性セット」をクリックした後、「終了」を選択しExcelを閉じる。

4. 画面左にある表示設定を以下のようにする。

層名	表示設定
1	表示ON
2	表示OFF
3	表示ON
4	表示ON

※2層を表示ONにすると、次のプレーン共振解析で3層を選択できなくなる。

次のプレーン共振解析のため、2層の表示をOFFにしておく。

5. メニューの[EMI] → [プレーン共振解析]を選択すると、ウィンドウが開く。

基板の中央をクリックすると、3層の電源層(VCCプレーン)を選択したことになるので、

[プレーン共振解析] ウィンドウが以下のようになっていることを確認する。

確認できたら、「解析」をクリックして共振解析を実行できる。

共振解析のシミュレーションを実行する

1. [プレーン共振解析] ウィンドウで「解析」を選択して共振解析を実行する。

10秒ぐらいで解析が完了し、 [電圧分布表示] ウィンドウと解析結果が表示される。

赤に近い色　→　電圧変動が大きい
青に近い色　→　電圧変動の小さい

※電圧変動の大きい部分からノイズが放射される。

2. [電圧分布表示] ウィンドウの「周波数特性表示」を選択すると、
周波数ごとの解析結果がExcelで表示される。

横軸：周波数（0～1000MHz）
縦軸：最大電圧（-40.0～10.0dB）

675MHz付近で、「最大電圧（青線）」が「許容最大電圧値（赤線）」を超えいているので、

「判定：NG」という結果になっています。

※675MHzのノイズが基板から放射されるということ。

3. [電圧分布表示] ウィンドウの「閉じる」をクリックして、一度閉じる。

このようにDEMITAS NXで、共振解析のシミュレーションを実施すると、

基板のどこからノイズが出てるか
どの周波数のノイズが出ているか

ということが分かります。

それが分かれば、ノイズを抑制するように対策を打つことができます。

シミュレーション上で対策する

「最大電圧」が「許容最大電圧値」を超えないように対策します。

対策方法は「コンデンサの追加」です。

電圧が大きく変動している箇所にコンデンサを追加し、ノイズを抑え込みます。

実際にやってみます。

1. メニューの[EMI] → [プレーン共振解析]を選択し、[プレーン共振解析]ウィンドウを開く。

2. 「Cap自動」を選択すると、[自動キャパシタ配置]ウィンドウが開くので、「実行」を選択する。

3. 10秒ぐらいで解析が完了し、 [電圧分布表示] ウィンドウと解析結果が表示される。

先程よりも、赤に近い色（電圧変動が大きい部分）が少なくなっていることが分かります。

この理由を引き続き説明します。

4. [電圧分布表示] ウィンドウの「Capリスト」を選択すると、[Capacitorリスト]ウィンドウが開く。

「DEMICAP_1」と記載されているものが、今回追加されたコンデンサです。

5. 「DEMICAP_1」を選択し、「検索」をクリックすると、追加したコンデンサが拡大表示される。

ここにコンデンサが追加されたことにより、赤に近い色（電圧変動が大きい部分）が少なくなったということ。

6. [電圧分布表示] ウィンドウの「周波数特性表示」を選択する。

オレンジ色：
No.1 対策前の波形
（コンデンサ追加前の波形）

青色：
No.2 対策後の波形
（コンデンサ追加後の波形）

対策前は675MHzで「許容最大電圧値（赤線）」を超えていましたが、

対策後は「最大電圧（青線）」が「許容最大電圧値（赤線）」より小さくなっていることが分かります。

判定も「OK」となっています。

つまり、コンデンサの追加で、プリント板からの放射ノイズを抑えることができました。

DEMITAS NXを使うと、対策が簡単

このように、共振解析のシミュレーションを実行すると、実際に基板を作る前に、簡単に対策できます。

しかもコンデンサの配置を自動で決めてくれるので、ずいぶんと楽ですね。

なお、コンデンサは手動で配置する方法もあります。

電圧分布表示の画面上に、自分でコンデンサを配置できます。

赤に近い色の部分（電圧変動が大きい部分）にコンデンサを配置すれば、

電圧変動を抑えられ、放射ノイズを抑制できます。

とはいえ、個人的には今回解説したように、自動でコンデンサを配置する方法がおすすめです。

電圧変動を抑えられる最適な場所に、自動でコンデンサを配置してくれるので、非常に楽ですね。

共振解析シミュレーションの注意点

注意点としては、設定を間違えてもエラーとはならず、シミュレーションを実行してしまうことです。

具体的に解説します。

これまでに、

メニューの[編集] → [属性設定] → [部品属性]

を選択して、Excelに『capacitor』や『c104』を設定しました。

（デフォルトで設定されていることもあります。）

これを設定することで、プリント板上に配置されているコンデンサを

DEMITAS NX に認識させることができます。

逆に『capacitor』や『c104』を設定しないと、

プリント板上にあるコンデンサが存在しないものとしてシミュレーションしてしまいます。

その時の解析結果は以下になります。

『capacitor』や『c104』を設定したときと比べて、

赤に近い色（電圧変動が大きい部分）が大きくなっています。

このように間違ったままシミュレーションを実行できてしまうので、

設定が間違ってないか、よく確認するようにしましょう。

まとめ

今回は、DEMITAS NXの共振解析について解説しました。

共振解析について理解することはできたでしょうか？

本記事が少しでもお役に立てば幸いです。

人気記事：【無料の特典と返金保証あり】電子回路のオンライン入門セミナー５選！