DEMITAS NX

DEMITAS NXの共振解析【簡単にノイズ対策できます】

出典:NEC

  • DEMITAS NXの共振解析について知りたい
  • 共振解析のシミュレーションを見てみてたい

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。

 

2. メニューの[ファイル] → [開く]で、以下のファイルを読み込む。

sample_nowire.dsn
(DEMITASNXフォルダ内、あるいはDEMITASNX→demoフォルダにある)

※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。
DEMITASNXのデモファイル

 

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

DEMITASNXのキャパシタ設定

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

 

DEMITASNXの表示設定

※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。
DEMITASNXのプレーン共振解析

 

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。

プレーン共振解析の電圧分布結果

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。

プレーン共振解析の周波数分布結果
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。

DEMITASNXの自動キャパシタ配置

 

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。

プレーン共振解析の対策後の電圧分布結果

 

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。

この理由は以下の通り。

 

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。

追加したコンデンサ

 

「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。

 

追加したコンデンサの配置

 

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。

 

プレーン共振解析の対策後の周波数分布結果

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。

 

プレーン共振解析の設定ミスの電圧分布結果

 

『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。

 

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