2018 Fiscal Year Annual Research Report
安全・安心な電気・電子機器の低ノイズ設計実現に不可欠な等価回路モデルの開発
| Project/Area Number |
16H04318
|
|---|
| Research Institution | Okayama University |
|---|
Principal Investigator |
豊田 啓孝 岡山大学, 自然科学研究科, 教授 (20311798)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2021-03-31
|
| Keywords | 等価回路モデル / 低ノイズ設計 / 平衡度整合 / 伝送線路 / ノイズ源モデル / モード変換 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
「平衡度整合」の概念の有効性を示し，安全・安心な電気・電子機器の低ノイズ設計の実現を目指して，5つの「平衡度不整合」問題，すなわち，(1)回路基板上の差動線路での『屈曲』，『ビアによる他層への移行』という平衡度不整合構造の等価回路モデル作成，(2)等価回路モデルに基づいた低モード変換コネクタの提案，(3)回路基板上の差動配線における等価回路を用いたモード変換評価，(4) 回路基板上の隣接差動線路間で生じるディファレンシャルモードクロストーク（モード変換）問題に対する等価回路モデルを用いた検討，(5)DC/DCコンバータ回路におけるノイズ源モデルの構築，に対してそれぞれ検討を行った。
(1)では，昨年度得られたガラスクロスメッシュで生じる差動スキューの低減手法を，フレキシブルプリント回路基板(FPC)に適用し，ガラスクロスメッシュ同様，差動スキュー低減を実現した。(2)の不連続部におけるモード変換抑制では，イーサネットケーブルのコネクタ部のシールド改良によりモード変換が10 dB抑制されることを実測により確認した。また，コネクタの電流配分率算出を，Sパラメータを使って行えることを示した。(3)では，昨年度ディファレンシャルモードクロストーク（モード変換）低減を目標に提案した「周期構造を導入した差動線路」におけるクロストーク低減メカニズムを(4)で提案したモデルで評価し，クロストーク低減を定性的に説明することができた。(4)では，回路基板上の隣接差動線路間で生じるディファレンシャルモードクロストーク（モード変換）問題を対象としてモデル化を試み，クロストーク発生の定量評価に成功した。最後に，(5)のノイズ源モデルの構築では，主に2点の改良により，DC/DCコンバータを対象としたノイズ等価回路モデル構築において従来と比較して20 dB以上シミュレーション精度を改善した。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
(1)では，屈曲部のモード等価回路構築を29年度に引き続き行った。並行して(3)に関連して29年度に行ったガラスクロスメッシュ上で低差動スキューを実現する手法をフレキシブルプリント回路基板に適用し，ガラスクロスメッシュ同様，差動スキュー低減を実験的にも示した。
(2)では，シールドが施されたS/FTP ケーブルを対象にモード変換量の測定を行い，1 次コモンモードと2 次コモンモード間のモード変換が支配的であることを確認し，これまでに構築したモード等価回路モデルによりこれを説明した。そして，コネクタ部のシールド改良により不連続部における平衡度不整合を改善することで10 dBのモード変換抑制を実験により確かめた。一方，実際のコネクタは複雑，かつ，構造データを入手できない場合も想定されるため，測定により電流配分率が求められるようSパラメータを使って求める手法を検討し，これが可能であることを示した
(3)と(4)では，ディファレンシャルモードのみに着目して2つの先行研究の成果を組み合わせることで，近端クロストークはディファレンシャルモードの偶奇モードのインピーダンス差の影響が支配的であり，一方，遠端クロストークは偶奇モードの位相定数差の影響が支配的であることを明らかにした。結果として，周期構造導入で遠端クロストークが極めて小さくできたのは，偶奇モードの位相定数の値をほぼ同じにできたためと言える。
最後に(5)では，DC/DCコンバータを対象としたノイズ等価回路モデルによる予測精度向上のため，モデルパラメータ抽出時に直流動作に影響を及ぼさないよう負荷抵抗を固定して外部フィルタとしてのコンデンサの値を変えること，そして，モデル構造では等価電流源の数を1つから2つにすること，の2点の改良を加えることで，コンデンサ実装時の伝導妨害波電圧の予測を，従来と比較して20 dB以上改善した。
|
| Strategy for Future Research Activity |
(1)では，これまでに提案している極めて低モード変換の非対称テーパ付密結合屈曲構造を対象に屈曲部のモード等価回路モデルの完成を目指す。さらに，回路基板上の差動線路での『ビアによる他層への移行』という平衡度不整合構造を対象に，モード等価回路の観点から低モード変換となるビアの最適位置を調べる。(2)では，年度に行ったSパラメータからの電流配分率算出を進め、得られた知見を基に低モード変換コネクタの提案につなげる。(3)，および，(4)では，等価回路モデルを用いたクロストークメカニズムの検討を進め，周期構造を導入した差動線路について特性最適化のための構造パラメータの検討を行う。また，差動スキュー低減ではランダム性の導入の検討をさらに進め，効果的なランダム構造の提案を目指す。最後に(5)では，DC/DCコンバータ回路を対象としたノイズ源等価回路モデル構築をさらに進め，モデル精度向上を目指す。具体的には，モデルパラメータ抽出時の条件の変更のさせ方の工夫や，パラメータ計算の際の条件数の評価などを行う。
上記の研究には，大学院生4名が検討を行い，学部4年生が補佐をする体制となる。評価では助成にて購入したベクトルネットワークアナライザを大いに活用する。
|
