2019 Fiscal Year Annual Research Report
Development of equivalent circuit model required for low-noise designing of safe and secure electrical/electronic equipment
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16H04318
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| Research Institution | Okayama University |
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Principal Investigator |
豊田 啓孝 岡山大学, 自然科学研究科, 教授 (20311798)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2021-03-31
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| 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 |
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| 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」問題に対してそれぞれ検討を行った。
まず，(1)回路基板上の差動線路における平衡度不整合構造の等価回路モデル作成では，『屈曲』構造について，非対称テーパ付密結合屈曲構造を対象に実利用に適した設計手順を確立した。次に，(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では，S/FTP ケーブルにおいて，コネクタ直下のパターン形状が1 次と2 次のコモンモード間のモード変換に一定の影響があり，この形状を工夫してモード変換抑制が可能であることを実験的に確かめた。Sパラメータ測定に基づく実測からの電流配分率算出では，ケーブル長が精度に影響を与えたが，TDR法の改良でこれを克服する可能性があることを見出した。続いて，(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では，等価回路を用いたモード変換評価を実際の設計に応用するという観点から，周期構造差動線路を対象にセットベース設計手法を適用し，作製許容度を考慮した設計法を検討した。さらに，(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では，並行して回路基板上を走る高密度差動配線において高密度配線の両端に非対称構造差動線路を設置することでモード変換を抑制できることを見出した。しかし，その構造はこれまで主張していた平衡度不整合に基づく考え方とは逆で，この矛盾の解消には至らなかった。最後に，(5)DC/DCコンバータ回路におけるノイズ源モデルの構築では，線形性を仮定したブラックボックスモデルでもモデルパラメータ抽出時とは異なる負荷抵抗を接続した場合の伝導妨害波電圧の予測を試み，予測可能であることを確認した。
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| 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，非対称テーパ付密結合屈曲構造を対象に，実利用の観点から設計手順の確立を行った。この際，製造上の最小の線路幅や線路間隔に基づき密結合屈曲部分の構造を最初に決定することで，全体の構造パラメータを試行錯誤なく決定できた。この他，『ビアによる他層への移行』という構造を対象に，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，ビアと内層クリアランスの関係を中心に調べた。
(2)では，S/FTP ケーブルを対象に，コネクタ直下の基板パターン形状を変えると，1 次と2 次のコモンモード間のモード変換に一定の影響があることを確認した。モード等価回路モデルで定量評価を行い，基板パターン形状でモード変換抑制が行えることを実験的に確かめた。一方，Sパラメータ測定に基づく実測からの電流配分率算出では，ケーブルの影響排除が困難であり，精度の問題が生じた。そこで， TDR（時間領域反射率測定）法の基礎検討を行い，この改良法の有効性を確認した。
(3)では，等価回路を用いたモード変換評価を実設計に応用するという観点から，先行研究の「選好度」を考慮したセットベース設計手法（PSD手法）を参考に，周期構造差動線路を対象に作製許容度を踏まえた設計法の検討を行った。
(4)では，並行して回路基板上を走る高密度実装の複数差動線路の両端に非対称構造差動線路を設定することでモード変換を抑制できることを見出したが，その構造は平衡度不整合に基づく考え方とは正反対であった。この矛盾の解消，メカニズム解明には至らなかった。
(5)では，DC/DCコンバータ回路のノイズ源等価回路モデル構築において，非線形動作のDC/DCコンバータに対し，線形性を有するブラックボックスモデルを適用してモデルパラメータ抽出時とは異なる負荷抵抗を接続した場合の伝導妨害波電圧の予測を試み，予測可能であることを確認した。
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| Strategy for Future Research Activity |
まず，(1)の等価回路モデル作成では，2019年度の検討で残された平衡度不整合構造，すなわち，回路基板上の差動線路での『ビアによる他層への移行』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と内層クリアランスの関係を引き続き調べ，モデル構築を試みる。次に，(2)ではTDR（時間領域反射率測定）法を改良した電流配分率の実測に基づく算出法の確立に向け検討を進める。同時に，イーサネットコネクタを例に挙げたコネクタ直下の基板パターン形状によるモード変換抑制では，イミュニティ問題の解決に向けて有効性の確認を行う。また，(3)については，引き続き周期構造差動線路を対象に，PSD手法に基づく設計法による実用化を検討する。さらに，(4)では，高密度実装の複数差動線路で生じるクロストーク（モード変換）低減のために2019年度に検討した非対称構造差動線路について，そのメカニズム解明と設計法の提案を行う。また，周期構造導入による評価まで予定していたが至らなかったので，これを2020年度は行う。最後に，(5)ではDC/DCコンバータ回路のノイズ源等価回路モデル構築をさらに進め，負荷の影響を考慮可能なモデルを構築し，実用的な精度の実現を目指す。また，実用性を考慮した，モデルパラメータ抽出法の確立を行う。
上記の研究には，大学院生5名の協力の下で検討を行い，さらに学部4年生が補佐する。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。
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Research Products
(6 results)
