when worlds collide slide -1 - teledyne lecroy...

Bogatin Enterprises, LLC, a LeCroy Company 2011

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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EMCの改善

Dr. Eric Bogatin,

Signal Integrity Evangelist,

Bogatin Enterprises, a LeCroy Company

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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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詳しい情報はWebへ

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最新の出版

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

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Prentice Hallから発刊, 2009


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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。

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。


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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


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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

Vgndbounce=dNtotal

dt

I1 = I2

Ntotal=L22I2-L21I1

Vgndbounce = (L22-L21) =LtotaldI1dt

dI1dt

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?


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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 nsecL_comm = 4 nHn = 4 switchingTD = 1.1 nsecR_source = 20 Ohms


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“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


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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


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抵抗ネットワークのグランド・バウンス

TT ElectronicsBourns

muRata


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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、Ltotal ~ 10 nH/inch


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Vgnd Ltotaln Ltotal x nVsig Z0RT RT= = 2% x

グランド・バウンスのノイズの推測

Vgnd=LtotalndIdt

dI Vsig

dt Z0RT

Ltotal ~ 10 nH/inch x Len

例: n = 3, RT = 0.5 nsecgb noise ~ 2% x 2 x 3 / 0.5 = 24%

例: n = 2, RT = 1 nsecgb noise ~ 2% x 5 x 2 / 1 = 20%

Ltotal ~ 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

=


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= = =10%

リターン電流の重なり= グランド・バウンス

- Ltotal ~ 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。

Ltotal = 2.5 nH x 2 legs = 5 nHZ0 = 50Ω, RT = 1 nsec, n = 1

= Vgnd Ltotaln Vsig Z0RT

Vgnd Ltotaln 5 x 1 Vsig Z0RT 50 x 1

0.25インチ

Ltotal ~ 10 nH/インチ x 0.25inches = 2.5 nH


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アンテナからの電波放射

E = Pradiated5.5R

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!


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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。」


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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?


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コモン電流とFCCの不適合

++

--

I

LenI

孤立双極子

導電性面

E = 4 x 10-7 = 0.4 V/m x f x If x I x LenR

@ 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

Imax = = 3A100V/m

0.4V/m x 100MHz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


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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 10-7f x I x LenR

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



E = 1.2 x 10-6 = 4000V/m 108 x 10-4 x 1

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 mALen ~ 1 mR = 3 m@ 100 MH

I = = = 100AVgndb 0.1VZreturn 1k


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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



1 cm

Icm = Ltotal dIplane

Zcm dt

Iplane = プレーンの電流Ltotal =リターン・プレーンの全インダクタンスZcm =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!


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有限幅のリターン・パス

シャーシ



D. S. Britt, D. H. Hockanson, F. Sha, J. Drewniak, T. Hubbingand T. Van Doran, “Effects of Gapped Ground Planes andGuard Traces on Radiated EMI”, IEEE Symposium onElectromagnetic 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。


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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= Ltotal = 0.1nH = 10A1 dI 1 20mAZc dt 200 1nsec

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?


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コモン電流とコネクタ品質

IEEE EMC Symposium 2009

107 108

Frequency (Hz)


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グランド・バウンスが設計を台無しにする

• 大きすぎるクロストークの原因

ロング・レンジ???

同時スイッチングする信号のに比例

立ち上がり時間に反比例

• EMIの原因

コネクタ内

プレーン内

• グランド・バウンスの解決

リターン・パスをグチャグチャにしない

リターン・パスを共有しない


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