PCBとグラウンドプレーン間のカップリングに関するEMCシミュレーション

※本ブログは、SIMULIA Blog （英語版）で既に発表されたブログの日本語参考訳です。

伝導エミッション（CE）試験の背景

伝導エミッション（CE）テストは、ワイヤー上の電流または疑似電源回路網（LISN）の測定ポートを介した電圧の測定で構成されます。自動車分野では、試験セットアップは、被試験機器（EUT）、ワイヤー、LISN、EMI（電磁干渉）受信機、CANなどの通信装置、負荷（必要に応じて）、およびグラウンドプレーンで構成され、このグラウンドプレーンは車両のシャーシを表し、電圧の基準となります。

図1は簡単なテストセットアップを示しています：VbatとGNDはそれぞれ電源の正極と負極のワイヤーを表します。ここでのEUTはシンプルな「プリント基板（PCB）」ですが、他のいかなる電気的または電子的システムを表すこともできます。CE試験中のEMC性能は、CISPR 25などの規格によって定義された制限値と測定された電圧/電流を比較することで構成されます。CISPR 25は自動車分野で最も適用される規格です。ここでは、電圧法に着もします。なお、電圧法による試験と電流法による試験は同等であるため、測定の選択は制限ではありません。

EUTの説明

本検討では、EUT（被試験機器）として、複数のグラウンド層を持ち、1本のトレースが信号で励起されているシンプルなPCBを取り扱います。このPCBを用いて、トレースとグラウンドプレーン間のカップリングの様子を表示することで、基板のレイアウトがこのカップリングにどの様に影響を与えるかを議論します。以下の3つのケースを検討します：

• ケース1：2層のPCBで、励振されるトレースは下層に配置されています。上層はPCBのグラウンドリファレンス層です（図2参照）。
• ケース2：4層のPCBで、励振されるトレースは2つの強固なPCBリファレンス層の間にあり、信号が伝播します（図3参照）。
• ケース3：ケース2と同じ構成ですが、トレースのすぐ下に下層に穴があります（図4参照）。

図2. PCBケース1のイラスト、PCBの裏面ビュー

伝導エミッション試験セットアップ

試験セットアップは、PCBと、PCBのリファレンスをLISNインピーダンスに接続するための20cmの長さのワイヤで構成されています。通常、電源は2本のワイヤを使用してPCBに接続されます：1本は負の極性用、もう1本は正の極性用です。しかし、本検討では、これらの電源ワイヤを1本のグラウンドワイヤに置き換えています。

本検討ではコモンモードのみを考慮しており、これはカップリングにおいて最も支配的なモードです。実際、負と正のワイヤ間の入力インピーダンスは無視できるほど小さいです。これらは通常、コンデンサで接続されており、本検討ではそのコンデンサは理想的なものと仮定されています。

試験セットアップの3Dモデルは図6に示されています。基板は垂直に配置され、トレースは下層にあり、グラウンドワイヤは上層で接続されています。PCBとグラウンドプレーンの間にローカルなグラウンド接続はありません。

ノイズ源と終端

トレースはバッファまたはマイクロコントローラーからの信号によって励振され、固定インピーダンスで終端されます。これは、高周波成分を持つクロック信号や通信信号をモデル化しています。シミュレーションでは、励振信号は100 kHzから300 MHzの周波数範囲の広帯域電圧源です。終端は50 kΩの抵抗です。検討した周波数範囲において、終端インピーダンスの正確な値は重要ではありませんが、容量結合を支配的にするために十分に高い値である必要があります。

シミュレーション方法

トレースが1Vの広帯域ノイズ源で励振されたときのLISNにかかる電圧をAC解析を使用して分析しました。得られた結果は図8に示されています。ケース1「シングルレイヤー」では、結合比は78 dBであり、トレースに1Vを加えると20 MHzで42 dBµVが得られ、これはCISPR 25の伝導エミッションクラス5「狭帯域ノイズ」の要求値を上回ります。このレベルはケース2「ダブルレイヤー」では-58 dBµVに減少し、非常に低いレベルとなります。ケース3「穴のあるトレース」では、結合レベルは25 dBµVとなり、ケース2と比較して83 dBの増加を示します。実際、ケース3はCISPR 25クラス5において伝導エミッションのリスクが高いことを示しています。全体の結果は、トレースの上または下にグラウンド層に穴が開いていると、3層または4層を使用して得られた改善（-58 dBµVから25 dBµVまで）を82 dB減少させることを示しており、これは3Dシミュレーションを使用しなければ推測することが非常に難しいことがわかります。

カップリングメカニズムの分析

ここで最初に浮かぶ疑問は、「PCBとグラウンドプレーンとの間に1本の接続しかないのに、どのようにしてLISNに電流が流れるのか？」ということです。この質問に答えるために、20 MHzでのEフィールドモニタを使用します（図9参照）。ここで、PCBとグラウンドプレーンの間に明確に電場が存在することがわかります。この電場の変化が、PCBとグラウンドプレーン間の寄生容量を通じて変位電流を誘発し、図10に示されているように、この変位電流がLISNインピーダンスに電圧を誘起します。

トレースが2つのグラウンド層の間に埋め込まれているケース2の場合、トレースとグラウンドプレーン間のカップリングは大幅に減少します。実際、トレースとグラウンド層間のカップリングは大幅に増加し、電流の分布が内部層間に局所化されるように変化します。電場がトレースとPCB層の間に閉じ込められているため、PCB層の外側の面には電流が流れず、それらとグラウンドプレーンの間には電場が存在しません。このため、PCBとグラウンドプレーン間のカップリング結合が減少します。

「ケース3」のようにPCBの層にトレースの上に穴がある場合、結合レベルは「シングルレイヤー」のケース1とほぼ同じになります（図12参照）。その差はわずか33 dBです。明らかに、この値は穴の位置とサイズによって変化します。

結論

本検討では、伝導エミッション試験セットアップにおけるPCBとグラウンドプレーン間のカップリングを3Dシミュレーションを用いて研究しました。結果は、ハイインピーダンスで終端されたトレースがPCBとグラウンドプレーン間に電場を生成し、それが変位電流とLISNインピーダンスに電圧を誘起することを示しています。この結合は、トレースが2つの内部層の間に配線されている場合に大幅に減少します。しかし、トレースの上または下のグラウンド層に穴が存在すると、その改善が大きく損なわれる可能性があります。この結論は非常に驚くべきものです。たとえPCBの短い部分上の小さな穴でも、その改善を大きく悪化させることがあります。提案されたシミュレーションワークフローを使用すれば、例えば駆動インピーダンスや終端インピーダンスを変更したり、PCBのレイアウトを変更したりすることで、代替構成を非常に簡単に研究できます。

Guezgouz は2023年6月にダッソー・システムズ　フランスに入社しました。現在の職位はSIMULIAインダストリー・プロセス・シニア・コンサルタントで、主にEMCシミュレーションに焦点を当てています。2021年10月から2023年5月まで、彼は中国のグレートウォールグループでEMCエキスパートとして、EVおよびPHEV車のインバータのEMCハードウェア設計、統合、シミュレーション開発、およびEMC試験と計測を担当していました。さらに、彼はフランスのアルクスSASで軍事分野のEMCエキスパートとして2年間勤務しました。それ以前には、フランスのルノーグループで5年間EMCエンジニア、3年間ジュニアエキスパートとして勤務し、EV車の高電圧デバイスのEMC開発を担当しました。また、EMCのトレーニングを行い、ルノーおよび日産の高電圧コンポーネントに関するEMC標準の確立と策定にも参加しました。彼は2010年にトゥール大学で電子工学の博士号を取得しています。

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