EMCシミュレーション解析事例を図1に示すFET基板のノイズ解析事例を用いて紹介します。
最初に図2に示すFET回路解析モデルについて、回路素子が ①理想回路モデル、②等価回路モデル、そして③FETモデルがデバイスメーカ提供モデルと弊社製モデルの場合の3つの組合せ(表1)において、回路シミュレーションを実施し、図3のようなFET OFF時のリンギング差異を確認しました。
次に、図4に示す基板3Dモデルによる過渡解析(基板実装状態でFETを擬似的に動作させる)を実施し、図5にリンギングの時間波形および電圧スペクトルを、図6に共振周波数における電界分布アニメーションを示します。
最後に、EMCソリューションの情報からリンギング対策素子の適切な配置位置および定数を決定し図7に示す基板3D-過渡解析を行なって適切なリンギング対策を実施し、その低減効果(時間波形およびスペクトル)および基板電界分布差異を図8に示します。

図2. FET回路解析
表1. 回路シミュレーションのデバイスモデル組合わせ

回路シミュレーションによるデバイスモデル比較

図2のFET回路において、表1のNo.1-3のデバイスモデル組合せによるFET ON/OFF波形を図3に示します。その結果、

  • 受動素子が理想回路モデルの場合は、FET OFF時のリンギングを再現できていません。
  •  メーカ提供FETモデルに比べて弊社製FETモデルのリンギングが大きく再現できています。
  • また、FETのターンオン/オフ時間(tr/tf)が弊社製FETモデルでは短く再現できています。

このように、EMCシミュレーションにとってデバイスモデルの特性再現性は大変重要です。 弊社はデバイスモデル専門ベンダーとして、良好なEMC解析用デバイスモデルの提供と合わせて、お客様のご要望に応じたEMCシミュレーション解析支援が可能です。

図3. 回路シミュレーション 時間-電圧波形 図3. 回路シミュレーション 時間-電圧波形

電磁界3Dシミュレーションによるリンギング原因解析

図4の基板電磁界3Dシミュレーションを実施し、図5のような結果が得られました。

図5-(b)からリンギングが30MHzであることが分かりましたので、当該周波数の電界伝搬の様子を3Dアニメーションで可視化し、図6図中のようにB面に配置された放熱パターンが共振していることが判明しましたので、図7のリンギング対策部品追加位置にスナバ回路を追加することにしました。

図4. 基板3D-過渡解析モデル 図4. 基板3D-過渡解析モデル
図5. (a)FET OFFリンギング時間波形/(b)基板3D/過渡解析スペクトル 図5. (a)FET OFFリンギング時間波形/(b)基板3D/過渡解析スペクトル
図6. 30MHz基板共振の様子 図6. 30MHz基板共振の様子
図7. 基板3D-過渡解析モデル 図7. 基板3D-過渡解析モデル

図8がその対策結果です。
リンギングがピタリと収まり、30MHzノイズスペクトルを完全に消すことができました。

図8. No.2モデルの対策前後比較 図8. No.2モデルの対策前後比較

まとめ

以上のように、電磁界3Dシミュレーションによってノイズの伝搬状態・共振の様子を可視化することで、原因の特定と、抵抗とコンデンサ各1個だけを追加するという低コストな対策を試作レスで実現することができました。

本事例は、FET素子が1個だけの単純な基板のEMC解析事例をご紹介しましたが、解析対象が車両規模であっても電磁界現象に変わりありません。

モーデックは、単にソルバーの操作方法やモデリングノウハウの支援に留まらず、電磁界の物理的現象から適切なEMC設計の仕方についてもサポートさせて頂きます。