EMIおよびEMC自動化ツールの最も包括的な入門

設計エンジニアにとって、設計ルールチェッカー（あらかじめ定められた設計ルールを満たすことがプリント基板（PCB：printed circuit board）で可能かどうかを検証するツール）、部品寸法が動作波長より十分小さい場合にインダクタンス、キャパシタンスおよびレジスタンスのパラメータを抽出するために用いられる準静的シミュレータ、解析式に基づきコンピュータを用いて単純なアプリケーションを計算するクイック・カリキュレータ、そしてフルウェーブ数値シミュレーション技術など、複数の自動化されたEMI/EMCツールが存在する。これらの自動化ツールは、さまざまな設計段階において、異なるEMI/EMC問題を解決するために適用することができる。しかし、全体設計を解析し、システムで発生する問題を正確に予測できる自動化ツールは存在しない。

PCBルールチェックツール

PCB設計は非常に複雑で、多数の層や配線が関係します。エンジニアにとって、各EMI/EMCの重要ネットワークの配線を手作業でチェックすることは、非常に困難で退屈な作業です。自動化ツールはCADファイルからPCB設計を抽出し、設計ルールに違反している位置をユーザーに報告することができます。一般的に言えば、これらのソフトウェアツールは、ユーザーが設計ルールを制限条件としてあらかじめ設定できるだけでなく、利用可能なPCB技術や速度を前提として新しいルールを作成することさえ可能です。

PCBルールチェッカーは、重要なEMCルールに違反しない設計を確保するために、PCB設計期間中に繰り返し適用することができる。PCBを最終設計段階でのみ検証する場合、ルールに従った修正には多くの時間を要する可能性があり、場合によっては実施できないこともある。設計期間中にPCB設計を検証することで、その後のEMCルールに基づく大規模な修正を回避することができる。

PCB設計ルールチェッカーは非常に高速で動作し、各PCBの設計ルールを検査します。しかしながら、これらのツールはユーザーにいくつかのヒントを与えるだけで、ルール違反の重大度の順序に従った指示を提供することはできません。新たに登場した一部のPCBソフトウェア検査ツールは、ルール違反の現象を関連付け、信号のデータレートやルール違反の程度に関する情報を反映できるため、設計者が特定のルール違反の発生を排除するのに役立ちます。

シミュレーションツール

シミュレーションツールは、全体システムの一部を正確に解析するために適用されます。サプライヤがどれほど優れたスクリーンキャプチャを提供しようとも、現在のEMI/EMCモデリングツールは「すべての作業」をこなすことはできません。なぜなら、モデリングはソフトウェアエンジニアに取って代わることはできず、EMI/EMCエンジニアが使用するツールの一つに過ぎないからです。EMI/EMCエンジニアは、どの設計部分について事前解析とモデリングが必要かを判断することが求められます。

一般的に、マルチグレードモデルは、未解決の問題に基づいて構築する必要があり、最終グレードにおけるモデルのシミュレーション結果が、次のグレードのモデルへの入力情報を提供する。この方法により、各部分における特定の問題を個別に処理し、その結果を統合することで、モデルを最適化することができる。したがって、一度きりの「無理押し」的なモデリングと比べて、マルチグレードシミュレーションは、より大規模な問題を解析することが可能である。さらに、EMI/EMCエンジニアは、より多くのマルチグレードシミュレーションの分割ポイントを見出すために、問題およびモデリング技術をよりよく理解する必要がある。

a. 準静的シミュレータ

準静的シミュレータは、コネクタの電気的パラメータなど、システム構成要素のインダクタンス、キャパシタンスおよびレジスタンスのパラメータを抽出するために適用される。しかし、構成要素の寸法は、最大周波数をもつ高調波の波長よりも十分に小さくなければならない。この種のツールは、等価回路のパラメータを迅速に計算することが可能であり、そのパラメータは～に適用することができる回路シミュレータ例えば SPICE などである。準静的条件の実装という観点からの条件の一つは、モデリング対象が電気的サイズの小さいものでなければならないという要件にある。この種のシミュレーションは、波の伝搬遅延を伴わない電界および磁界の結合から成り立っているが、これはモデリング対象の電気的サイズが非常に小さいため、電界と磁界の結合に遅延を生じさせないからである。もし部品が小サイズという要件を満たさない場合には、フルウェーブモデリング手法を適用しなければならない。

b. 全波シミュレーションツール

準静的シミュレータとは異なり、フルウェーブシミュレーションツールには、構成要素に対して電気的サイズを小さく保つという制約がありません。その代わりに、マクスウェル方程式が簡略化なしに完全に解かれ、フルウェーブ電磁界モデリング技術には多数の種類の手法が用意されています。最良のシミュレーション技術として、フルウェーブシミュレーションツールは開発者や教育者が最も一般的に使用するシミュレーションツールとなっていますが、同時に最も多く議論の的にもなっています。多くのフルウェーブシミュレーション技術は特定の構造にしか適用されず、さまざまな問題に対応するための計算法の修正は非常に複雑です。いくつかのフルウェーブシミュレーション技術は汎用的には適用できず、電磁気学の知識とモデリング技術に関する深い理解が求められます。さらに、軍事機器のレーダー断面積の算出のように、遠方界にしか適用されないものもあります。

異なる全波シミュレーション技術は、それぞれ異なる側面で利点を有しており、最適なモデリング技術とは、特定の問題に適したシミュレーション要件を見いだすことである。最も広く用いられている EMI/EMC 全波シミュレーション・モデリング技術には、モーメント法（MoM）、有限差分時間領域（FDTD）法、有限要素法（FEM）、伝送線路行列法（TLM）、および部分要素等価回路（PEEC）法が含まれる。これらの異なる全波シミュレーション技術は、実際にはマクスウェル方程式の異なる表現形態である。例えば、MoM はマクスウェル方程式の積分方程式を適用する。導体／金属は電気的サイズの小さい単位に分割される必要がある（導体の各段における電流は一定であると仮定される）。各単位上の電流および他のすべての構成単位上の電流は、励振源を通じて計算することができる。すべての導体単位上の電流が求められれば、最終的に全体として生成される電界および／または磁界を計算することができる。

•FDTDマクスウェル方程式の微分形式は、隣接媒質を空気としたFDTDに適用され、一般的なモデリングは金属と誘電体の組み合わせで行われる。シミュレーション対象物に対応する空間は、電気的サイズの小さい体積要素に分割される。各体積要素は、誘電率 (ε)、透磁率 (μ)、および導電率 (δ) によって定義される。名称が示すように、FDTDは主に時間領域で適用されるため、パルスを励振関数として用いることで広帯域応答を得ることができる。FDTDのシミュレーション後、時間領域解は周波数領域解へと変換することができる。

•有限要素法これはマクスウェル方程式の別の形式であり、その典型的な応用は周波数領域での解法である。同様に、モデル内の空気および他のすべての材料は、電気的寸法が小さい単位に分割されなければならない。有限要素法（FEM）は変分法を用いてマクスウェル方程式を解く。

•TLMマクスウェル方程式の別形式として、典型的な応用は時間領域での解法にある。基本的に、モデル化対象の空間領域は複数の 3D 伝送線路ノードに分割され、それぞれのノード上で、ノードインピーダンスによって伝送／反射を推定することができる。各ユニットは 1 つのノードに対応している。

•PEECこの技術は、マクスウェル方程式の積分形に基づき、単位場間のあらゆる関係を回路関係に置き換えた、EMI/EMC 分野における最新のフルウェーブ手法である。すべてのユニット間の接続は、局所的な相互インダクタンスおよびキャパシタンスによって実装される。SPICE などのソルバーを用いて全体の回路をシミュレーションし、得られた電流および電圧パラメータを MoM のように電磁界へと変換する。

これまでのところ、シミュレーションツールは非常に強力になっており、エンジニアはそれらに依存せざるを得なくなっています。しかし、それでも電磁気学やEMI/EMC設計に関するエンジニアの基本的な理解を置き換えることはできません。初歩的なシミュレーションにおいては、初心者のエンジニアは、製品／デバイス全体を複数のシミュレーションモジュールにどのように分割するか、そしてシミュレーション結果をどのように解釈するかを習得するために、いくつかのトレーニングを受け、学習資料を参照することが推奨されます。最終的には、シミュレーション結果がモデル化対象を正しく反映しているかどうかを検証し、基本的な物理理論との整合性を確保することを学ぶ必要があります。

役立つリソース
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