PI解析

電源電圧が定められたしきい値に収まっているか、問題なく動作する状態にあるかを検証します。

PI解析ではデカップリングコンデンサの効果の検証などができるため、ノイズの低減だけでなく部品点数削減基板面積縮小などお客様のメリットとなるご提案が可能となります。
当社では、下記解析を実施しました。

■解析項目
・電源の電圧降下解析
・電源プレーンのインピーダンス解析
・デカップリングコンデンサの感度解析

■対象箇所
・FPGA(Virtex UltraScale)
 

解析結果

・DCドロップ解析

下記は、搭載しているFPGA(Virtex Ultra Scale)のデータシートです。

 

             図1.Virtex Ultra Scaleデータシート

本FPGAの電圧マージンは3%程となっております。
推奨動作条件の最低が0.922に対し、下記図2(左)Cu厚18μmではその電圧を大きく下回る結果となっており、このままの状態では動作不良を起こす可能性があります。
電圧降下を抑えるにはいくつか対策がありますが、今回は銅箔の厚みを変えることで対策を行いました。

下記図は、Cu厚を18μmから70μmへ変更した際の電圧分布を表しています。

 

             図2.Virtex Ultra Scale電圧分布図

図を見比べていただきますと分かります通り、銅箔の厚みを変えたことで検証箇所の電圧降下を大幅に改善することができました。
 
 

・インピーダンス解析

下記は、電源プレーンのインピーダンス解析の結果です。

 

             図.インピーダンス解析結果

しきい値となるターゲットインピーダンスは、 を元に設定しています。

上図の赤色の線は、デフォルトの電源回路を使用した場合のインピーダンスの状態を示しています。
このままの状態では、ターゲットインピーダンスを超えており、動作上問題が出る可能性があります。

電源プレーンのインピーダンスを低くする方法としては、設計上のポイントもちろんありますが、キャパシタの活用が重要となります。

そのため、当社では下記の対策を行いました。

  • 対策1:キャパシタ(=コンデンサ)の追加(2200μF)
  • 対策2:キャパシタ(=コンデンサ)の追加(2200μF、4.7μF)

上図の 青色の線が「対策1(2200μF追加)」の結果、ピンク色の線が「対策2(2200μF、4.7μF追加)」の結果を示しています。
どちらもデフォルトの回路よりはインピーダンスが下がっておりますが、シミュレーションの結果「対策2」がより良い結果であることが確認できます。

このように、インピーダンス解析を行うことにより、搭載部品の数量・容量変更などによる最適化のご提案が可能となります。
 
 

・デカップリングコンデンサの感度解析

電源プレーンインピーダンスに対するコンデンサの感度を解析して最適容量の組み合わせを算出します。
下記は、バイパスコンデンサの感度解析結果です。

 

             図.バイパスコンデンサの感度解析結果

上記左図の結果から、C915とC918は機能上の効果が薄く、削除しても問題ないことが分かりました。
不要なコンデンサを削除することが可能となり、その分の実装面積や部品コストの削減に繋げることができます。

上記のように、各種シミュレーション機能を活用することで、設計品質の向上とコストダウン双方の面でお客様のお手伝いをさせていただくことが可能です。

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