EMCシミュレーションとは(電磁界解析)

1.EMCシミュレーション(電磁界解析)の概要

電子情報機器の高速化、および製品サイクルの短期化等により、回路、基板、筐体等の設計の段階から、EMCフリーな性能を確保する必要が出てきており、そのような電子情報機器のEMCを計算機上で検討するシミュレータ(EMCシミュレータ)を導入、利用するケースが増えてきている。

EMCの現象はマックスウェルの方程式で記述することが可能であるが、プリント配線板などの複雑な電気的構造物からの放射エミッション(EMI問題)を解析的に解くことは、ほとんどの場合困難である。

EMIシミュレーションの精度は対象構造物の電流分布をどれだけ正確に求めるかに依存する。

例えば、解析対象の構造物上での電流分布が一様であるとの電磁気的な仮定を導入した簡易型のシミュレータでは、周波数が低く(波長が長く)、対象構造物の電気長が十分に長い時を除いて、実際との間に差異を生じる。

コモンモードの放射が重要な要素となるEMCでは、伝送経路のように信号線上の電流とグラウンド上の帰還電流に対称性を仮定したものは、やはり実際との間に差異を生むことになる。

2.主な計算手法(モーメント法/有限要素法/有限差分時間領域法)

最近ではEMCシミュレーション(電磁界解析)として多数の物が開発されている。
そこで使われる計算法は次の3つに大別される。

① MoM(Method of Moments):モーメント法
MoM法(モーメント法)は束縛の無い放射問題の解析に非常に有効である。
完全導体で、一様な誘電物質からなる構造の解析に優れているが、複雑な不均一な構造の解析には適さない。
② FEM(Finite Elements Method):有限要素法
FEM法(有限要素法)は、表面だけをメッシュする表面積分法とは異なり、解析構造の全面積をメッシュする。一般に完全に不均質構造のモデリングに適しているが、モーメント法ほど効果的に放射問題をモデル化できない。
③ FDTD(Finite Difference Time Domain):有限差分領域法
FDTD法(有限差分時間領域法)は、全空間のメッシュが必要である。
モーメント法や有限要素法と違って、FDTD法は時間領域での解析であるので、過渡解析に適している。
また複雑な不均質構造のモデリングに非常に優れている。
EMCシミュレーション(電磁界解析)により、PCBの中にあらわれる種々の基本、あるいは補助的構造のEMC的振る舞いを明らかにすることが可能である。ただし、EMCシミュレーション(電磁界解析)は実験を不要とするものではない。
しかしながら、実験からのみでは事実の把握が困難な場合も多々ある。
シミュレーションの持つ特質を生かすことにより、EMCを対策問題から、設計問題へと移行させる手段として、EMCルールチェッカ等を含む、広い意味でのEMCシミュレーション(電磁界解析)が今後の情報処理製品開発において重要になる。

3.モデリング

EMCシミュレーション(電磁界解析)におけるモデリングツールは、一つの計測器として考えればわかりやすい。
例えば、モーメント法を用いたツールでは、その精度とそれを与える条件は決まっているから、計測器を用いると同じように対象構造物をどのようにすれば必要な条件で計測できるかに注力すればよい。
実際の計測においてプロービングによる誤差などが生じるように、シミュレーションにおいても実際の構造物とモデルの間の相違に伴ういわゆる誤差が生じうる。

ここがシミュレーションにおいて、技術力が発揮される領域となる。実際の計測では、計測の誤差、設計の誤差等を含めて実際の計測値が得られることになる。従って、計測結果に基づき、どのような誤差が含まれたのかを考慮しつつ、物理的挙動を調べることになる。
シミュレーションでは、計測で与えられるような誤差は生じない。

しかしながら、実際の計測値との間の差異を調べ、物理的挙動を調べる。
結果をもって、物理的考察をするということについては、両者は同じ位置付けであり、EMCシミュレーション(電磁界解析)ツールを「計測器のようなもの」とする所以である。

図1.実際の回路基板とそのモデル例 図1. 実際の回路基板とそのモデル例

4.関連書籍

Chapter.8