特開 2024-168562 設計支援装置および設計支援プログラム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024168562

(43)【公開日】2024-12-05

(54)【発明の名称】設計支援装置および設計支援プログラム

(51)【国際特許分類】

   G06F 30/367 20200101AFI20241128BHJP

   G06F 119/06 20200101ALN20241128BHJP

   G06F 119/10 20200101ALN20241128BHJP

【ＦＩ】

G06F30/367

G06F119:06

G06F119:10

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023085355

(22)【出願日】2023-05-24

(71)【出願人】

【識別番号】000006013

【氏名又は名称】三菱電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】弁理士法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】塩野谷 浩生

(72)【発明者】

【氏名】下薗 太

(72)【発明者】

【氏名】石口 博尚

(72)【発明者】

【氏名】園田 聡

【テーマコード（参考）】

5B146

【Ｆターム（参考）】

5B146AA22

5B146GG24

5B146GL08

5B146GL10

(57)【要約】

【課題】パワーインテグリティの設計を容易にする。
【解決手段】パワーインテグリティの設計を支援するための設計支援装置７０において、動作パラメータ入力部８２は、集積回路（ＩＣ）によって実行される複数の機能の各々に対して、動作周波数または動作タイミングの情報と平均消費電流の情報との入力を受ける。電流波形計算部８４は、動作パラメータ入力部８２によって入力された情報に基づいて、ＩＣチップを電流源としてモデル化したときの電流波形を計算する。モデル生成部８５は、ＩＣチップの電流源モデルに基づいて、シミュレーションに用いられるＩＣ部品モデルを生成する。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

パワーインテグリティの設計を支援するための設計支援装置であって、
集積回路（ＩＣ）によって実行される複数の機能の各々に対して、動作周波数または動作タイミングの情報と平均消費電流の情報との入力を受ける動作パラメータ入力部と、
前記動作パラメータ入力部によって入力された情報に基づいて、ＩＣチップを電流源としてモデル化したときの電流波形を計算する電流波形計算部と、
前記ＩＣチップからＩＣパッケージの電源端子およびグランド端子に至るまでのＩＣ部品の電源配線構造に関する構造情報の入力を受ける構造情報入力部と、
前記ＩＣチップの電流源モデルと前記構造情報とに基づいて、シミュレーションに用いられるＩＣ部品モデルを生成するモデル生成部とを備える、設計支援装置。

【請求項2】

前記ＩＣチップを電流源としてモデル化したときの前記電流波形は、周期的に生成される電流パルスを含み、
前記電流波形計算部は、前記動作周波数または前記動作タイミングに基づいて、前記ＩＣの前記機能ごとに前記電流パルスが生成されるタイミングを決定し、前記ＩＣの前記機能ごとの前記平均消費電流にさらに基づいて前記電流パルスのピーク値を決定する、請求項１に記載の設計支援装置。

【請求項3】

前記構造情報は、前記ＩＣ部品の前記電源配線構造を等価回路で表した場合の回路パラメータを含む、請求項１に記載の設計支援装置。

【請求項4】

前記ＩＣ部品モデルと前記ＩＣ部品が実装されるプリント基板の情報とに基づいて回路シミュレーションを実行することにより、前記ＩＣ部品の電源・グランド端子間の電圧を計算するパワーインテグリティ解析部をさらに備える、請求項１～３のいずれか１項に記載の設計支援装置。

【請求項5】

前記パワーインテグリティ解析部は、前記ＩＣ部品の前記電源・グランド端子間の電圧の許容範囲の入力を受け、前記計算された電源・グランド端子間の電圧が前記許容範囲内か否かを判定する、請求項４に記載の設計支援装置。

【請求項6】

パワーインテグリティの設計を支援するための設計支援プログラムであって、
集積回路（ＩＣ）によって実行される複数の機能の各々に対して、動作周波数または動作タイミングの情報と平均消費電流の情報との入力を受けるステップと、
前記入力された動作周波数または動作タイミングの情報と平均消費電流の情報とに基づいて、ＩＣチップを電流源としてモデル化したときの電流波形を計算するステップと、
前記ＩＣチップからＩＣパッケージの電源端子およびグランド端子に至るまでのＩＣ部品の電源配線構造に関する構造情報の入力を受けるステップと、
前記ＩＣチップの電流源モデルと前記構造情報とに基づいて、シミュレーションに用いられるＩＣ部品モデルを生成するステップとをコンピュータに実行させる、設計支援プログラム。

【請求項7】

前記ＩＣチップを電流源としてモデル化したときの前記電流波形は、周期的に生成される電流パルスを含み、
前記電流波形を計算するステップは、
前記動作周波数または前記動作タイミングに基づいて、前記ＩＣの前記機能ごとに前記電流パルスが生成されるタイミングを決定するステップと、
前記ＩＣの前記機能ごとの前記平均消費電流にさらに基づいて前記電流パルスのピーク値を決定するステップとを含む、請求項６に記載の設計支援プログラム。

【請求項8】

前記構造情報は、前記ＩＣ部品の前記電源配線構造を等価回路で表した場合の回路パラメータを含む、請求項６に記載の設計支援プログラム。

【請求項9】

前記ＩＣ部品モデルと前記ＩＣ部品が実装されるプリント基板の情報とに基づいて回路シミュレーションを実行することにより、前記ＩＣ部品の電源・グランド端子間の電圧を計算するステップを、前記コンピュータにさらに実行させる、請求項６～８のいずれか１項に記載の設計支援プログラム。

【請求項10】

前記ＩＣ部品の前記電源・グランド端子間の電圧の許容範囲の入力を受け、前記計算された電源・グランド端子間の電圧が前記許容範囲内か否かを判定するステップを、前記コンピュータにさらに実行させる、請求項９に記載の設計支援プログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、設計支援装置および設計支援プログラムに関し、たとえばパワーインテグリティの設計に適用される。

【背景技術】

【0002】

パワーインテグリティとは、プリント基板の電源ラインおよび／または電源プレーンにおける電源電圧の品質をいう。たとえば、ＬＳＩ（Large Scale Integration）の内部で発生したノイズが電源ライン／電源プレーンを伝搬したり、ＬＳＩの電流消費によって電源電圧の低下が生じたりすることは、パワーインテグリティの問題である。

【0003】

ＬＳＩの誤動作を防ぐためのパワーインテグリティの設計手法の一つに、プリント配線板上のＬＳＩの端子位置から見た電源プレーンとグランドプレーンとの間のインピーダンス（「入力インピーダンス」と称する）が上限値（「ターゲットインピーダンス」と称する）を超えないように設計する手法がある。しかしながら、設計の初期段階でターゲットインピーダンスを決定することは容易でない。

【0004】

特開２０１１－２２８２２号公報（特許文献１）は、ターゲットインピーダンスの決定を容易にするための手法を開示する。具体的に、この文献のパワーインテグリティ解析装置では、時間軸上でのＬＳＩの消費電流の変化を表す電流波形、すなわち一定間隔で同一の三角波が発生する波形が仮定される。この電流波形の極大値、定常値から極大値に変化するのに要する変化時間、三角波の周期は、設計者によって入力される。パワーインテグリティ解析装置は、上記の時間軸上の電流波形を周波数軸上の電流スペクトラムに変換する。そして、パワーインテグリティ解析装置は、電源電圧の定格値および許容される電源電圧の変動率に基づいて、電源電圧定格値×許容変動率／消費電流スペクトラムに従って、ターゲットインピーダンススペクトラムを算出する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１１－２２８２２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

上記の特開２０１１－２２８２２号公報（特許文献１）に開示された手法よっても、依然としてターゲットインピーダンスの決定は容易とは言えない。なぜなら、プリント基板の設計者が、ＬＳＩの消費電流波形の極大値および定常値から極大値に変化するのに要する時間などを特定することは困難であるからである。

【0007】

本開示は、上記の背景技術を考慮してなされたものであり、その目的は、パワーインテグリティの設計を容易にする設計支援装置および設計支援プログラムを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

一実施形態において、パワーインテグリティの設計を支援するための設計支援装置が提供される。設計支援装置は、動作パラメータ入力部と、電流波形計算部と、構造情報入力部と、モデル生成部とを備える。動作パラメータ入力部は、集積回路（ＩＣ：Integrated Circuit）によって実行される複数の機能の各々に対して、動作周波数または動作タイミングの情報と平均消費電流の情報との入力を受ける。電流波形計算部は、動作パラメータ入力部によって入力された情報に基づいて、ＩＣチップを電流源としてモデル化したときの電流波形を計算する。構造情報入力部は、ＩＣチップからＩＣパッケージの電源端子およびグランド端子に至るまでのＩＣ部品の電源配線構造に関する構造情報の入力を受ける。モデル生成部は、ＩＣチップの電流源モデルと構造情報とに基づいて、シミュレーションに用いられるＩＣ部品モデルを生成する。

【発明の効果】

【0009】

上記の実施形態によれば、ＩＣの機能ごとの動作周波数または動作タイミングの情報と平均消費電流の情報とに基づいてＩＣチップを電流源としてモデル化したときの電流波形が計算される。この電流源モデルを利用することにより、パワーインテグリティの設計が容易になる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】シミュレーションで用いられる回路モデルの一例を示すブロック図である。

【図2】図１のＩＣ部品モデルのより詳細な構成例を示す回路図である。

【図3】実施の形態１に係る設計支援装置の構成例を示すブロック図である。

【図4】図３の構造情報入力部のより詳細な構成例を示すブロック図である。

【図5】図３の動作パラメータ入力部のより詳細な構成例を示すブロック図である。

【図6】各機能のパラメータの入力画面の一例を示す図である。

【図7】ＧＰＩＯのパラメータの入力画面の一例および通信回路のパラメータの入力画面の一例を示す図である。

【図8】ＩＣチップの一機能の電流波形を概念的に示すタイミング図である。

【図9】図３の設計支援装置の動作を示すフローチャートである。

【図10】実施の形態２の設計支援装置の構成例を示すブロック図である。

【図11】図１０の設計支援装置の動作を示すフローチャートである。

【図12】実施の形態３の設計支援装置の動作を示すフローチャートである。

【図13】実施の形態１～３の設計支援装置のハードウェア構成の一例を示すブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、各実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して、その説明を繰り返さない。

【0012】

実施の形態１．
本実施の形態の設計支援装置では、プリント基板をモデル化し、シミュレーションによって、解析対象となるＬＳＩの端子位置での電源電圧の時間変化およびスペクトラムが算出される。基本的にターゲットインピーダンスを算出することはないが、ターゲットインピーダンスの算出も可能である。以下、シミュレーションのための回路モデルについて説明し、次に設計支援装置の構成について説明する。

【0013】

［回路モデルの構成］
図１は、シミュレーションで用いられる回路モデル１０の一例を示すブロック図である。回路モデル１０は、解析対象のＩＣ（Integrated Circuit）部品を表すＩＣ部品モデル２０と、ＩＣ部品の外部情報３０とを含む。本明細書において、ＩＣ部品とは、マイクロプロセッサなどのＩＣが形成されたチップ（ダイとも称する）と、そのチップを内蔵するパッケージとを含めた半導体製品の全体をいう。

【0014】

ＩＣ部品モデル２０は、ＩＣチップの電流源モデル２１、オンチップキャパシタ２２、ボンディングワイヤの等価回路２３、およびパッケージの等価回路２４を備える。

【0015】

ＩＣチップの電流源モデル２１では、ＩＣチップの消費電流は、ＩＣの使用機能ごとの１サイクル当たりの消費電流Ｉｉ（ｉは使用機能ごとの番号）の総和で表される。すなわち、ＩＣチップの電流源モデル２１は、
Ｉ＝Ｉ１＋Ｉ２＋Ｉ３＋…＋Ｉｉ＋… …(1)
によって定義される。上記の各機能に対する消費電流Ｉｉの決定方法については、図５～図８を参照して後述する。

【0016】

図２は、図１のＩＣ部品モデル２０のより詳細な構成例を示す回路図である。図２では、ボンディングワイヤの等価回路２３およびパッケージの等価回路２４の具体的な構成例が示されている。

【0017】

図２を参照して、オンチップキャパシタ２２は、瞬時の電流変化を吸収するためにＩＣチップ上に形成されたキャパシタである。ＩＣ部品モデル２０では、オンチップキャパシタ２２はＩＣチップの電流源モデル２１と並列に接続される。オンチップキャパシタ２２の容量値として、たとえば過去の類似のＩＣの実績値が用いられる。

【0018】

図２の例では、ボンディングワイヤの等価回路２３は２端子対回路で表される。具体的にこの２端子対回路は、抵抗器４３，４５、インダクタ４４，４６、およびキャパシタ４７を含む。キャパシタ４７は、２端子対回路の出力端子４８，４９の間に接続される。抵抗器４３およびインダクタ４４は、２端子対回路の高電位側の入力端子４１と高電位側の出力端子４８との間に直列に接続される。抵抗器４５およびインダクタ４６は、２端子対回路の低電位側の入力端子４２と低電位側の出力端子４９との間に直列に接続される。２端子対回路の入力端子４１，４２の間にオンチップキャパシタ２２およびＩＣチップの電流源モデル２１が並列に接続される。上記の抵抗器４３，４５の抵抗値、インダクタ４４，４６のインダクタンス値、およびキャパシタ４７の容量値は、ボンディングワイヤの太さとＩＣ部品のパッケージサイズとから推定できる。

【0019】

さらに図２の例では、パッケージの等価回路２４も２端子対回路で表される。具体的にこの２端子対回路は、抵抗器５３、インダクタ５４、およびキャパシタ５５を含む。キャパシタ５５は、２端子対回路の出力端子５８，５９の間に接続される。高電位側の出力端子５８はパッケージの電源端子に対応し、低電位側の出力端子５９はパッケージのグランド（ＧＮＤ）端子に対応する。抵抗器５３およびインダクタ５４は、２端子対回路の高電位側の入力端子５１と高電位側の出力端子５８との間に直列に接続される。高電位側の入力端子５１は、ボンディングワイヤの等価回路２３を表す２端子対回路の高電位側の出力端子４８に接続される。低電位側の入力端子５２は、低電位側の出力端子５９に直結されるとともに、ボンディングワイヤの等価回路２３を表す２端子対回路の低電位側の出力端子４９に接続される。パッケージの等価回路２４として、ＩＢＩＳ（Input/Output Buffer Information Specification）モデル内に記載されている等価回路を利用してもよい。

【0020】

図１に戻って、ＩＣ部品の外部情報３０は、プリント基板配線の等価回路３１、受動部品の等価回路３２、および基板配線の電源電圧３３を含む。プリント基板のグランド配線はグランドＧＮＤに接続される。

【0021】

図１の回路モデル１０は、一般的に良く使用される電子回路シミュレータであるＳＰＩＣＥ（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）の等価回路モデルを想定した例であるが、この例に限定されない。たとえば、高周波電子回路および高周波電子部品の特性を表すために使用される回路網パラメータであるＳパラメータ（Scattering Parameters）を用いてもよい。シミュレーション方法はＳＰＩＣＥシミュレーションに限定されない。また、等価回路に限定されず、たとえばレイアウトデータを用いたシミュレーションを行っても良い。さらに、等価回路を用いる場合も、図１および図２に示した等価回路に限定されない。

【0022】

図１および図２に例示したような回路モデルを用いてシミュレーションを行うことによって、動作状態のＩＣチップ内で発生するスイッチングノイズを考慮したＩＣ部品の電源・グランド端子間の電圧Ｖｏが計算できる。

【0023】

［設計支援装置の構成］
図３は、実施の形態１に係る設計支援装置７０の構成例を示すブロック図である。図３を参照して、設計支援装置７０は、ＩＣ部品モデル生成部８０とパワーインテグリティ解析部９０とを備える。

【0024】

ＩＣ部品モデル生成部８０は、ユーザの入力情報に基づいて図１および図２に示したＩＣ部品モデル２０を生成する。ＩＣ部品モデル２０は、動作時のＩＣ部品の電源・グランド端子間の電源電圧Ｖｏに含まれるスイッチングノイズを再現するものである。ここで、ユーザの入力情報は、ＩＣ部品メーカが提供するデータシートなどに記載された情報などであり、設計者が容易に取得できるものである。ＩＣ部品モデル生成部８０のより詳細な構成については、図３～図８を参照して後述する。

【0025】

パワーインテグリティ解析部９０は、ＩＣ部品モデル生成部８０によって生成されたＩＣ部品モデル２０に基づいて、図１の回路モデル１０のシミュレーションを行うことにより、解析対象のＩＣ部品の電源・グランド端子間の電源電圧Ｖｏを計算する。図３に示すように、パワーインテグリティ解析部９０は、基板配線情報入力部９１、受動部品情報入力部９２、電源電圧入力部９３、シミュレーション実行部９４、結果出力部（時間軸）９５、および結果出力部（周波数軸）９６を備える。

【0026】

基板配線情報入力部９１は、図１のプリント基板配線の等価回路３１を生成するのに必要な回路パラメータの入力を受ける。受動部品情報入力部９２は、図１の受動部品の等価回路３２を生成するのに必要な回路パラメータの入力を受ける。電源電圧入力部９３は、図１の基板配線の電源電圧３３の値の入力を受ける。

【0027】

なお、上記の構成は、シミュレーションに用いる回路モデルに応じて適宜変更される。たとえば、レイアウトデータを用いたシミュレーションを実行する場合には、パワーインテグリティ解析部９０は、レイアウトデータの入力を受け付ける。

【0028】

シミュレーション実行部９４は、ＩＣ部品モデル生成部８０によって生成されたＩＣ部品モデル２０を含むプリント基板の回路モデル１０を用いてシミュレーションを実行することにより、ＩＣ部品の電源・グランド端子間の電源電圧Ｖｏの時間変化を計算する。電源電圧Ｖｏの時間変化データには、ＩＣチップの動作に伴うスイッチングノイズが含まれる。さらに、シミュレーション実行部９４は、計算された電源電圧Ｖｏの時間変化データをフーリエ変換することにより、電源電圧Ｖｏに含まれるスイッチングノイズのスペクトラムを計算する。

【0029】

結果出力部（時間軸）９５は、時間軸上の電源電圧波形をディスプレイに表示したり、プリンタに出力したりする。また、結果出力部（周波数軸）９６は、周波数軸上の電源電圧波形をディスプレイに表示したり、プリンタに出力したりする。

【0030】

設計支援装置７０は、たとえば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、記憶装置、入出力デバイスなどを含むコンピュータおよびそのコンピュータ上で動作するプログラムにより実現される。この場合、そのコンピュータは、例えば、サーバ、エンジニアリングワークステーションまたはパーソナルコンピュータ等であってよい。なお、設計支援装置７０の少なくとも一部は、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）などの専用のハードウェアにより実現されてもよいし、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）などのＰＬＤ（Programmable Logic Device）を利用して実現されてもよい。

【0031】

［ＩＣ部品モデル生成部の構成］
ＩＣ部品モデル生成部８０は、ユーザが選択した機能ごとに電源電流波形を決定し、決定された複数の電源電流波形の重ね合わせにより、図１のＩＣチップの電流源モデル２１の電源電流波形を決定する。さらに、ＩＣ部品モデル生成部８０は、ユーザにより入力されたパッケージ内部の情報に基づいて最終的なＩＣ部品モデル２０を生成する。

【0032】

具体的には図３に示すように、ＩＣ部品モデル生成部８０は、構造情報入力部８１、動作パラメータ入力部８２と、使用機能選択部８３、電流波形計算部８４、およびモデル生成部８５を備える。以下、これらの構成要素の詳細について説明する。

【0033】

図４は、図３の構造情報入力部８１のより詳細な構成例を示すブロック図である。構造情報入力部８１は、ＩＣチップからＩＣパッケージの電源端子およびグランド端子に至るまでのＩＣ部品の電源配線構造に関する構造情報、すなわち、ＩＣ部品モデル２０の電流源モデル２１以外の部分に関する情報の入力を受ける。構造情報入力部８１は、入力された情報を設計支援装置７０の内部の記憶装置または設計支援装置７０外部のサーバなどの記憶装置に格納する。図４に示すように、構造情報入力部８１は、オンチップキャパシタの容量入力部１０１、ボンディングワイヤの等価回路入力部１０２、パッケージの等価回路入力部１０３、および端子情報入力部１０４を備える。

【0034】

オンチップキャパシタの容量入力部１０１は、図１および図２のオンチップキャパシタ２２の容量値の入力を受ける。

【0035】

ボンディングワイヤの等価回路入力部１０２は、図１および図２のボンディングワイヤの等価回路２３の回路パラメータの入力を受ける。図２の等価回路の場合には、等価回路入力部１０２は、抵抗器４３，４５の抵抗値、インダクタ４４，４６のインダクタンス値、およびキャパシタ４７の容量値の入力を受ける。

【0036】

パッケージの等価回路入力部１０３は、図１および図２のパッケージの等価回路２４の回路パラメータの入力を受ける。図２の等価回路の場合には、等価回路入力部１０３は、抵抗器５３の抵抗値、インダクタ５４のインダクタンス値、およびキャパシタ５５の容量値の入力を受ける。

【0037】

端子情報入力部１０４は、ＩＣ部品の電源端子およびグランド端子の種類などの情報の入力を受ける。構造情報入力部８１は、これらの入力情報に基づいて、図２のＩＣ部品モデル２０のＩＣチップの電流源モデル２１以外の部分の等価回路を生成する。

【0038】

図５は、図３の動作パラメータ入力部８２のより詳細な構成例を示すブロック図である。動作パラメータ入力部８２は、ＩＣによって実行される複数の機能の各々に対して、動作パラメータの入力を受ける。動作パラメータは、動作周波数または動作タイミングの情報と平均消費電流の情報とを含む。これらの情報は、ＩＣ部品メーカが提供するデータシートなどに記載された情報であり、設計者が容易に取得できるものである。

【0039】

図５に示すように、動作パラメータ入力部８２は、内部クロックで動作する各機能の動作パラメータ入力部１１０と、内部クロックを参照するＧＰＩＯ（General-Purpose Input/Output）／通信回路のパラメータ入力部１２０とを備える。

【0040】

各機能の動作パラメータ入力部１１０は、各機能の動作周波数算出部１１１、各機能の消費電流入力部１１５、および各機能のチャネル数入力部１１６を備える。さらに、各機能の動作周波数算出部１１１は、メインクロックの周波数入力部１１２、メインクロックの分周率入力部１１３、およびＰＬＬ（Phase Locked Loop）回路の周波数逓倍率入力部１１４を含む。

【0041】

ＧＰＩＯ／通信回路のパラメータ入力部１２０は、ＧＰＩＯの動作タイミング入力部１２１、ＧＰＩＯの消費電流入力部１２２、通信回路の動作周波数入力部１２３、および通信回路の消費電流入力部１２４を備える。以下、図５のこれらの機能について説明する。

【0042】

メインクロックの周波数入力部１１２はＩＣチップのメインクロックの周波数の入力を受ける。メインクロックの分周率入力部１１３は機能ごとに分周率の入力を受け、ＰＬＬ回路の周波数逓倍率入力部１１４は機能ごとに逓倍率の入力を受ける。動作周波数算出部１１１は、メインクロックの周波数に機能ごとの分周率または逓倍率を乗算することにより、機能ごとの動作周波数を計算する。なお、各機能の動作パラメータ入力部１１０は、各機能の動作周波数算出部１１１に代えて機能ごとの動作周波数の入力を直接受けるようにしてもよい。

【0043】

各機能の消費電流入力部１１５はＩＣチップの各機能の単一チャネルごとの消費電流値の入力を受ける。各機能のチャネル数入力部１１６は、ＩＣチップの機能ごとのチャネル数（すなわち、当該機能を何チャネル有しているか）の入力を受ける。各機能の動作パラメータ入力部１１０は、各機能のチャネルごとの消費電流値に当該機能のチャネル数を乗算することにより、各機能の消費電流値を計算する。なお、各機能の動作パラメータ入力部１１０は、各機能の全チャネル数の消費電流値の入力を受けるようにしてもよい。もしくは、各機能の動作パラメータ入力部１１０は、ＩＣチップの総消費電流の入力を受け、入力された総消費電流を使用機能および各機能のチャネル数で分配することにより、各機能の消費電流を計算してもよい。

【0044】

マイコンなどのＧＰＩＯを有するＩＣチップの場合、ＧＰＩＯの動作タイミング入力部１２１は、実際に使用する機能ごとの動作タイミング（たとえば、Ａ／Ｄ変換器の場合、サンプリング時間、変換周期など）の入力を受ける。ＧＰＩＯの消費電流入力部１２２は、実際に使用する機能ごとの消費電流値の入力を受ける。これらの入力値は、メーカが提供するＩＣ部品のデータシートから読み取ることができる。

【0045】

同様に通信回路を有するＩＣチップの場合、通信回路の動作周波数入力部１２３は、通信回路の機能ごとの動作周波数の入力を受ける。通信回路の消費電流入力部１２４は、通信回路の機能ごとの消費電流値の入力を受ける。なお、動作周波数ではなく、動作タイミングで規定される通信回路の場合には、ＧＰＩＯ／通信回路のパラメータ入力部１２０は、ＧＰＩＯの場合と同様に通信回路の動作タイミングの入力を受けてもよい。

【0046】

図６は、各機能のパラメータの入力画面の一例を示す図である。図６の入力画面１３０は、動作パラメータ入力部８２の各機能の動作パラメータ入力部１１０および使用機能選択部８３がユーザから入力を受ける場合の入力画面の一例を示す。ＩＣチップとしてマイコンを例にしている。

【0047】

図６を参照して、入力画面１３０は、ＩＣの機能名の入力部分１３２、各機能の使用の有無の入力部分１３１、各機能の動作周波数の入力部分１３３、各機能の使用するチャネル数の入力部分１３４、および各機能のチャネルごとの消費電流値の入力部分１３５を含む。

【0048】

各機能の使用の有無の入力部分１３１は、図３の使用機能選択部８３に対応する。各機能の動作周波数の入力部分１３３は、図５の各機能の動作パラメータ入力部１１０の動作周波数算出部１１１に対応する。各機能の使用するチャネル数の入力部分１３４は、図５の各機能の動作パラメータ入力部１１０のチャネル数入力部１１６に対応する。各機能のチャネルごとの消費電流値の入力部分１３５は、図５の各機能の動作パラメータ入力部１１０の消費電流入力部１１５に対応する。図５では、各機能の動作周波数を直接入力する例が示されているが、メインクロックの周波数、分周率、および周波数逓倍率の入力を受けて動作周波数算出部１１１が各機能の動作周波数を算出するようにしてもよい。

【0049】

図７は、ＧＰＩＯのパラメータの入力画面の一例および通信回路のパラメータの入力画面の一例を示す図である。図７の入力側面は、図５の動作パラメータ入力部８２のＧＰＩＯ／通信回路のパラメータ入力部１２０がユーザから入力を受ける場合の入力画面の一例を示す。ＩＣチップとしてマイコンを例にしている。

【0050】

図７（Ａ）を参照して、ＧＰＩＯのパラメータの入力画面１４０は、ＧＰＩＯの機能名の表示部分１４１、ＧＰＩＯの各機能の端子ごとの端子名の入力部分１４２、ＧＰＩＯの各機能の端子ごとの動作タイミングとしてサンプリング時間および変換周期などの入力部分１４３、ならびにＧＰＩＯの各機能の端子ごとの消費電流値の入力部分１４４を含む。

【0051】

ＧＰＩＯの機能名の表示部分１４１は、図６のＩＣチップの機能名の入力部分１３２で入力された機能名に対応している。端子名の入力部分１４０の行数は、機能ごとに図６のチャネル数の入力値に等しい数だけ用意される。各機能の端子ごとの動作タイミングの入力部分１４３は、図５の動作パラメータ入力部８２のＧＰＩＯ／通信回路のパラメータ入力部１２０のＧＰＩＯの動作タイミング入力部１２１に対応する。ＧＰＩＯの各機能の端子ごとの消費電流値の入力部分１４４は、ＧＰＩＯ／通信回路のパラメータ入力部１２０のＧＰＩＯの消費電流入力部１２２に対応する。図６の各機能の使用の有無の入力部分１３１で、「使用する」と入力された機能については、これらのパラメータを入力する必要がある。

【0052】

各機能の端子ごとの動作タイミングの入力部分１４３での入力値は、図７に示したサンプリング時間および変換周期に限定されるものでなく、図８を参照して説明するＩＣチップの電流源モデル２１の電流波形を決定するのに必要なものであればよい。また、動作タイミングでなく動作周波数で規定されるＧＰＩＯの機能がある場合には、動作タイミングの入力部分１４３に代えて、図７（Ｂ）と同様に動作周波数の入力部分が図７（Ａ）の入力画面１４０に設けられる。

【0053】

図７（Ｂ）を参照して、通信回路のパラメータの入力画面１５０は、通信回路の機能名の表示部分１５１、通信回路の各機能の端子ごとの端子名の入力部分１５２、通信回路の各機能の端子ごとの動作周波数の入力部分１５３、および通信回路の各機能の端子ごとの消費電流値の入力部分１５４を含む。

【0054】

通信回路の機能名の表示部分１５１は、図６のＩＣチップの機能名の入力部分１３２で入力された機能名に対応している。端子名の入力部分１５２の行数は、機能ごとに図６のチャネル数の入力値に等しい数だけ用意される。通信回路の各機能の端子ごとの動作周波数の入力部分１５３は、図５の動作パラメータ入力部８２のＧＰＩＯ／通信回路のパラメータ入力部１２０の通信回路の動作周波数入力部１２３に対応する。通信回路の各機能の端子ごとの消費電流値の入力部分１５４は、ＧＰＩＯ／通信回路のパラメータ入力部１２０の通信回路の消費電流入力部１２４に対応する。図６の各機能の使用の有無の入力部分１３１で、「使用する」と入力された機能については、これらのパラメータを入力する必要がある。

【0055】

図８は、ＩＣチップの一機能の電流波形を概念的に示すタイミング図である。図８の電流波形は、動作パラメータ入力部８２および使用機能選択部８３での入力情報に基づいて、図３の電流波形計算部８４によって計算される。

【0056】

図８を参照して、当該機能の動作周波数Ｘ［Ｈｚ］のクロックの立ち上がり時の時刻ｔ１から時刻ｔ２の間と立ち下がり時の時刻ｔ３から時刻ｔ４の間に、三角波形状のパルス電流が流れる。動作周波数Ｘ［Ｈｚ］は、図５の各機能の動作パラメータ入力部１１０の動作周波数算出部１１１で算出される動作周波数、ＧＰＩＯ／通信回路のパラメータ入力部１２０のＧＰＩＯの動作タイミング入力部１２１で入力された動作タイミングに基づく動作周波数、および通信回路の動作周波数入力部１２３で入力された周波数に対応している。

【0057】

図８の場合、クロックの立ち上がり時のパルス電流のピーク値は５Ｚ［Ａ］であり、クロックの立ち下がり時のパルス電流のピーク値はＺ［Ａ］である。経験的に立ち上がり時のピーク電流値は相対的に大きくなり、立ち下がり時のピーク電流値は相対的に小さくなることがわかっている。図８では、立ち上がりのピーク電流値と立ち下がり時のピーク電流値の比を５：１としているが、５：１に限定されない。

【0058】

各パルス電流が流れる時間は、経験的に当該機能の動作周期１／Ｘ［秒］の１／２０、すなわち、１／（２０Ｘ）［秒］とする。ただし、各パルス電流が流れる時間は、動作周期の１／２０に限定されない。

【0059】

立ち上がり時および立ち下がり時のパルス電流の電流波形を時間積分することにより、立ち上がり時および立ち下がり時に流れる電荷量［Ｃ］（電気量とも称する）を計算できる。具体的には、三角形の面積を計算することにより、
（立ち上がり時の電荷量）＝５×Ｚ／（２０Ｘ）×０．５ …(2)
（立ち下がり時の電荷量）＝Ｚ／（２０Ｘ）×０．５ …(3)
が得られる。したがって、１周期あたりに流れる電荷量は、上式（２）および（３）を加算することにより、
（１周期あたりの電荷量）＝３Ｚ／（２０Ｘ） …(4)
と求められる。

【0060】

一方、平均消費電流Ｙ［Ａ］は、図５の各機能の動作パラメータ入力部１１０の消費電流入力部１１５およびＧＰＩＯ／通信回路のパラメータ入力部１２０の消費電流入力部１２２，１２４で入力された値に対応している。これらの値は、ＩＣ部品のデータシートなどから容易に得られる。

【0061】

平均消費電流Ｙ［Ａ］を用いると、１周期：１／Ｘ［秒］あたりに流れる電荷量は、四角形の面積を計算することにより、
（１周期あたりの電荷量）＝Ｙ／Ｘ …(5)
と求められる。式（４）と式（５）は等しいので、
Ｚ＝２０Ｙ／３ …(6)
の関係が得られる。

【0062】

上式（６）から立ち上がり時のピーク電流値５Ｚ［Ａ］および立ち下がり時のピーク電流値Ｚ［Ａ］を計算できる。これにより、図１および図２のＩＣチップの電流源モデル２１から出力される各機能の電流波形を決定できる。

【0063】

上記では、各機能の動作周波数に基づいて電流波形を計算する例を示したが、図７に示すような動作タイミングに基づいて電流波形を計算してもよい。たとえば、クロックの波形に代えて、デジタル入出力回路のオン／オフ波形および通信回路のオン／オフ波形を用いることができる。したがって、より一般的に言えば、電流波形計算部８４は、ＩＣの機能ごとの動作周波数または動作タイミングに基づいて、ＩＣの機能ごとに電流パルスが周期的に生成されるタイミングを決定する。電流波形計算部８４は、ＩＣの機能ごとの平均消費電流にさらに基づいて上記の電流パルスのピーク値を決定する。

【0064】

［まとめ：設計支援装置の動作の概要］
図９は、図３の設計支援装置７０の動作を示すフローチャートである。以下、図９を参照して、これまでの説明を総括する。

【0065】

ステップＳ１００で、ＩＣ部品モデル生成部８０の構造情報入力部８１は、ＩＣ部品の構造情報の入力を受ける。具体的には、構造情報入力部８１は、図２のオンチップキャパシタ２２の容量値、ボンディングワイヤの等価回路２３の各パラメータ値、およびパッケージの等価回路２４の各パラメータ値の入力を受ける。

【0066】

次のステップＳ１１０で、動作パラメータ入力部８２は、ＩＣの使用条件に応じた動作パラメータの入力を受ける。たとえば、動作パラメータ入力部８２は、図７および図８の入力画面１３０，１４０，１５０を介してユーザから動作パラメータの入力を受ける。

【0067】

その次のステップＳ１２０で、使用機能選択部８３は、ＩＣチップの各機能のうちで使用する機能の選択入力を受ける。

【0068】

その次のステップＳ１３０で、電流波形計算部８４は、ステップＳ１１０およびステップＳ１２０で入力された動作パラメータおよび機能選択に基づいて、機能ごとの電流波形のピーク値を計算する。これにより、ＩＣ部品モデル２０内のＩＣチップの電流源モデル２１の出力電流波形が決定される。

【0069】

その次のステップＳ１４０で、モデル生成部８５は、ステップＳ１００の構造情報の入力に基づいて決定された等価回路と、ステップＳ１３０で決定されたＩＣチップの電流源モデル２１とを組み合わせることにより、ＩＣ部品モデル２０を生成する。

【0070】

その次のステップＳ１５０で、基板配線情報入力部９１は基板配線情報の入力を受け、受動部品情報入力部９２は受動部品情報の入力を受け、電源電圧入力部９３は電源電圧値の入力を受ける。

【0071】

その次のステップＳ１６０で、シミュレーション実行部９４は、ステップＳ１５０で入力されたＩＣ部品の外部情報３０とステップＳ１４０で生成されたＩＣ部品モデル２０と用いて、図１に示すプリント基板の回路モデル１０を生成する。シミュレーション実行部９４は、この回路モデル１０を用いてシミュレーションを実行することにより、ＩＣ部品の電源・グランド端子間の電圧Ｖｏを計算する。さらに、シミュレーション実行部９４は、端子間電圧Ｖｏをフーリエ変換することにより、電源・グランド端子間電圧の周波数スペクトラムを計算する。

【0072】

その次のステップＳ１８０で、結果出力部（時間軸）９５は、ＩＣ部品の電源・グランド端子間電圧Ｖｏの時間軸波形をディスプレイに表示する。

【0073】

その次のステップＳ１９０で、結果出力部（周波数軸）９６は、ＩＣ部品の電源・グランド端子間電圧Ｖｏの周波数スペクトラムをディスプレイ表示する。以上により、一連の処理が終了する。

【0074】

図９に示すフローチャートの各ステップの順序は一例であってこれに限らない。たとえば、ステップＳ１００はステップＳ１４０よりも前であればどのタイミングで実行されてもよい。ステップＳ１５０はステップＳ１６０よりも前であればどのタイミングで実行されてもよい。

【0075】

また、ステップＳ１００，Ｓ１１０、Ｓ１５０におけるパラメータ等の入力は、必ずしも設計支援装置７０にユーザが直接入力する必要はない。たとえば、外部のサーバまたはディスクアレイに予め記憶されたデータを、ネットワークを介して設計支援装置７０が取り込むようにしてもよい。もしくは、設計支援装置７０の記憶装置に予め記憶されたデータを、ＣＰＵが読み出してもよい。

【0076】

［実施の形態１の効果］
上記のように実施の形態１の設計支援装置７０によれば、ＩＣ部品の動作特性の詳細な情報およびＩＣチップ消費電流波形の実測値などがいずれも得られない場合であっても、ＩＣ部品メーカが提供するデータシートなどの簡単に入手可能な情報を用いてＩＣの消費電流波形を決定できる。これにより、ＩＣが発生するスイッチングノイズの影響を考慮した電源電圧波形を計算できるので、パワーインテグリティの設計が容易になる。

【0077】

実施の形態２．
図１０は、実施の形態２の設計支援装置７０Ａの構成例を示すブロック図である。図１０の設計支援装置７０Ａのパワーインテグリティ解析部９０Ａは、ＩＣ部品の電源・グランド端子間電圧Ｖｏの許容電圧範囲を入力するための入力部９７をさらに備える点で、図３の設計支援装置７０のパワーインテグリティ解析部９０と異なる。図１０のその他の点は図３の場合と同様であるので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰り返さない。

【0078】

図１１は、図１０の設計支援装置７０Ａの動作を示すフローチャートである。図１１のフローチャートは、ステップＳ１５０とステップＳ１６０の間にステップＳ１５５が追加され、ステップＳ１８０とステップＳ１９０の間にステップＳ１８５が追加されている点で、図９のフローチャートと異なる。

【0079】

具体的にステップＳ１５５で、図１０の許容電圧範囲の入力部９７は、ＩＣ部品の電源・グランド端子間電圧Ｖｏの許容範囲の入力を受ける。許容範囲は、ＩＣ部品メーカが提供するデータシートなどに記載された許容電圧値に基づいて決定される。

【0080】

ステップＳ１８５においてパワーインテグリティ解析部９０Ａは、シミュレーション実行部９４によって計算された電源・グランド端子間電圧Ｖｏが許容範囲内であるか否かを判定する。結果出力部（時間軸）９５は、判定結果を表示する。図１１のその他のステップは図９の場合と同様であるので、同一または相当するステップには同一の参照符号を付して説明を繰り返さない。

【0081】

実施の形態２の設計支援装置７０Ａによれば、実施の形態１の設計支援装置７０の効果に加えて、パワーインテグリティの評価を容易にできるという利点がある。

【0082】

実施の形態３．
実施の形態３の設計支援装置は、実施の形態１の設計支援装置７０の変形例であり、図３のパワーインテグリティ解析部９０が既存ツールで構成される点で実施の形態１の場合と異なる。既存ツールとして、回路シミュレータ、ＣＡＥ（Computer Aided Engineering）、コンピュータ言語で作成された市販プログラムなどが挙げられる。ＩＣ部品モデル生成部８０は、既存ツールとしてのパワーインテグリティ解析部９０から独立したユニットとしてもよい。この場合、ＩＣ部品モデル生成部８０によって設計支援装置が構成される。

【0083】

図１２は、実施の形態３の設計支援装置の動作を示すフローチャートである。図１２のフローチャートは、ステップＳ１４０とステップＳ１５０の間にステップＳ１４５をさらに備える点で図９のフローチャートと異なる。

【0084】

具体的にステップＳ１４５で、ＩＣ部品モデル生成部８０のモデル生成部８５は、既存ツールが読み込める形式でＩＣ部品モデル２０を出力する。既存ツールが読み込める形式として、たとえば、電子回路シミュレータＳＰＩＣＥ用の形式などが挙げられる。既存ツールとしてのシミュレータは、モデル生成部８５からＩＣ部品モデル２０を読み込む。以降のステップＳ１５０からＳ１９０は、既存ツールとしてのシミュレータによって実行される。

【0085】

図１２のフローチャートのその他の点は図９の場合と同様であるので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰り返さない。なお、実施の形態３は、実施の形態２と組み合わせることができる。

【0086】

実施の形態３の設計支援装置によれば、実施の形態１の設計支援装置７０の効果に加えて、既存ツールを活用することによりパワーインテグリティ設計用の設計支援装置を早期に構築できるという利点がある。また、たとえば既存ツールがＣＡＥであれば、プリント基板上の電磁界分布、およびプリント基板からの距離に応じた電磁界強度など、種々の結果を表示できる。

【0087】

＜実施の形態１～３の設計支援装置のハードウェア構成例＞
図１３は、実施の形態１～３の設計支援装置のハードウェア構成の一例を示すブロック図である。以下、図１３を参照して、コンピュータを用いて設計支援装置を構成した例について補足する。

【0088】

図１３を参照して、設計支援装置７０，７０Ａは、ＣＰＵ１６０と、ＲＡＭ（Random Access Memory）１６１と、ＲＯＭ（Read Only Memory）１６２と、補助記憶装置１６３と、入力装置１６４と、出力装置１６５と、通信装置１６６と、リムーバルドライブ用のリーダ・ライタ１６７と、これらの要素を接続するバス１６８とを備える。

【0089】

ＣＰＵ１６０は、設計支援プログラムを実行することにより、設計支援装置７０，７０Ａとしての機能を実現する。ＲＡＭ１６１およびＲＯＭ１６２は、ＣＰＵ１６０のワークメモリとして用いられる。設計支援プログラムは、ハードディスクドライブまたはソリッドステートドライブなどの補助記憶装置１６３に予め格納されていてもよいし、通信装置１６６を介して外部からＲＡＭ１６１にダウンロードされてもよいし、リーダ・ライタ１６７を介してリムーバルドライブから読み込まれてもよい。入力装置１６４は、キーボード、マウス、タッチパネルなどであり、ユーザから入力を受け付ける。出力装置１６５は、ディスプレイおよびプリンタなどを含む。

【0090】

なお、設計支援装置７０，７０Ａの機能の少なくとも一部を、ＡＳＩＣなどの専用のハードウェアにより実現してもよいし、ＦＰＧＡなどのＰＬＤを利用して実現してもよい。

【0091】

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものでないと考えられるべきである。この出願の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

【符号の説明】

【0092】

１０ 回路モデル、２０ ＩＣ部品モデル、２１ 電流源モデル、２２ オンチップキャパシタ、２３ ボンディングワイヤの等価回路、２４ パッケージの等価回路、３０ ＩＣ部品の外部情報、３１ プリント基板配線の等価回路、３２ 受動部品の等価回路、３３ 基板配線の電源電圧、７０，７０Ａ 設計支援装置、８０ ＩＣ部品モデル生成部、８１ 構造情報入力部、８２ 動作パラメータ入力部、８３ 使用機能選択部、８４ 電流波形計算部、８５ モデル生成部、９０，９０Ａ パワーインテグリティ解析部、９１ 基板配線情報入力部、９２ 受動部品情報入力部、９３ 電源電圧入力部、９４ シミュレーション実行部、９７ 許容電圧範囲の入力部、１０１ オンチップキャパシタの容量入力部、１０２ ボンディングワイヤの等価回路入力部、１０３ パッケージの等価回路入力部、１０４ ＩＣ部品の端子情報入力部、１１０ 各機能の動作パラメータ入力部、１１１ 各機能の動作周波数算出部、１１２ メインクロックの周波数入力部、１１３ メインクロックの分周率入力部、１１４ ＰＬＬ回路の周波数逓倍率入力部、１１５ 各機能の消費電流入力部、１１６ チャネル数入力部、１２０ ＧＰＩＯ／通信回路のパラメータ入力部、１２１ ＧＰＩＯの動作タイミング入力部、１２２ ＧＰＩＯの消費電流入力部、１２３ 通信回路の動作周波数入力部、１２４ 通信回路の消費電流入力部、１３０，１４０，１５０ 入力画面、１６０ ＣＰＵ、１６１ ＲＡＭ、１６２ ＲＯＭ、１６３ 補助記憶装置、１６４ 入力装置、１６５ 出力装置、１６６ 通信装置、１６７ リーダ・ライタ、１６８ バス、ＧＮＤ グランド、Ｖｏ 電源・グランド端子間電圧、Ｘ 動作周波数、Ｙ 平均消費電流、５Ｚ，Ｚ ピーク電流値。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】