JP2009273068A - Low-impedance-loss line - Google Patents
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Abstract
【課題】1[GHz]を超える帯域まで非常に低いインピーダンス値と非常に小さい透過係数値を有する、コンデンサでは実現出来ない、理想電源の機能を実現する。
【解決手段】
低インピーダンス損失線路は、対向して配置される誘電体酸化被膜16.18を有する弁作用金属から成る陽極箔15および陰極箔19と、陽極箔15と陰極箔19との間に前記セパレータを介して含浸されて形成されるモノマー又はモノマー溶液を酸化剤で重合してなる導電性ポリマーからなる固体電解質層17とによって、平行板線路として形成され、1[GHz]を超える帯域まで、非常に低いインピーダンス値と非常に小さい透過係数値を有する。
【選択図】 図4An ideal power supply function that has a very low impedance value and a very small transmission coefficient value up to a band exceeding 1 [GHz], which cannot be realized by a capacitor, is realized.
[Solution]
The low impedance loss line has anode foil 15 and cathode foil 19 made of a valve metal having dielectric oxide films 16.18 disposed opposite to each other, and the separator is interposed between anode foil 15 and cathode foil 19. It is formed as a parallel plate line by a solid electrolyte layer 17 made of a conductive polymer obtained by polymerizing a monomer or monomer solution impregnated with an oxidizing agent, and is very low up to a band exceeding 1 [GHz]. It has an impedance value and a very small transmission coefficient value.
[Selection] Figure 4
Description
本発明は、回路または回路部品に関し、特に、高速スイッチング素子を使用する、情報技術装置やディジタルデータ通信機器の直流電源分配回路、並びに高周波DC−DCコンバータ等の電力変換器に使用し、小型軽量化が可能で、変換効率、信号品位(シグナルインテグリティ)、および電磁環境適合性(EMC)を向上させることが出来る低インピーダンス損失線路に関する。 The present invention relates to a circuit or a circuit component, and in particular, is used for a power converter such as a high-frequency DC-DC converter and a DC power distribution circuit of an information technology apparatus and a digital data communication device using a high-speed switching element. The present invention relates to a low-impedance loss line that can be converted and can improve conversion efficiency, signal quality (signal integrity), and electromagnetic compatibility (EMC).
近年、情報技術装置やマルチメディア機器のさらなる高性能化、高機能化のために、トランジスタの高速化が進んでいる。情報技術装置やマルチメディア機器、並びに電力変換器には、また、省エネルギー化や小型軽量化の要求も強い。 In recent years, transistors have been increased in speed in order to achieve higher performance and higher functionality of information technology devices and multimedia devices. Information technology devices, multimedia devices, and power converters are also strongly demanded to save energy and reduce size and weight.
しかし、高速スイッチング素子を使用する回路や機器においては、高いレベルの電磁ノイズが発生するという問題があり、コンデンサ等の従来の部品を使用する回路設計技術では、EMC対策部品やシールド材を使用してもシグナルインテグリティやEMCの向上が困難で、省エネルギー化や小型軽量化への要求に応えることも難しかった。 However, there is a problem that high-level electromagnetic noise is generated in circuits and devices that use high-speed switching elements. In circuit design technology that uses conventional components such as capacitors, EMC countermeasure components and shielding materials are used. However, it was difficult to improve signal integrity and EMC, and it was difficult to meet the demands for energy saving and miniaturization.
回路設計技術の理論を支配するのは物理学であり、より直接的には電磁気学である。電磁気学によると、回路の状態には活性状態(exited states)、定常状態(stationary states)および、実用上は定常状態と見なせる準定常状態(quasi
stationary states)が存在する。活性状態とは、回路上の電界と磁界が変化または振動している状態であり交流回路はその一例である。振動する電界と磁界は電磁波となって絶縁体中を進行する。該絶縁体が真空空間の場合は、電磁波は光速で進行する。
It is physics that dominates the theory of circuit design technology, and more directly, electromagnetism. According to electromagnetism, circuit states can be considered as active states (exited states), steady states (stationary states), and quasi-steady states (quasi-stationary states that can be regarded as steady states in practice)
There are stationary states. The active state is a state in which the electric field and magnetic field on the circuit are changing or oscillating, and an AC circuit is one example. The oscillating electric and magnetic fields travel as electromagnetic waves in the insulator. When the insulator is a vacuum space, the electromagnetic wave travels at the speed of light.
定常状態とは、回路上の電界と磁界が静止している状態であり直流回路はその一例である。準定常状態とは、電界と磁界が電磁波となって回路上を進行するが、電磁波の波長が回路長に対して非常に長く回路内での電磁波の挙動が強弱振動だけと見なしても実用上不都合が生じない状態である。低周波アナログ回路や、およそ1[ns]以上の立ち上がり時間を有するスイッチング素子を10[cm]以上の配線を有する回路で使用する場合は、準定常状態と見なすことが出来る一例である。 The steady state is a state where the electric field and magnetic field on the circuit are stationary, and a DC circuit is an example. The quasi-steady state means that an electric field and a magnetic field travel on the circuit as an electromagnetic wave, but the wavelength of the electromagnetic wave is very long compared to the circuit length, and even if the behavior of the electromagnetic wave in the circuit is regarded as only strong and weak vibration, it is practical. This is a state where no inconvenience occurs. When a low-frequency analog circuit or a switching element having a rise time of about 1 [ns] or more is used in a circuit having a wiring of 10 [cm] or more, this is an example that can be regarded as a quasi-stationary state.
電磁気学によると、活性状態にある回路の電流はアンペールの法則として定義され次式で示される。 According to electromagnetics, the current in a circuit in an active state is defined as Ampere's law and is given by
電磁気学によると、電位Vは、電界の及ばない無限遠から導線の一点までの電界の積分値と定義されるが実用的にはグランド面から導線の一点までの電界の積分値として、また、電界Eは電位Vの傾きとしてそれぞれ次式から求められる。 According to electromagnetism, the electric potential V is defined as an integral value of an electric field from an infinite point where the electric field does not reach to one point of the conductor, but practically as an integral value of the electric field from the ground plane to one point of the conductor, E is obtained from the following equation as the slope of the potential V.
マックスウエルは、磁界に関する理論と電界に関する理論を融合したマックスウエルの方程式を1873年に発表し、続いてこの式をダランベールの波動方程式の形式に変形し、ベクトル波動方程式を導出した。マックスウエルは、1862年頃から主張していた、電磁波と光はともに光速で伝搬することをこの式を用いて理論的に証明し、線形電磁波理論(以下電磁波理論)を完成させ、これにより電磁気学が完成した。ヘルツは、1887年に、実験によって電磁波の存在を実証し、マックスウエルの電磁波理論の正しさを証明した。 Maxwell published Maxwell's equation, which merged the theory of magnetic fields and the theory of electric fields, in 1873, and then transformed this equation into the form of D'Alembert's wave equation to derive the vector wave equation. Maxwell, who had been insisting since 1862, theoretically proved that both electromagnetic waves and light propagate at the speed of light using this equation, and completed linear electromagnetic wave theory (hereinafter referred to as electromagnetic wave theory). Was completed. In 1887, Hertz demonstrated the existence of electromagnetic waves by experiment and proved the correctness of Maxwell's electromagnetic wave theory.
電磁気学によると、時間的に変化する電界と磁界は相互に作用しつつ横波となって空間または誘電体中を伝搬する。真空中を伝搬する電磁波の速度は光速である。伝搬する電磁波はポインチングベクトル理論に従って電力を伝搬する。空間を伝搬する電磁波は、周期および極性が一致し振幅ベクトルが進行方向に対して直交する電界波と磁界波とから構成される。この状態の電磁波はTEM(transverse electromagnetic)波と呼ばれる。TEM波を構成する電界波の振幅を磁界波の振幅で割った値は波動インピーダンス(surge
impedanceまたはwave impedance)と呼ばれる。
According to electromagnetism, an electric field and a magnetic field that change with time interact with each other and propagate in a space or a dielectric as a transverse wave. The speed of the electromagnetic wave propagating in the vacuum is the speed of light. The propagating electromagnetic wave propagates power according to the pointing vector theory. An electromagnetic wave propagating in space is composed of an electric field wave and a magnetic field wave whose period and polarity coincide and whose amplitude vector is orthogonal to the traveling direction. The electromagnetic wave in this state is called a TEM (transverse electromagnetic) wave. The value obtained by dividing the amplitude of the electric field wave constituting the TEM wave by the amplitude of the magnetic field wave is the wave impedance (surge
impedance or wave impedance).
電磁気学によると、電磁波は空間だけでなく媒体中も進行する。損失のない誘電体中を進行する電磁波の速度は、光速に対して比誘電率の平方根だけ遅くなり、波長は比誘電率の平方根だけ短くなる。後者は、波長圧縮と呼ばれる。 According to electromagnetism, electromagnetic waves travel not only in space but also in media. The speed of the electromagnetic wave traveling through the lossless dielectric is slowed by the square root of the relative permittivity with respect to the speed of light, and the wavelength is shortened by the square root of the relative permittivity. The latter is called wavelength compression.
電磁気学によると、損失のある媒体中を進行する電磁波は、次式で示される減衰定数γに従い、進行に伴って振幅が減少し位相が変化する。γの実数項であるαは減衰定数、γの虚数項であるβは位相定数と呼ばれる。αは、nep/m(ネパー/メートル)の単位で表される。1 [nep/m]は、1メートル進行して振幅がexp-1または0.368倍に減衰することを意味する。 According to electromagnetism, an electromagnetic wave traveling in a lossy medium follows an attenuation constant γ expressed by the following equation, and the amplitude decreases and the phase changes with progress. α which is a real term of γ is called an attenuation constant, and β which is an imaginary term of γ is called a phase constant. α is expressed in units of nep / m (neper / meter). 1 [nep / m] means that the amplitude decreases by exp- 1 or 0.368 times after proceeding 1 meter.
電磁気学によると、式(3)中のγ 2を変形して得られる次式の括弧の項は、損失のある誘電体に関する複素誘電率と定義され、虚数部(σ/ε0ω)を実数部(εr)で割った値を誘電体損失の正接と呼び、tanδで表す。但し、tanδは、電磁気学上、深い意味を持たない。 According to electromagnetics, the term in parentheses in the following equation obtained by transforming γ 2 in equation (3) is defined as the complex permittivity for a lossy dielectric, and the imaginary part (σ / ε 0 ω) is defined as The value divided by the real part (ε r ) is called the dielectric loss tangent and is represented by tan δ. However, tan δ has no deep meaning in electromagnetics.
電磁波が導体中を進行する場合は、導体中では電磁波に作用する電荷は存在せず導電率σは ωεに比べて非常に大きいので、γは次式で表される。次式中における減衰定数α の逆数であるδは、表皮厚さと呼ばれる。 When the electromagnetic wave travels in the conductor, there is no electric charge acting on the electromagnetic wave in the conductor, and the conductivity σ is much larger than ωε, so γ is expressed by the following equation. Δ, which is the reciprocal of the attenuation constant α in the following equation, is called the skin thickness.
電磁気学によると、導体中を進行する電磁波の電界と磁界の比である固有インピーダンスZ0は、損失のある媒体中の固有インピーダンスにおいて導電率σがωεに比べて非常に大きいとして、次式で与えられる。 According to electromagnetics, the intrinsic impedance Z 0, which is the ratio of the electric field to the magnetic field of the electromagnetic wave traveling in the conductor, is assumed to be very large compared to ωε in the intrinsic impedance in a lossy medium. Given.
回路上の電界と磁界が変化または振動している活性状態または準定常状態においては電磁波理論が回路を支配し、この場合は導体中を電磁波が進むことは困難である。しかし回路上の電界と磁界が静止している定常状態においては導体中を電流が比較的容易に移動することが出来る。 In an active state or quasi-stationary state where the electric and magnetic fields on the circuit are changing or oscillating, the electromagnetic wave theory dominates the circuit, and in this case, it is difficult for the electromagnetic wave to travel through the conductor. However, in a steady state where the electric and magnetic fields on the circuit are stationary, the current can move relatively easily through the conductor.
物理学によると、導体中には無尽蔵に近い自由電子すなわち電荷が存在する。しかし、導体中の総電荷量は物性に依存して決まり定常的にはその値は一定である。直流電源に静的負荷が接続されている場合は導体中の電荷の移動による電流が流れるが、一般に、電荷の移動軸にはわずかな電界しか印加出来ないので電荷の平均移動速度は極めて遅い。 According to physics, there are almost inexhaustible free electrons or charges in the conductor. However, the total charge amount in the conductor is determined depending on the physical properties, and the value is constant in a steady state. When a static load is connected to the direct current power source, a current flows due to the movement of charges in the conductor, but in general, only a small electric field can be applied to the movement axis of charges, so the average movement speed of charges is extremely slow.
例えば、1平方ミリメートルの断面を有する銅線中を導体中の電荷の速度(dq/dt)で定義される10アンペアの電流が進行しているときの電流の進行速度は、物理学に従って計算すると常温で0.368[mm/s]となる。導体中の電荷は、遅いながらも移動は可能であるので、導体の他端で定常的に電荷が消費される際に導体の一端から同量の電荷が定常的に供給されれば、導体の他端に接続される抵抗器等の定常負荷へのエネルギー供給が支障なく行われる。 For example, when a current of 10 amperes defined by a charge velocity (dq / dt) in a conductor is traveling in a copper wire having a cross section of 1 square millimeter, the current progression rate is calculated according to physics It becomes 0.368 [mm / s] at room temperature. Since the charge in the conductor can move although it is slow, if the same amount of charge is constantly supplied from one end of the conductor when the charge is constantly consumed at the other end of the conductor, Energy supply to a steady load such as a resistor connected to the other end is performed without any trouble.
伝送線路上の電気信号の進行を扱うのが電気通信工学である。電気通信工学によると、直流的に絶縁された2本の導体間に電気信号を与えると、電気信号は電流波と電圧波となって伝送線路を進行するとしている。 Telecommunications engineering handles the progression of electrical signals on transmission lines. According to telecommunications engineering, when an electric signal is applied between two DC-insulated conductors, the electric signal becomes a current wave and a voltage wave and travels through the transmission line.
電気通信工学では、交流回路理論と同様に、電流を導体中の電荷の平均速度(dq/dt)すなわち導体電流としている。しかし、電磁気学の基礎を成すマックスウエルの方程式においては、導体電流は、時間の関数ではない電流密度Jに対応させている。 In telecommunications engineering, as in AC circuit theory, the current is the average charge velocity (dq / dt) in the conductor, that is, the conductor current. However, in Maxwell's equations that form the basis of electromagnetism, the conductor current corresponds to a current density J that is not a function of time.
交流回路理論や電気通信工学が電流をdq/dtと定義しているのは以下の理由によると考えられる。交流回路理論を支える重要な法則の一つであるキルヒホッフの法則が発表されたのが1845年で、マックスウエルが電磁波の存在を理論的に証明しヘルツによって実験で電磁波の存在が確認される42年前である。また、電気通信工学を支える重要な理論の一つである電信方程式が開発されたのが1874年で、同様に電磁波の存在が確認される13年前である。従って、交流回路理論および電気通信工学が実用化された当時は、回路の作用を電磁波の作用とする考え方がそもそも存在していなかった。さらに、その後も理論の修正が行われなかった。 The AC circuit theory and telecommunications engineering define the current as dq / dt for the following reasons. Kirchhoff's law, one of the important laws supporting AC circuit theory, was announced in 1845, Maxwell theoretically proves the existence of electromagnetic waves, and Hertz confirms the existence of electromagnetic waves by experiments42 Years ago. The telegraph equation, one of the important theories supporting telecommunications engineering, was developed in 1874, 13 years before the existence of electromagnetic waves was confirmed. Therefore, at the time when AC circuit theory and telecommunications engineering were put into practical use, there was no idea that the action of the circuit was the action of electromagnetic waves. Furthermore, the theory was not revised after that.
電気通信工学の基礎を成す電信方程式において、導体電流が光速で流れることが出来るとしている根拠となっているのはダランベールの波動方程式である。ダランベールの波動方程式では波動の主体を、スカラー量のラプラシアンとするベクトル関数で表現し、特定していない。導体電流が導体間電圧とともに波となることがは、電気回路を支配する電磁気学と整合していなので、電圧と電流に関する回路方程式をダランベールの波動方程式に対比させて得られる電信方程式は、電磁気学とは無関係であり、また電磁気学に反していることになる。 In the telegraph equation that forms the basis of telecommunications engineering, the basis of the fact that the conductor current can flow at the speed of light is the D'Alembert wave equation. In D'Alembert's wave equation, the subject of the wave is expressed by a vector function with a Laplacian of scalar quantity and is not specified. The fact that the conductor current becomes a wave with the voltage between conductors is consistent with the electromagnetism governing the electrical circuit, so the telegraph equation obtained by comparing the circuit equation for voltage and current with the D'Alembert wave equation is the electromagnetism Is irrelevant and is contrary to electromagnetism.
電流の定義が電磁気学に反すると、線路の電圧や、インピーダンス、電磁波との関係、さらには伝送損失に関しても電磁気学と矛盾する考え方が生じる。電気通信工学にはこの矛盾が散見されるが、歴史が古く現在でも伝送線路設計への豊富な適用実績があることから、従来通りの連続波を対象とする伝送線路設計では電磁気学との矛盾は顕在化していない。 If the definition of current is contrary to electromagnetism, the idea of contradicting electromagnetism also arises in relation to line voltage, impedance, electromagnetic waves, and transmission loss. Although this contradiction is seen in telecommunications engineering, it has a long history and has abundant track record of application to transmission line design. Therefore, conventional transmission line design for continuous wave is inconsistent with electromagnetics. Has not been revealed.
スイッチング波またはディジタル波のような間欠波を対象とする伝送線路設計においても電気通信工学に基づくと効率的であると言う考え方が支配的である。しかし電気通信工学のディジタル回路への実用実績が少ないため電磁気学と対比しつつ慎重に設計や解析を行わないと、電磁気学との前記矛盾が顕在化する可能性がある。 In transmission line design for intermittent waves such as switching waves or digital waves, the idea of being efficient based on telecommunications engineering is dominant. However, since there is little practical experience with digital circuits in telecommunications engineering, the contradiction with electromagnetism may become apparent unless careful design and analysis is performed in contrast to electromagnetism.
電磁気学によれば伝送線路を構成する2本の導体に挟まれる絶縁体が真空である場合は、TEM波の電磁波は光速で真空中を進行する。つまり、この場合の電流や電圧は、伝送線路の導体ではなくて絶縁体中を進み、それぞれ式(1)および式(2)から求められる値となる。実際の電流や電圧は磁界や電界であるので絶縁体中を波となって準光速で進むことが可能となる。伝送線路上のTEM波を構成する電界波の振幅を磁界波の振幅で割った値が、特性インピーダンスである。 According to electromagnetics, when the insulator sandwiched between the two conductors constituting the transmission line is in a vacuum, the electromagnetic wave of the TEM wave travels in the vacuum at the speed of light. In other words, the current and voltage in this case travel through the insulator, not the conductor of the transmission line, and have values obtained from the equations (1) and (2), respectively. Since an actual current or voltage is a magnetic field or an electric field, it can travel in a quasi-light speed as a wave in the insulator. A value obtained by dividing the amplitude of the electric field wave constituting the TEM wave on the transmission line by the amplitude of the magnetic field wave is the characteristic impedance.
電気通信工学によると、伝送線路上を進行する信号の挙動は、伝送線路の特性インピーダンスと伝搬定数によって決まる。理想的な平板導体が理想的な絶縁体を挟んで平行に対向している平行板線路の特性インピーダンスZ0は、伝送線路の物理定数によって次式から求められる。平板導体や絶縁体の材料特性は、伝送線路の特性インピーダンスに対して実用上大きな影響を及ぼさない。 According to telecommunications engineering, the behavior of a signal traveling on a transmission line is determined by the characteristic impedance and propagation constant of the transmission line. The characteristic impedance Z 0 of the parallel plate line the ideal flat conductor is parallel to opposite sides of the ideal insulator is determined from the following equation by the physical constants of the transmission line. The material characteristics of the flat conductor and the insulator do not have a large practical effect on the characteristic impedance of the transmission line.
電気通信工学によると、既知の特性インピーダンス(Z0)を有する伝送線路を通して未知の特性インピーダンス(Z1)を有する伝送線路に電磁波を注入したときの、
前記二つの伝送線路の接続点における反射係数(S11)は、次式で表される。
According to telecommunications engineering, when electromagnetic waves are injected into a transmission line having an unknown characteristic impedance (Z 1 ) through a transmission line having a known characteristic impedance (Z 0 ),
The reflection coefficient (S 11 ) at the connection point between the two transmission lines is expressed by the following equation.
電気通信工学によると、損失を有する伝送線路すなわち損失線路の透過係数(S21α)は、次式で表される。 According to telecommunications engineering, the transmission coefficient (S 21α ) of a lossy transmission line, that is, a lossy line is expressed by the following equation.
電磁気学によると、実用的な伝送線路の減衰定数は、電磁波が損失のある誘電体内を進行するときの減衰と、電磁波が誘電体内を進行する過程でその一部が導体内に侵入して熱になる導体損と、伝送線路外に漏れ出る放射損との和となると考えることが出来る。 According to electromagnetics, the practical transmission line attenuation constant is determined by the attenuation when the electromagnetic wave travels through a lossy dielectric body, and part of the electromagnetic wave penetrates into the conductor in the course of the electromagnetic wave traveling through the dielectric. It can be considered that this is the sum of the conductor loss and the radiation loss leaking out of the transmission line.
高速ディジタルデータ通信機器の配線設計は電気通信工学に従って行われている。しかし、電気通信工学は正弦波等の連続波を扱う伝送線路設計には適するが、前述のようにディジタル信号のような間欠波を扱う伝送線路設計には、電磁気学との矛盾があり適さない。 Wiring design of high-speed digital data communication equipment is performed according to telecommunication engineering. However, telecommunications engineering is suitable for transmission line design that handles continuous waves such as sine waves, but as mentioned above, transmission line design that handles intermittent waves such as digital signals is not suitable because of inconsistencies with electromagnetics. .
情報技術装置や高速ディジタルデータ通信機器等に使用される直流電源は、回路に電荷を供給すると考えられている。 DC power supplies used in information technology equipment, high-speed digital data communication equipment, and the like are considered to supply electric charges to circuits.
電磁気学によると、マックスウエルは、単位(試験)点電荷に働く力の原因は、単位点電荷の存在する場所における電界にあるとし、クーロンの法則を修正した。この事実はあまり知られていない。 According to electromagnetism, Maxwell modified Coulomb's law, assuming that the force acting on the unit (test) point charge is due to the electric field where the unit point charge exists. This fact is not well known.
修正された電磁気学によると、電界に関する静電(electrostatic)エネルギーwEは、次式で表される。 According to the modified electromagnetics, the electrostatic energy w E related to the electric field is expressed by the following equation.
このように、静電エネルギー(wE)は電荷が持っているのではなくて電界Eと電束密度Dの積または電界Eとして媒質に蓄積していることになる。 Thus, the electrostatic energy (w E ) is not carried by the electric charge but is accumulated in the medium as the product of the electric field E and the electric flux density D or the electric field E.
なお、電圧Vが印加された容量Cのコンデンサに蓄積されている静電エネルギーwCは、電極距離をd、電極面積をSとすると、次式で表される。 The electrostatic energy w C stored in the capacitor having the capacitance C to which the voltage V is applied is expressed by the following equation, where d is the electrode distance and S is the electrode area.
数メガヘルツ以上の帯域におけるコンデンサのインピーダンス特性の測定には、ネットワークアナライザまたはネットワークアナライザの原理を応用した4端子のインピーダンスアナライザが使用されている。IT機器を支えるディジタル回路において、コンデンサは、圧倒的に電源分配回路のデカップリングコンデンサとして使われることが多いこともあって、DUT(device under test)としてのコンデンサは測定系の線路に並列に接続されて測定される。 For measuring the impedance characteristics of capacitors in a band of several megahertz or more, a network analyzer or a four-terminal impedance analyzer applying the principle of the network analyzer is used. In digital circuits that support IT equipment, capacitors are overwhelmingly often used as decoupling capacitors for power distribution circuits. Capacitors as DUTs (device under test) are connected in parallel to measurement lines. Measured.
測定法によるコンデンサの端子インピーダンス(ZC)は散乱行列(scattering matrix)を構成する透過係数(S21)から次式によって求めることが出来る。 The terminal impedance (Z C ) of the capacitor obtained by the measurement method can be obtained from the transmission coefficient (S 21 ) constituting the scattering matrix by the following equation.
測定系のケーブルの特性インピーダンス(Z0)が50[Ω]であって、S21が1よりかなり小さい場合は、次式のようにZCとS21の関係はさらに簡略化される。この方法は無損失線路またはコンデンサのような線路長がゼロと見なせる素子に使用できるが、一般の伝送線路の場合は、式(8)の関係から反射係数(S11)の測定結果から推定しなければならない。 When the characteristic impedance (Z 0 ) of the measurement system cable is 50 [Ω] and S 21 is considerably smaller than 1, the relationship between Z C and S 21 is further simplified as in the following equation. This method can be used for an element such as a lossless line or a capacitor whose line length can be regarded as zero, but in the case of a general transmission line, it is estimated from the measurement result of the reflection coefficient (S 11 ) from the relationship of the equation (8). There must be.
コンデンサの場合のように測定系のケーブルの特性インピーダンスに比べて端子インピーダンスが非常に小さい場合は、式(12)から求める方が、誤差が小さくなる。但し、式(12)はコンデンサを、電磁波の作用を無視した集中要素回路の素子と見なす場合に成立する式であるので、一般の大きさの回路で電磁波の作用が無視できなくなる1MHz前後以上では成立しないことに注意が必要である。 When the terminal impedance is very small as compared with the characteristic impedance of the measurement system cable as in the case of the capacitor, the error is reduced by obtaining from the equation (12). However, since the expression (12) is an expression that is established when the capacitor is regarded as an element of a lumped element circuit in which the action of electromagnetic waves is ignored, the action of the electromagnetic waves cannot be ignored in a circuit of a general size. Note that it does not hold.
式(12)に透過係数(S21)の測定値を代入してインピーダンス特性を求めると、市販されているコンデンサは、共振点と呼ばれるインピーダンスが最小となる周波数を有するとされている。共振点以下の周波数帯域においては周波数に比例してインピーダンス値が減少するほぼ理想的なインピーダンス特性を示すが、共振周波数以上ではインピーダンスが周波数に比例して増加するリアクタンス特性を示すことが確認される。この理由は、コンデンサにはリード線、端子、および電極がありこの部分は等価直列インダクタンス(ESL)として作用するためと考えられている。さらに前記共振点のインピーダンスは等価直列抵抗(ESR)によって決まると考えられている。 When the impedance characteristic is obtained by substituting the measured value of the transmission coefficient (S 21 ) into the equation (12), a commercially available capacitor is said to have a frequency at which the impedance called a resonance point is minimized. In the frequency band below the resonance point, it shows an almost ideal impedance characteristic in which the impedance value decreases in proportion to the frequency, but it is confirmed that it shows a reactance characteristic in which the impedance increases in proportion to the frequency above the resonance frequency. . The reason for this is thought to be that a capacitor has lead wires, terminals, and electrodes, and this portion acts as an equivalent series inductance (ESL). Furthermore, the impedance at the resonance point is considered to be determined by the equivalent series resistance (ESR).
電磁気学に従って式(12)から求められるインピーダンス特性の共振点を検討すると、共振点が、コンデンサを集中要素モデルと見なせる上限であって、共振点以上の特性はコンデンサと測定回路の物理的な配置や大きさの関係する電磁波の挙動を示す特性であることが判る。 Examining the resonance point of the impedance characteristic obtained from Equation (12) according to electromagnetics, the resonance point is the upper limit at which the capacitor can be regarded as a lumped element model, and the characteristic above the resonance point is the physical arrangement of the capacitor and the measurement circuit. It can be seen that the characteristic shows the behavior of the electromagnetic wave related to the size.
電気電子回路の設計や解析においては、電源は電気電子回路が扱う周波数帯域において端子インピーダンスおよび透過係数がゼロである理想電源として扱われている。しかし現実の電源は、商用電源、バッテリ、またはインダクタンスの作用を利用する電力変換器であるため、理想電源と見なすことができない。このため、コンデンサが現実の電源を理想電源化するために使用されている。しかし、コンデンサは集中要素モデルの素子であるため、コンデンサ単体としては、前述のように一般の大きさの回路で電磁波の作用が無視できなくなる1MHz前後以上での作用は考慮されていない。 In the design and analysis of electric and electronic circuits, the power source is treated as an ideal power source having zero terminal impedance and transmission coefficient in the frequency band handled by the electric and electronic circuit. However, since an actual power source is a commercial power source, a battery, or a power converter that uses the action of inductance, it cannot be regarded as an ideal power source. For this reason, a capacitor is used to make an actual power supply an ideal power supply. However, since the capacitor is an element of a lumped element model, as a single capacitor, an operation at about 1 MHz or higher where the action of electromagnetic waves cannot be ignored in a general size circuit is not considered.
以上にもかかわらず、前述の従来の考え方に基づいてコンデンサメーカや、情報技術装置関連メーカではコンデンサの使用法を種々工夫している。印刷配線基板の電源層とグランド層は、直流電圧低下を最小にするとともにコンデンサでは不可能なギガヘルツ以上の帯域での低インピーダンス化を実現するために平行板構造が採用されている。しかし、板上に数百個以上のコンデンサを搭載する場合の、個々のコンデンサの最適な容量値やサイズと最適な配置を決定する方法は高性能コンピュータを使用しても不可能なほど複雑であり現在に至っても確立されていない。 In spite of the above, capacitor manufacturers and information technology equipment related manufacturers have devised various ways to use capacitors based on the above-described conventional concept. The power supply layer and the ground layer of the printed wiring board employ a parallel plate structure in order to minimize a DC voltage drop and to realize a low impedance in a band of gigahertz or higher, which is impossible with a capacitor. However, when mounting hundreds or more capacitors on a board, the method of determining the optimal capacitance value, size, and optimal placement of individual capacitors is so complex that it is impossible even with a high-performance computer. There is not established even now.
コンデンサメーカでは、ESLやESRを小さくするためのコンデンサ自身の改良を進めている。しかし、電解コンデンサにおいては大容量化と低ESR化に焦点が置かれ、セラミックコンデンサにおいては小型化とESRをやや高くすることに焦点が置かれており、電磁波の挙動を考慮した改良には至っていない。 Capacitor manufacturers are working to improve capacitors themselves to reduce ESL and ESR. However, in electrolytic capacitors, the focus is on higher capacity and lower ESR, and in ceramic capacitors, focus is on miniaturization and slightly higher ESR, leading to improvements that take electromagnetic behavior into consideration. Not in.
非特許文献1および非特許文献2に示される孤立電磁波コンセプトによると、スイッチング素子は、スイッチングの瞬間に、非線形波動またはソリトンの一種である孤立電磁波を励起する。一般のスイッチング機器のスイッチング素子も、同様のメカニズムで、スイッチングの瞬間に非線形波動またはソリトンの一種である孤立電磁波を励起する。 According to the isolated electromagnetic wave concept shown in Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2, the switching element excites an isolated electromagnetic wave, which is a kind of nonlinear wave or soliton, at the moment of switching. A switching element of a general switching device excites a solitary electromagnetic wave, which is a kind of nonlinear wave or soliton, at the moment of switching by the same mechanism.
スイッチング素子のスイッチング動作時の孤立電磁波の励起メカニズムは、1834年にJohn Scott Russell がソリトンを発見する際に行った種々の実験の内の水を貯めた水門(ゲート)を急に開くことによって生じたソリトンの発生メカニズムや、ソリトンの一種であると確認されている津波の生成過程に極めて類似している。 The excitation mechanism of isolated electromagnetic waves during the switching operation of the switching element is caused by suddenly opening a gate for storing water in various experiments conducted by John Scott Russell in 1834 when he discovered solitons. It is very similar to the generation mechanism of solitons and the tsunami generation process that has been confirmed to be a kind of solitons.
非特許文献1および非特許文献2に示される孤立電磁波コンセプトによると、スイッチング素子がオフからオンにスイッチングする瞬間に、スイッチング素子が電源線路と信号線路を接続する点の電位は、前記直流電源の電圧を電源線路と信号線路の特性インピーダンス分割した値になる。従って、電源線路には電圧を分割電圧まで下げる極性の孤立電磁波が、信号線路には電圧を分割電圧まで上げる極性の孤立電磁波がそれぞれ同時に励起され、電磁波理論に従い、互いにその振幅ベクトルが直交する孤立電界波と孤立磁界波を伴って伝送線路上を進行する。 According to the isolated electromagnetic wave concept shown in Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2, at the moment when the switching element switches from off to on, the potential at the point where the switching element connects the power line and the signal line is The voltage is a value obtained by dividing the characteristic impedance of the power line and the signal line. Therefore, isolated electromagnetic waves with a polarity that lowers the voltage to the divided voltage are excited on the power line, and isolated electromagnetic waves with a polarity that raises the voltage to the divided voltage are excited simultaneously on the signal line, and the isolated amplitude vectors are orthogonal to each other according to the electromagnetic wave theory. It travels on the transmission line with electric field waves and solitary magnetic field waves.
図1は、孤立電磁波の挙動を説明するためのプッシュプル回路1に関する等価回路の一例である。図1において、特性インピーダンスZ0の伝送線路の途中にプッシュプル回路1が接続されており、特性インピーダンスZ0の電源線路5は直流電源4とプッシュプル回路1との間に接続されて電源線路を構成し、特性インピーダンスZ0の信号線路6はプッシュプル回路1と整合終端抵抗7との間に接続されて信号線路を構成している。プッシュプル回路1は、PチャネルMOS
FET2とNチャネルMOS FET3によって構成されている。
FIG. 1 is an example of an equivalent circuit related to a push-pull circuit 1 for explaining the behavior of an isolated electromagnetic wave. In Figure 1, a push-pull circuit 1 is connected to the middle of the transmission line of the characteristic impedance Z 0, the power supply line 5 of the characteristic impedance Z 0 is connected between the DC power source 4 and the push-pull circuit 1 supply line The signal line 6 having the characteristic impedance Z 0 is connected between the push-pull circuit 1 and the matching termination resistor 7 to form a signal line. Push-pull circuit 1 is a P-channel MOS
It consists of FET2 and N-channel MOS FET3.
図1において、プッシュプル回路1のオン状態とは、PチャネルMOS FET2がオンでNチャネルMOS FET3がオフの状態であり、プッシュプル回路1のオフ状態はその逆である。伝送線路を進行するTEM波に関する磁界と電流の関係および電界と電位の関係は、電磁気学においてそれぞれアンペアの法則および電位の定義として示される。 In FIG. 1, the on state of the push-pull circuit 1 is a state where the P-channel MOS FET 2 is on and the N-channel MOS FET 3 is off, and the push-pull circuit 1 is off. The relationship between the magnetic field and the current and the relationship between the electric field and the potential with respect to the TEM wave traveling through the transmission line are shown as the amperage law and the definition of the potential in electromagnetics, respectively.
図2に、プッシュプル回路1がオフからオンに変化する時の信号線路6上の電位波形9と、電磁気学に示される電位の定義から逆算して求められる信号線路6上を進む電界波形8とを示す。図3は、プッシュプル回路1がオフからオンに変化する時の電源線路5上の電位波形11と、電磁気学に示される電位の定義から逆算して求められる電源線路5上を進む電界波形10とを示す。 FIG. 2 shows a potential waveform 9 on the signal line 6 when the push-pull circuit 1 changes from off to on, and an electric field waveform 8 that travels on the signal line 6 obtained by calculating backward from the definition of the potential shown in electromagnetics. It shows. FIG. 3 shows a potential waveform 11 on the power supply line 5 when the push-pull circuit 1 changes from off to on, and an electric field waveform 10 that travels on the power supply line 5 obtained by calculating backward from the definition of the potential shown in electromagnetics. It shows.
図2および図3に示すように、プッシュプル回路1のスイッチングによって生じる電界の波形は、スイッチング素子の立ち上がり波形の最大傾斜部の接線を立ち上がり波形と見なして求める立ち上がり時間と円周率との積の逆数として求められる周波数で定義される実効周波数(significant frequency)を有する正弦波の半波形に近似している。実効周波数の考え方を引用すると、前記近似の確かさ(accuracy)は、92%以上と見込まれる。従って、設計だけに限ると実用上実効周波数で行うことが出来る。 As shown in FIGS. 2 and 3, the waveform of the electric field generated by the switching of the push-pull circuit 1 is the product of the rise time and the circumference obtained by regarding the tangent of the maximum slope of the rising waveform of the switching element as the rising waveform. It approximates to a half waveform of a sine wave having an effective frequency defined by the frequency obtained as the reciprocal of. To quote the concept of effective frequency, the accuracy of the approximation is expected to be 92% or more. Therefore, practically, it can be performed at an effective frequency as far as design is concerned.
図1から図3において、プッシュプル回路1がオフからオンに変化すると、図1中のB点とC点の電位は等しくE/2[V]となる。プッシュプル回路1によって励起された、お互い逆極性を有する信号線路6上を進む孤立電界波8と電源線路5上を進む孤立電界波10は、それぞれプッシュプル回路1を背にして反対方向に進む。信号線路6上を進む孤立電界波8は、信号線路6の電位を0[V]からE/2[V]に上昇させつつ進み、整合終端抵抗7で消滅する。一方、電源線路5上を進む孤立電界波10は、電源線路5の電位をE[V]からE/2[V]に降下させつつ直流電源4に向かって、それぞれの伝送線路を構成する絶縁体中を準光速で進行する。 1 to 3, when the push-pull circuit 1 changes from off to on, the potentials at the points B and C in FIG. 1 are equal to E / 2 [V]. The isolated electric field wave 8 traveling on the signal line 6 having opposite polarities and the isolated electric field wave 10 traveling on the power supply line 5 excited by the push-pull circuit 1 travel in opposite directions with the push-pull circuit 1 as the back. . The isolated electric field wave 8 traveling on the signal line 6 proceeds while increasing the potential of the signal line 6 from 0 [V] to E / 2 [V], and disappears by the matching termination resistor 7. On the other hand, the isolated electric field wave 10 traveling on the power line 5 insulates each transmission line toward the DC power source 4 while lowering the potential of the power line 5 from E [V] to E / 2 [V]. It travels through the body at quasi-light speed.
直流電源4が端子インピーダンスゼロの理想電源である場合は、電源線路5上を進行する孤立電磁波は直流電源4で、反射し、信号線路6上に励起された孤立電磁波と同極性となり、電源線路5および信号線路6の電位をE/2[V]からE[V]に上昇させつつ進行し、整合終端抵抗7で消滅する。 When the DC power supply 4 is an ideal power supply with zero terminal impedance, the isolated electromagnetic wave traveling on the power supply line 5 is reflected by the DC power supply 4 and has the same polarity as the isolated electromagnetic wave excited on the signal line 6. 5 and the potential of the signal line 6 are increased from E / 2 [V] to E [V], and disappear with the matching termination resistor 7.
非特許文献1および非特許文献2によると、伝送線路上を進行する孤立電磁波の波長は次式で定義される。 According to Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2, the wavelength of an isolated electromagnetic wave traveling on the transmission line is defined by the following equation.
従来の電源デカップリング回路または回路部品については、下記の特許文献や非特許文献に記載されている。その要点は後述される。
解決しようとする問題点の第1は、特許文献1に関する。特許文献1は、簡便な製造工程で、良好な特性を有する固体電解コンデンサを得ることができる固体電解コンデンサの製造方法を提供するために、固体電解質層に関する詳細な製法を開示している。しかし、改良の目的がESRの低減であり、開示されている技術によって、コンデンサに期待されている理想電源の機能に近づけることは不可能であった。 The first problem to be solved relates to Patent Document 1. Patent Document 1 discloses a detailed manufacturing method for a solid electrolyte layer in order to provide a method for manufacturing a solid electrolytic capacitor capable of obtaining a solid electrolytic capacitor having good characteristics by a simple manufacturing process. However, the purpose of the improvement is to reduce ESR, and it has been impossible to approximate the function of an ideal power source expected for a capacitor by the disclosed technology.
解決しようとする問題点の第2は、特許文献2に関する。特許文献2は、静電容量及び耐圧の向上と、小型大容量化を可能とした固体電解コンデンサの製造方法を提供するために、固体電解質層に関する詳細な製法を開示している。しかし、改良の目的が静電容量及び耐圧の向上と、小型大容量化であり、開示されている技術によって、コンデンサに期待されている理想電源の機能に近づけることは不可能であった。 A second problem to be solved relates to Patent Document 2. Patent Document 2 discloses a detailed manufacturing method related to a solid electrolyte layer in order to provide a method for manufacturing a solid electrolytic capacitor capable of improving capacitance and withstand voltage and reducing the size and capacity. However, the purpose of the improvement is to increase the capacitance and withstand voltage and to increase the size and capacity, and it has been impossible to approximate the function of an ideal power source expected for a capacitor by the disclosed technology.
解決しようとする問題点の第3は、特許文献3に関する。特許文献3は、大容量、低ESR、高信頼性である固体電解コンデンサを提供するために、セパレータを含む固体電解質層に関する詳細な製法を開示している。しかし、改良の目的が大容量、低ESR、高信頼性であり、開示されている技術によって、コンデンサに期待されている理想電源の機能に近づけることは不可能であった。 A third problem to be solved relates to Patent Document 3. Patent Document 3 discloses a detailed manufacturing method for a solid electrolyte layer including a separator in order to provide a solid electrolytic capacitor having a large capacity, low ESR, and high reliability. However, the purpose of the improvement is large capacity, low ESR, and high reliability, and it has been impossible to approach the function of an ideal power source expected for a capacitor by the disclosed technology.
解決しようとする問題点の第4は、特許文献4に関する。特許文献4は、10KHzから1GHz間での帯域で使用する分布定数型ノイズフィルタの形成法を示している。該分布定数型ノイズフィルタの長さは、電子部品から発生する高周波の1/4波長以上の長さとなるように設定するとしているが、たとえば100[MHz]の高調波すなわち正弦波の1/4波長は大気中で75[cm]、この文献で絶縁体として使用している酸化アルミニウムの場合は、比誘電率が約8.5であるので26[cm]となり、通常の電子・電気機器に使用するには長すぎる。また、線路の入力インピーダンス特性は、反射係数(S11)の測定値または同等の電磁界シミュレーション値から求めるべきところを透過係数(S21)から求める理論的な誤りを犯しているのでデータの信頼性が無い。従って、開示されている技術によって、コンデンサに期待されている理想電源の機能に近づけることは不可能であった。 A fourth problem to be solved relates to Patent Document 4. Patent Document 4 shows a method of forming a distributed constant noise filter used in a band between 10 KHz and 1 GHz. The length of the distributed constant type noise filter is set so as to be at least a quarter wavelength of a high frequency generated from an electronic component. For example, a harmonic of 100 [MHz], that is, a quarter of a sine wave is used. The wavelength is 75 [cm] in the atmosphere, and in the case of aluminum oxide used as an insulator in this document, the relative dielectric constant is about 8.5, so it is 26 [cm]. Too long to use. In addition, since the input impedance characteristic of the line makes a theoretical error in determining where the transmission coefficient (S 21 ) should be obtained from the measured value of the reflection coefficient (S 11 ) or the equivalent electromagnetic field simulation value, the reliability of the data There is no sex. Therefore, it has been impossible to approximate the function of an ideal power source expected for a capacitor by the disclosed technique.
解決しようとする問題点の第5は、特許文献5に関する。特許文献7は、高速化、高周波数化に適した平行平板線路型素子を提供するために、電極の構造を詳細に示しているが、使用する材料の物理定数や固体電解質層に関する製法が示されていない。従って期待する透過係数(S21)の特性の裏付けが無い。開示されている技術によって、コンデンサに期待されている理想電源の機能に近づけることは不可能であった。 The fifth problem to be solved relates to Patent Document 5. Patent Document 7 shows the structure of an electrode in detail in order to provide a parallel plate line type element suitable for higher speed and higher frequency, but shows a physical constant of a material used and a manufacturing method related to a solid electrolyte layer. It has not been. Therefore, there is no support for the expected transmission coefficient (S 21 ) characteristics. With the disclosed technology, it has been impossible to approximate the function of an ideal power source expected for a capacitor.
アナログ回路は、回路状態の変化が比較的緩やかで始まりと終わりが明確でないことが多い。アナログ回路の歴史は古く、特に工学においては経験則等の適用によって、電磁気学に戻らなくても、従来の交流回路理論や電気通信工学に従う回路設計において、実用上、問題が生じることはほとんど無かった。 In analog circuits, changes in the circuit state are relatively gradual and the beginning and end are often unclear. Analog circuits have a long history, and especially in engineering, there are almost no problems in practical use in circuit design according to conventional AC circuit theory or telecommunications engineering without having to return to electromagnetism by applying rules of thumb, etc. It was.
一方、アナログ回路の場合と異なり、スイッチング回路における状態の変化の始まりと終わりは明確である。スイッチング回路の状態の変化は非常に急激であり、急激な電界または磁界の変化は当然ながら大きなレベルの電磁波を励起する。スイッチング回路における電界または磁界の変化は間歇的である。さらに、半導体集積回路中の約9割を占めるデータ処理回路においては、一般にスイッチングの周期は不定である。 On the other hand, unlike the case of the analog circuit, the beginning and end of the state change in the switching circuit are clear. Changes in the state of the switching circuit are very rapid, and sudden changes in electric or magnetic fields naturally excite large levels of electromagnetic waves. The change in the electric or magnetic field in the switching circuit is intermittent. Furthermore, in a data processing circuit that occupies about 90% of a semiconductor integrated circuit, the switching cycle is generally indefinite.
以上のようにアナログ回路とスイッチング回路は、電磁気学の観点からは大きく異なっている。しかし、従来の電気通信工学や交流回路理論では、間欠的な回路動作を想定した回路すなわちパルス回路の設計は、電磁気学とは関係のない前述のような手法で行われ、解析は、スイッチング波をひずみ波の一種と考えるフーリエ変換法が適用されてきた。 As described above, the analog circuit and the switching circuit are greatly different from the viewpoint of electromagnetics. However, in conventional telecommunications engineering and AC circuit theory, the design of a circuit that assumes intermittent circuit operation, that is, a pulse circuit, is performed by the above-mentioned method that has nothing to do with electromagnetics, and the analysis is performed using a switching wave. The Fourier transform method has been applied, which is considered as a kind of distorted wave.
フーリエ変換法によると、ひずみ波は正弦波である多数の高調波から構成されている。これらの高調波は始まりと終わりが無い多数の正弦波である。回路上の信号を高調波毎に解析してその結果を加算すれば、スイッチング回路の解析が可能となる。しかし、フーリエ変換法は数学の一手法であり、上位理論である電磁気学との整合性を確認した上で電気電子回路の設計や解析に採用されている訳ではないため、ディジタル回路で発生する瞬時現象の解析は、現実との乖離が甚だしく、不可能である。 According to the Fourier transform method, the distorted wave is composed of a number of harmonics that are sine waves. These harmonics are numerous sine waves with no beginning and no end. If the signal on the circuit is analyzed for each harmonic and the results are added, the switching circuit can be analyzed. However, the Fourier transform method is a mathematical method, and it is not used in the design and analysis of electrical and electronic circuits after confirming the consistency with the higher theory of electromagnetism. The analysis of instantaneous phenomena is impossible because of the large deviation from reality.
たとえばデューティが1/10で繰り返し周波数が1[GHz]のスイッチング波をフーリエ変換すると振幅の1/10の値の直流成分と1[GHz]を基本波とする高調波とに分解できる。直流電流はほとんど流さないCMOS回路を使用する半導体集積回路内のある長さの配線または伝送線路が、1[GHz]の振幅を1/2に低下させる損失を有しているとすると、配線または伝送線路の終端でのスイッチング波の振幅は、解析結果ではほぼ1/2以下に低下する。 For example, when a switching wave having a duty of 1/10 and a repetition frequency of 1 [GHz] is Fourier transformed, it can be decomposed into a DC component having a value of 1/10 of the amplitude and a harmonic having 1 [GHz] as a fundamental wave. If a certain length of wiring or transmission line in a semiconductor integrated circuit using a CMOS circuit that hardly passes direct current has a loss that reduces the amplitude of 1 [GHz] to 1/2, The amplitude of the switching wave at the end of the transmission line is reduced to almost ½ or less in the analysis result.
しかし、電磁気学に従うと、スイッチング波の振幅は直流電源から供給される静電エネルギーによって維持される。静電エネルギーは波ではないので配線または伝送線路の損失の作用は受けない。従って、伝送線路の終端で観測されるスイッチング波の振幅は減衰しないはずである。 However, according to electromagnetics, the amplitude of the switching wave is maintained by electrostatic energy supplied from a DC power source. Since electrostatic energy is not a wave, it is not affected by the loss of wiring or transmission lines. Therefore, the amplitude of the switching wave observed at the end of the transmission line should not be attenuated.
以上の現象は電源線路上を進行する電磁波についても同様である。電源線路上を進行する電磁波はディジタル回路の設計者が全く意図していないものであって、この電磁波による電源線路上での作用は好ましいものではない。スイッチング素子またはスイッチング素子を内蔵する回路を搭載する回路システムの電源線路上の、スイッチング素子またはスイッチング素子を内蔵する回路に近接して、理想電源の機能を有する素子が接続されていれば、スイッチング電源が励起する電磁波が回路システムの電源線路上に漏洩することは無く、シグナルインテグリティを劣化されることも無い。 The same phenomenon applies to electromagnetic waves traveling on the power supply line. The electromagnetic wave traveling on the power line is not intended at all by the designer of the digital circuit, and the action of the electromagnetic wave on the power line is not preferable. If a switching element or an element having the function of an ideal power supply is connected in the vicinity of a switching element or a circuit incorporating a switching element on a power supply line of a circuit system including a switching element or a circuit incorporating the switching element, the switching power supply The electromagnetic wave excited by the signal does not leak onto the power line of the circuit system, and the signal integrity is not deteriorated.
しかし、この機能が期待されている従来のコンデンサを始めとする素子は、非特許文献1および非特許文献2に示される孤立電磁波コンセプトに従っていないばかりか、マックスウエルによって確立された電磁波理論にも従っていないため、理想電源の機能を果たすことが不可能であった。 However, devices such as conventional capacitors that are expected to have this function not only follow the isolated electromagnetic wave concept shown in Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2, but also follow the electromagnetic wave theory established by Maxwell. Therefore, it was impossible to fulfill the function of an ideal power source.
本発明は、上記問題を根本的に解決する手段を提供することを目的の一つとしている。 An object of the present invention is to provide means for fundamentally solving the above problems.
上記課題を解決するため、請求項1記載の発明は、低インピーダンス損失線路に係り、セパレータと、該セパレータに対向して配置される誘電体酸化被膜を有する弁作用金属から成る陽極箔と陰極箔と、前記陽極箔と前記陰極箔との間に前記セパレータを介して含浸されて形成されるモノマー又はモノマー溶液を酸化剤で重合してなる導電性ポリマーからなる固体電解質層とによって、平行板線路として形成されることを特徴としている。 In order to solve the above-mentioned problem, an invention according to claim 1 relates to a low impedance loss line, an anode foil and a cathode foil comprising a separator and a valve metal having a dielectric oxide film disposed opposite to the separator. And a solid electrolyte layer made of a conductive polymer obtained by polymerizing a monomer or a monomer solution impregnated between the anode foil and the cathode foil through the separator with an oxidant with a parallel plate line, It is characterized by being formed as.
また、請求項2記載の発明は、低インピーダンス損失線路に係り、スイッチング素子またはスイッチング素子を内蔵する回路を搭載する回路システムにおいて、請求項1記載の低インピーダンス損失線路が、直流電源供給用に設けられた電源線路の前記スイッチング素子またはスイッチング素子の近傍に配置され、前記陽極箔が前記電源線路の陽極配線に直列に挿入され前記陰極箔が前記電源線路の陰極配線に並列に接続されるか、または、前記陽極箔が前記電源線路の陽極配線に並列に接続され前記陰極箔が前記電源線路の陰極配線に直列に挿入されることを特徴としている。 The invention described in claim 2 relates to a low impedance loss line, and relates to a circuit system including a switching element or a circuit incorporating the switching element. The low impedance loss line according to claim 1 is provided for supplying DC power. Arranged in the vicinity of the switching element or switching element of the power line, the anode foil is inserted in series with the anode wiring of the power line, and the cathode foil is connected in parallel with the cathode wiring of the power line, Alternatively, the anode foil is connected in parallel to the anode wiring of the power supply line, and the cathode foil is inserted in series to the cathode wiring of the power supply line.
また、請求項3記載の発明は、低インピーダンス損失線路に係り、請求項1から請求項2記載の低インピーダンス損失線路において、前記固体電解質層が100[S/m]以上の導電率を有することを特徴としている。 The invention described in claim 3 relates to a low impedance loss line, wherein in the low impedance loss line according to claim 1 or 2, the solid electrolyte layer has a conductivity of 100 [S / m] or more. It is characterized by.
また、請求項4記載の発明は、低インピーダンス損失線路に係り、請求項1から請求項3記載の低インピーダンス損失線路において、前記平行板線路構造のチップが、少なくとも10[MHz]から1[GHz]の帯域において前記回路システム中の前記電源分配線路を除く全ての線路の特性インピーダンスに対して1/100以下または10[mΩ] 以下の特性インピーダンスと100 [nep/m](ネパー/メートル)以上の減衰定数を有する低インピーダンス損失線路チップであることを特徴している。 The invention described in claim 4 relates to a low impedance loss line, wherein the chip of the parallel plate line structure is at least 10 [MHz] to 1 [GHz]. ] In the band of the circuit system, the characteristic impedance of all lines except the power distribution line in the circuit system is 1/100 or less or 10 [mΩ] or less and 100 [nep / m] (neper / meter) or more It is a low impedance loss line chip having an attenuation constant of
また、請求項5記載の発明は、低インピーダンス損失線路に係り、請求項1から請求項4記載の低インピーダンス損失線路において、前記陽極箔が、少なくとも前記固体電解質層に接する面に形成されるスポンジ状またはトンネル状のエッチング部を有し、該エッチング部の表面に誘電体酸化被膜が形成されることを特徴としている。 The invention described in claim 5 relates to a low impedance loss line. In the low impedance loss line according to claims 1 to 4, the anode foil is formed at least on a surface in contact with the solid electrolyte layer. Or a tunnel-like etched portion, and a dielectric oxide film is formed on the surface of the etched portion.
また、請求項6記載の発明は、低インピーダンス損失線路に係り、請求項1から請求項5記載の低インピーダンス損失線路において、前記陰極箔が、少なくとも前記固体電解質層に接する面に形成される誘電体酸化被膜を有することを特徴としている。 The invention described in claim 6 relates to a low impedance loss line. In the low impedance loss line according to claims 1 to 5, the cathode foil is a dielectric formed on at least a surface in contact with the solid electrolyte layer. It has a body oxide film.
また、請求項7記載の発明は、低インピーダンス損失線路に係り、請求項1から請求項6記載の低インピーダンス損失線路において、前記陰極箔が、前記固体電解質に接する面にアークプラズマ蒸着法を含む方法によって蒸着されるTiN、ZrN、TaN、NbNのいずれかの金属窒化物からなる皮膜を有することを特徴としている。 The invention described in claim 7 relates to a low impedance loss line. In the low impedance loss line according to claims 1 to 6, the cathode foil includes an arc plasma deposition method on a surface in contact with the solid electrolyte. It is characterized by having a film made of a metal nitride of TiN, ZrN, TaN, or NbN deposited by the method.
また、請求項8記載の発明は、低インピーダンス損失線路に係り、請求項1から請求項7記載の低インピーダンス損失線路において、前記低インピーダンス損失線路チップが誘電体酸化皮膜を有する前記陽極箔と前記陰極箔の間に導電性ポリアニリン溶液を含浸し、前記陽極箔に電圧を印加しながら溶媒を除去して導電性ポリアニリンフィルムを形成し、該導電性ポリアニリンフィルムを前記誘電体酸化皮膜上に被着させ、前記導電性ポリアニリンフィルム上に前記導電性ポリマーからなる電解質層を形成させることを特徴とすることを特徴としている。 The invention described in claim 8 relates to a low impedance loss line, wherein the low impedance loss line chip has a dielectric oxide film and the anode foil, A conductive polyaniline solution is impregnated between the cathode foils, the solvent is removed while applying a voltage to the anode foil to form a conductive polyaniline film, and the conductive polyaniline film is deposited on the dielectric oxide film. And an electrolyte layer made of the conductive polymer is formed on the conductive polyaniline film.
また、請求項9記載の発明は、低インピーダンス損失線路に係り、請求項1から請求項8記載の低インピーダンス損失線路において、前記弁作用金属がアルミニウムであることを特徴としている。 The invention according to claim 9 relates to a low impedance loss line, wherein the valve metal is aluminum in the low impedance loss line according to claims 1 to 8.
また、請求項10記載の発明は、回路または低インピーダンス損失線路に係り、請求項1から請求項9記載の低インピーダンス損失線路において、重合反応に使用する前記モノマーが、3,4−エチレンジオキシチオフェンであることを特徴としている。 The invention described in claim 10 relates to a circuit or a low impedance loss line. In the low impedance loss line according to claims 1 to 9, the monomer used for the polymerization reaction is 3,4-ethylenedioxy. It is characterized by being thiophene.
また、請求項11記載の発明は、回路または低インピーダンス損失線路に係り、請求項1から請求項10記載の低インピーダンス損失線路において、前記酸化剤が、ブタノールに溶解したパラトルエンスルホン酸第二鉄、エチレングリコールに溶解したパラトルエンスルホン酸第二鉄、過ヨウ素酸、またはヨウ素酸の水溶液であることを特徴としている。 The invention according to claim 11 relates to a circuit or a low impedance loss line. In the low impedance loss line according to claims 1 to 10, ferric paratoluenesulfonate in which the oxidizing agent is dissolved in butanol. It is characterized by being an aqueous solution of ferric paratoluenesulfonate, periodic acid, or iodic acid dissolved in ethylene glycol.
また、請求項12記載の発明は、回路または低インピーダンス損失線路に係り、請求項1から請求項11記載の低インピーダンス損失線路において、前記酸化剤の溶液が、アエロジルを添加して4
0 〜 1 8 0 [mpa.s]の粘度と、0 .5 [wt%]から5 .0 [wt%]の範囲の水分含有率を有していることを特徴としている。
The invention according to claim 12 relates to a circuit or a low impedance loss line. In the low impedance loss line according to claims 1 to 11, the oxidant solution is added with aerosil.
0 to 1 80 [mpa. s] and a moisture content ranging from 0.5 [wt%] to 5.0 [wt%].
また、請求項13記載の発明は、回路または低インピーダンス損失線路に係り、請求項1から請求項12記載の低インピーダンス損失線路において、前記セパレータが、ビニロン、脂肪族ポリアミド、芳香族ポリアミド(アラミド)、半芳香族ポリアミド、ポリエチレンナフタレート、ポリアクリルニトリル、全芳香族ポリエステル、全芳香族ポリエステルアミド、全芳香族ポリエーテル、全芳香族ポリカーボネート、全芳香族ポリアゾメチン、ポリフェニレンスルフィド(
P P S) 、ポリ−p−フェニレンベンゾビスチアゾール( P B Z T ) 、ポリ−p−フェニレンベンゾビスオキサゾール( P B O ) 、ポリベンゾイミダゾール(
P B I ) 、ポリエーテルエーテルケトン( P E E K ) 、ポリアミドイミド( P A I ) 、ポリイミド、ポリテトラフルオロエチレン( P T F
E )、またはセルロース原料とする繊維から1種類以上を選択して150[μm]以下の厚さに形成される不織布から成ることを特徴としている。
The invention described in claim 13 relates to a circuit or a low impedance loss line. In the low impedance loss line according to claims 1 to 12, the separator is vinylon, aliphatic polyamide, aromatic polyamide (aramid). , Semi-aromatic polyamide, polyethylene naphthalate, polyacrylonitrile, wholly aromatic polyester, wholly aromatic polyester amide, wholly aromatic polyether, wholly aromatic polycarbonate, wholly aromatic polyazomethine, polyphenylene sulfide (
PPS), poly-p-phenylenebenzobisthiazole (PBZT), poly-p-phenylenebenzobisoxazole (PBO), polybenzimidazole (
PBI), polyetheretherketone (PEEK), polyamideimide (PAI), polyimide, polytetrafluoroethylene (PTF)
E), or a nonwoven fabric formed by selecting one or more types of fibers used as a cellulose raw material and having a thickness of 150 [μm] or less.
また、請求項14記載の発明は、回路または低インピーダンス損失線路に係り、請求項1から請求項13記載の低インピーダンス損失線路において、前記セパレータのバインダーとして、湿熱融着樹脂であるポバールまたは熱融着樹脂であるポリエステルを用いることを特徴としている。 Further, the invention described in claim 14 relates to a circuit or a low impedance loss line. In the low impedance loss line according to claims 1 to 13, as a binder for the separator, poval or heat fusion which is a wet heat fusion resin is used. It is characterized by using polyester which is a resin.
また、請求項15記載の発明は、回路または低インピーダンス損失線路に係り、請求項1から請求項14記載の低インピーダンス損失線路において、前記誘電体酸化皮膜が、前記電解質を形成するための重合反応工程の前後または重合反応工程の後に、化成液に5分から120分間浸漬して化成または修復化成されることを特徴としている。 The invention described in claim 15 relates to a circuit or a low impedance loss line. In the low impedance loss line according to claims 1 to 14, the dielectric oxide film is a polymerization reaction for forming the electrolyte. Before or after the process or after the polymerization reaction process, the film is immersed in a chemical conversion solution for 5 to 120 minutes for chemical conversion or repair chemical conversion.
また、請求項16記載の発明は、回路または低インピーダンス損失線路に係り、請求項1から請求項15記載の低インピーダンス損失線路において、前記化成液が、リン酸二水素アンモニウム、リン酸水素二アンモニウム等のリン酸系の化成液、ホウ酸アンモニウム等のホウ酸系の化成液、アジピン酸アンモニウム等のアジピン酸系の化成液であることを特徴としている。 The invention according to claim 16 relates to a circuit or a low impedance loss line. In the low impedance loss line according to claims 1 to 15, the chemical liquid is ammonium dihydrogen phosphate, diammonium hydrogen phosphate. It is characterized by being a phosphoric acid-based chemical conversion liquid such as ammonium borate, a boric acid-based chemical conversion liquid such as ammonium borate, or an adipic acid-based chemical conversion liquid such as ammonium adipate.
また、請求項17記載の発明は、回路または低インピーダンス損失線路に係り、請求項1から請求項16記載の低インピーダンス損失線路において、前記陽極箔と前記陰極箔との間に前記セパレータを介した状態の積層体が、化成または重合反応工程の前にシクロヘキサノン、アセトン、メチルエチルケトン等のケトン系溶媒に5 [wt%]から8
[wt%]のポリイミドシリコンを溶解したポリイミドシリコン溶液に浸漬されることを特徴としている。
The invention described in claim 17 relates to a circuit or a low impedance loss line. In the low impedance loss line according to claims 1 to 16, the separator is interposed between the anode foil and the cathode foil. The laminated body in a state is added to a ketone solvent such as cyclohexanone, acetone, methyl ethyl ketone or the like before the chemical conversion or polymerization reaction step.
It is characterized by being immersed in a polyimide silicon solution in which [wt%] polyimide silicon is dissolved.
孤立電磁波コンセプトに基づく本発明を部品または印刷配線基板に適用すると、スイッチング素子によって励起される電磁波の漏洩が大幅に抑圧されるために、スイッチング素子が使用されている機器の電磁環境適合性(EMC)を大幅に向上させることが可能となる。 When the present invention based on the isolated electromagnetic wave concept is applied to a component or a printed wiring board, leakage of electromagnetic waves excited by the switching element is greatly suppressed, so that the electromagnetic compatibility (EMC) of the equipment in which the switching element is used (EMC) ) Can be greatly improved.
孤立電磁波コンセプトに基づく本発明を部品または印刷配線基板に適用すると、スイッチング素子によって励起される電磁波の漏洩が大幅に抑圧されるために、アナログ回路とディジタル回路の混在設計が容易になる。 When the present invention based on the isolated electromagnetic wave concept is applied to a component or a printed wiring board, leakage of electromagnetic waves excited by the switching element is greatly suppressed, so that mixed design of analog circuits and digital circuits becomes easy.
孤立電磁波コンセプトに基づく本発明を部品または印刷配線基板に適用すると、高速スイッチング素子を使用する情報技術装置、ディジタルデータ通信機器、並びに高周波DC−DCコンバータの直流電源分配回路に使用し、小型軽量化、低コスト化、高変換効率化、高信号品位(シグナルインテグリティ)化、および高電磁環境適合性(EMC)化を両立させることが可能となる。 When the present invention based on the isolated electromagnetic wave concept is applied to a component or a printed wiring board, it is used in an information technology device using a high-speed switching element, a digital data communication device, and a direct-current power distribution circuit of a high-frequency DC-DC converter, thereby reducing size and weight Therefore, it is possible to achieve both cost reduction, high conversion efficiency, high signal quality (signal integrity), and high electromagnetic compatibility (EMC).
以下、本発明に係る 最良の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。 DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, the best embodiment according to the invention will be described in detail with reference to the drawings.
(実施の形態1)
図4は、低インピーダンス損失線路の一例である。
(Embodiment 1)
FIG. 4 is an example of a low impedance loss line.
図4において、低インピーダンス損失線路は、陽極箔15、誘電体酸化皮膜16、18、陰極箔19、およびセパレータおよび含浸された固体電解質層17によって構成されている。 In FIG. 4, the low impedance loss line is composed of an anode foil 15, dielectric oxide films 16 and 18, a cathode foil 19, a separator and an impregnated solid electrolyte layer 17.
図5は、低インピーダンス損失線を使用するディジタル基本回路の等価回路の一例である。 FIG. 5 is an example of an equivalent circuit of a digital basic circuit using a low impedance loss line.
図5において、低インピーダンス損失線を使用するディジタル基本回路の等価回路は、直流電源4、プッシュプル回路1および14、プッシュプル回路1を構成するPチャネルMOS FET2およNチャネルMOS FET3、電源線路5および12、低インピーダンス損失線路13,、ならびに信号線路6から構成されている。図10において、電源線路5と信号線路6の特性インピーダンスは等しいと仮定する。 In FIG. 5, an equivalent circuit of a digital basic circuit using a low impedance loss line includes a DC power supply 4, push-pull circuits 1 and 14, a P-channel MOS FET 2 and an N-channel MOS FET 3 constituting the push-pull circuit 1, and a power line. 5 and 12, a low impedance loss line 13, and a signal line 6. In FIG. 10, it is assumed that the characteristic impedances of the power line 5 and the signal line 6 are equal.
図5において、プッシュプル回路1のオン状態とオフ状態の定義は前述と同様であり、伝送線路上の電界と伝送線路の電位との関係は電磁気学に従う。 In FIG. 5, the definition of the ON state and the OFF state of the push-pull circuit 1 is the same as described above, and the relationship between the electric field on the transmission line and the potential of the transmission line follows electromagnetics.
プッシュプル回路1がオフからオンに変化する時の信号線路6の電位波形と、信号線路6上を進む孤立電界波形、並びに電源線路5の電位波形と電源線路5上を進む孤立電界波形は、前述と同様である。従って、図5の回路の動作説明には図2と図3の波形を使用する。 The potential waveform of the signal line 6 when the push-pull circuit 1 changes from off to on, the isolated electric field waveform traveling on the signal line 6, and the potential waveform of the power line 5 and the isolated electric field waveform traveling on the power line 5 are as follows: Same as above. Therefore, the waveforms of FIGS. 2 and 3 are used to explain the operation of the circuit of FIG.
図2、図3、および図5において、プッシュプル回路1がオフからオンに変化したときの孤立電界波の伝送線路上の進行の様子と伝送線路の電位変化は前述の通りである。 2, 3, and 5, the state of the isolated electric field wave traveling on the transmission line and the change in the potential of the transmission line when the push-pull circuit 1 changes from off to on are as described above.
図5において、低インピーダンス損失線路13が信号線路6に対して1/100以下または10[mΩ] 以下の特性インピーダンスを有していると、電源線路5の電源側の端部に理想電源である直流電源4が接続されている図1の場合とほぼ同様に、電源線路5上を進行する孤立電磁波は低インピーダンス損失線路13の端部で、反射し、信号線路6上に励起された孤立電磁波と同極性となり、電源線路5および信号線路6の電位をE/2[V]からほぼE[V]に上昇させつつ進行し、整合終端抵抗7で消滅する。 In FIG. 5, when the low impedance loss line 13 has a characteristic impedance of 1/100 or less or 10 [mΩ] or less with respect to the signal line 6, it is an ideal power source at the power source side end of the power line 5. The isolated electromagnetic wave traveling on the power line 5 is reflected at the end of the low impedance loss line 13 and excited on the signal line 6 in substantially the same manner as in FIG. It progresses while raising the potential of the power supply line 5 and the signal line 6 from E / 2 [V] to almost E [V], and disappears at the matching termination resistor 7.
しかし、低インピーダンス損失線路13の特性インピーダンスはゼロではないので電源線路5を進行する孤立電磁波の一部が低インピーダンス損失線路13に侵入する。 However, since the characteristic impedance of the low impedance loss line 13 is not zero, a part of the isolated electromagnetic wave traveling through the power supply line 5 enters the low impedance loss line 13.
放射電力Pを有する線形電磁波がアンテナから放射されたときのr[m]の距離での電界強度Eは、IEC CISPR16−2−3に示されている次式から求めることが出来る。 The electric field intensity E at a distance r [m] when a linear electromagnetic wave having radiated power P is radiated from the antenna can be obtained from the following equation shown in IEC CISPR 16-2-3.
例えば家庭内使用を目的とするクラスB情報技術装置から10[m]の距離での妨害波電界強度の許容値は、VCCI(CISPR22)で決められており、30[MHz]から230[MHz]で30[dBμV/m]、230[MHz]から1[GHz]で37[dBμV/m]である。式(14)から、例えば230[MHz]での許容放射電力値を求めると、2[nW]となる。 For example, the permissible value of the interference wave electric field strength at a distance of 10 [m] from a class B information technology device intended for home use is determined by VCCI (CISPR22), and is from 30 [MHz] to 230 [MHz]. 30 [dBμV / m] and 230 [MHz] to 1 [GHz] and 37 [dBμV / m]. From the equation (14), for example, the allowable radiated power value at 230 [MHz] is 2 [nW].
図5の低インピーダンス損失線を使用するディジタル基本回路の等価回路において、プッシュプル回路1が100[W]の消費電力を有する半導体集積回路に20個の電源端子が設けられており1個の電源端子で5Wの電力を分担しているとし、低インピーダンス損失線路13の特性インピーダンスが電源線路の特性インピーダンスの1/100であると仮定する。このとき、プッシュプル回路1がオンする瞬間にB点またはC点の電位は、直流電源4の電圧(E[V])の100/101であるので、通信を行うのにほぼ充分な値となる。従って、電源分配回路の影響によるシグナルインテグリティの劣化は生じない。 In the equivalent circuit of the digital basic circuit using the low impedance loss line in FIG. 5, the push-pull circuit 1 is provided with 20 power terminals in a semiconductor integrated circuit having a power consumption of 100 [W]. It is assumed that 5 W of power is shared by the terminals, and the characteristic impedance of the low impedance loss line 13 is 1/100 of the characteristic impedance of the power line. At this time, since the potential at the point B or C is 100/101 of the voltage (E [V]) of the DC power supply 4 at the moment when the push-pull circuit 1 is turned on, the potential is almost sufficient for communication. Become. Therefore, there is no degradation of signal integrity due to the influence of the power distribution circuit.
このときの孤立電界波8が信号線路6の電位を0[V]から(100E/101)[V]まで上昇させるエネルギーと、電源線路5に向かう孤立電界波が電源線路の電位をE[V]から(100E/101)[V]まで降下させるエネルギーの比は0.0201であって、特性インピーダンスの比の約2倍となる。なお、信号線路に向かう孤立電界波の振幅と電源線路に向かう孤立電界波の振幅との比は、前記電力の比の平方根であるので約0.14となる。 At this time, the isolated electric field wave 8 increases the potential of the signal line 6 from 0 [V] to (100E / 101) [V], and the isolated electric field wave directed to the power supply line 5 sets the potential of the power supply line E [V ] To (100E / 101) [V] is 0.0201, which is about twice the characteristic impedance ratio. Note that the ratio of the amplitude of the isolated electric field wave toward the signal line and the amplitude of the isolated electric field wave toward the power line is about 0.14 because it is the square root of the ratio of the power.
従って、低インピーダンス損失線路13には0.1[W]の電磁エネルギーが侵入することになる。この電磁エネルギーのネルギーの0.1%が大気中に放され、放射するまでの過程で多くの箇所で反射を繰り返すことによってその0.1%のエネルギーが230[MHz]から1[GHz]の間の1つの周波数に存在すると過程した場合の電磁エネルギーは0.1[μW]であり、クラスB情報技術装置の前記許容放射電力値2[nW]を大幅に上回る。 Accordingly, 0.1 [W] electromagnetic energy enters the low impedance loss line 13. 0.1% of the energy of this electromagnetic energy is released into the atmosphere, and the energy of 0.1% is reduced from 230 [MHz] to 1 [GHz] by repeating reflection at many points until it radiates. The electromagnetic energy when it is assumed to exist at one frequency between them is 0.1 [μW], which greatly exceeds the allowable radiated power value 2 [nW] of the class B information technology device.
図5の低インピーダンス損失線路13を使用するディジタル基本回路の等価回路において、低インピーダンス損失線路13が、電源線路の特性インピーダンスの1/100の特性インピーダンスと1000 [nep/m]の減衰定数を有し、実効線路長が8[mm]である場合は、低インピーダンス損失線路13に侵入する電磁エネルギーは前述と同じ0.1[W]であるが、低インピーダンス損失線路13を透過する電磁エネルギーは、式(9)に前記減衰定数αの値と長さz(=8×10−3)の値を代入して得られる透過係数(S21)を0.1[W]に掛けて0.034[nW]となり、クラスB情報技術装置の前記許容放射電力値2[nW]を大幅に下回る。従って、本特許に依れば、ディジタル機器にEMC対策部品や電磁シールド材を使用しなくても、EMC問題は生じないと考えられる。 In the equivalent circuit of the digital basic circuit using the low impedance loss line 13 of FIG. 5, the low impedance loss line 13 has a characteristic impedance 1/100 of the characteristic impedance of the power supply line and an attenuation constant of 1000 [nep / m]. When the effective line length is 8 [mm], the electromagnetic energy entering the low impedance loss line 13 is 0.1 [W] as described above, but the electromagnetic energy transmitted through the low impedance loss line 13 is The transmission coefficient (S 21 ) obtained by substituting the value of the attenuation constant α and the value of the length z (= 8 × 10 −3 ) into the equation (9) is multiplied by 0.1 [W] to 0. 034 [nW], which is significantly lower than the allowable radiated power value 2 [nW] of the class B information technology device. Therefore, according to this patent, even if EMC countermeasure parts and electromagnetic shielding materials are not used in digital equipment, it is considered that no EMC problem will occur.
(実施の形態2)
図6は、試作した低インピーダンス損失線路の一例である。
(Embodiment 2)
FIG. 6 is an example of a prototype low impedance loss line.
試作した低インピーダンス損失線路は、陰極箔50、弁作用金属を使用した陽極箔51、誘電体酸化皮膜52、固体電解質層53、および導電性ペースト層54とで構成され、弁陽極箔51は線路長方向に引き出されている。引き出された陽極箔51の線路長方向の両端が陽極端子となり、陰極箔50の線路長方向の両端が陰極端子となる。 The prototype low impedance loss line is composed of a cathode foil 50, an anode foil 51 using a valve action metal, a dielectric oxide film 52, a solid electrolyte layer 53, and a conductive paste layer 54. The valve anode foil 51 is a line. It is pulled out in the long direction. Both ends of the drawn anode foil 51 in the line length direction become anode terminals, and both ends of the cathode foil 50 in the line length direction become cathode terminals.
試作した低インピーダンス損失線路の幅は1[mm]で長さが4[mm]から16[mm]であり。エッチング処理が施されたアルミニウム箔が陽極箔51として使用されている。陽極箔51は235[μm]の厚さを有し、両面に約50[μm]の厚さのスポンジ状のエッチング加工が施され、エッチング表面には約10[nm]の厚さの酸化アルミニウム被膜が化成処理によって形成され、エッチング部に固体電解質であるポリピロールが含浸されている。 The prototype low impedance loss line has a width of 1 [mm] and a length of 4 [mm] to 16 [mm]. An aluminum foil that has been etched is used as the anode foil 51. The anode foil 51 has a thickness of 235 [μm], and has a sponge-like etching process with a thickness of about 50 [μm] on both sides, and an aluminum oxide with a thickness of about 10 [nm] on the etched surface. A film is formed by chemical conversion treatment, and the etched portion is impregnated with polypyrrole, which is a solid electrolyte.
ポリピロールの上に約30[μm]の厚さにカーボングラファイトが塗布され、その上に約50[μm]の銀ペーストが塗布されて、銅板の陰極箔が接着されている。ポリピロールの実効導電率を1.5×104[S/m]、絶縁体として使用する酸化アルミニウムの比誘電率を 8.5と見なしている。 Carbon graphite is applied to a thickness of about 30 [μm] on polypyrrole, and a silver paste of about 50 [μm] is applied thereon, and a cathode foil of a copper plate is adhered. The effective conductivity of polypyrrole is assumed to be 1.5 × 10 4 [S / m], and the relative dielectric constant of aluminum oxide used as an insulator is assumed to be 8.5.
図7は、試作した低インピーダンス損失線路の透過係数S21の周波数特性の一例である。 Figure 7 is an example of the frequency characteristics of the transmission coefficient S 21 of the low impedance loss line prototyped.
図7には、低インピーダンスを有する損失線路の部分の長さを4[mm]、8[mm]、16[mm]および24[mm]としたときのS21特性が示されている。長さが16[mm]と24[mm]については幅が1[mm]
および1.5[mm]としたとき、長さが4[mm]と8[mm]については幅が1.5[mm]としたときの特性が示されている。併せて、従来の2種類のチップセラミックコンデンサの特性も示されている。
Figure 7 is a length of the portion of the loss line having a low impedance 4 [mm], 8 [mm ], S 21 characteristics are shown when the 16 [mm] and 24 [mm]. For lengths of 16 [mm] and 24 [mm], the width is 1 [mm]
When the width is 1.5 [mm], the length is 4 [mm] and 8 [mm], and the characteristics when the width is 1.5 [mm] are shown. In addition, the characteristics of two conventional chip ceramic capacitors are also shown.
低インピーダンスを有する損失線路を構成する平行板の静電容量をCとすると、エッチングによる対向面積の拡大率kは、次式から得られる。 When the capacitance of the parallel plate constituting the loss line having a low impedance is C, the expansion ratio k of the facing area by etching can be obtained from the following equation.
周波数をf、静電容量をC[F]とするとコンデンサのインピーダンスZCは、 (2πfC)−1[Ω]であって、コンデンサが、特性インピーダンスが50[Ω]
の測定系の線路に並列に接続されたときの透過係数(S21C)は、次式から求めることが出来る。
When the frequency is f and the capacitance is C [F], the impedance Z C of the capacitor is (2πfC) −1 [Ω], and the capacitor has a characteristic impedance of 50 [Ω].
The transmission coefficient (S 21C ) when connected in parallel to the measurement system line can be obtained from the following equation.
試作した低インピーダンス損失線路は平行板線路構造であるので、特性インピーダンスは式(7)から求めることが出来る。但し、線路幅がエッチングにより拡大されているので、本実施の形態においては、式(7)中のwの代わりに拡大率kを考慮したwk1/2を使用すると、試作した低インピーダンス損失線路の特性インピーダンスは9.1×10−6と非常に小さい値になる。 Since the prototype low impedance loss line has a parallel plate line structure, the characteristic impedance can be obtained from Equation (7). However, since the line width is expanded by etching, in this embodiment, if wk 1/2 considering the expansion factor k is used instead of w in the equation (7), a prototype low impedance loss line The characteristic impedance of 9.1 × 10 −6 is a very small value.
試作した低インピーダンス損失線路の特性インピーダンスをZ1とすると、測定系の50[Ω]のケーブルに接続したときの反射の影響による試作した低インピーダンス損失線路への透過係数(S21R)は、次式から求めることが出来る。 When the characteristic impedance of the low impedance loss line prototyped and Z 1, the transmission coefficient of the prototype due to the influence of the reflection when connected to the cable 50 [Omega] of the measurement system to a low impedance loss line (S 21R), the following It can be obtained from the formula.
試作した低インピーダンス損失線路の端部間の距離をzとしたときの端部間の静電容量CTを CT0/zとし、周波数がfのときのCTのインピーダンスをZTとすると、周波から1[GHz]以上の高周波に亘る透過係数(S21T)は、次式から求めることが出来る。 The electrostatic capacitance C T between the ends when the distance between the ends of the low impedance loss line the prototype was z and C T0 / z, the frequency is the impedance of C T when the f and Z T, The transmission coefficient (S 21T ) over a high frequency of 1 [GHz] or higher from the frequency can be obtained from the following equation.
Z1の特性インピーダンスを有する損失線路を構成する絶縁体の導電率が無限大、半導体の導電率がσPである場合、絶縁体中を進行するインピーダンスZ1を有する電磁波の一部が固有インピーダンスZPを有する半導体中に侵入する。該半導体中に進行中にした電磁波はTEM波以外の通信に役立たない電磁波であって全てが損失となる。半導体の導電率を実際に損失に関わる割合で修正した値を半導体の実効導電率と定義すると、実効導電率 σ
P1は次式から求めることができる。
When the conductivity of the insulator constituting the loss line having the characteristic impedance of Z 1 is infinite and the conductivity of the semiconductor is σ P , a part of the electromagnetic wave having the impedance Z 1 traveling through the insulator is a specific impedance. penetrating into the semiconductor having a Z P. The electromagnetic waves in progress in the semiconductor are electromagnetic waves that are not useful for communication other than TEM waves, and all of them are lost. When the effective conductivity of a semiconductor is defined as the value obtained by correcting the conductivity of the semiconductor with the actual loss-related ratio, the effective conductivity σ
P1 can be obtained from the following equation.
実効導電率がσ P1のときの減衰定数αP1は次式から求めることが出来る。 The attenuation constant α P1 when the effective conductivity is σ P1 can be obtained from the following equation.
試作した低インピーダンス損失線路の低周波から1[GHz]以上の高周波に亘るおおよその透過係数(S21A)は、S21αに式(23)から求めたαP1を代入して、次式から求めることが出来る。 The approximate transmission coefficient (S 21A ) from the low frequency of the prototype low impedance loss line to the high frequency of 1 [GHz] or more is obtained from the following equation by substituting α P1 obtained from the equation (23) into S 21α. I can do it.
線路幅を1[mm]とし、端子間静電容量を構成するCT0を5×10−20[F/m]とした場合の、試作した低インピーダンス損失線路の透過特性は以下のように求められる。
4[mm]長チップの場合は、100[kHz]で−36dB、1[MHz] で−53dB、10[MHz] で−65dB、100[MHz]
で−84dB、1[GHz] で−102dBとなる。8[mm]長チップの場合は、100[kHz]で−42dB、1[MHz] で−58dB、10[MHz] で−72dB、100[MHz]
で−107dB、1[GHz] で−108dBとなる。16[mm]長チップの場合は、100[kHz]で−48dB、1[MHz] で−63dB、10[MHz] で−83dB、100[MHz]
で−133dB、1[GHz] で−114dBとなる。24[mm]長チップの場合は、100[kHz]で−51dB、1[MHz] で−67dB、10[MHz] で−94dB、100[MHz]
で−138dB、1[GHz] で−117dBとなる。
The transmission characteristics of the prototype low-impedance loss line when the line width is 1 [mm] and CT0 that forms the inter-terminal capacitance is 5 × 10 −20 [F / m] are obtained as follows. It is done.
In the case of a 4 mm long chip, -36 dB at 100 [kHz], -53 dB at 1 [MHz], -65 dB at 100 [MHz], 100 [MHz]
-84 dB at 1 [GHz] and -102 dB. In the case of an 8 [mm] long chip, -42 dB at 100 [kHz], -58 dB at 1 [MHz], -72 dB at 100 [MHz], 100 [MHz]
-107 dB, and 1 [GHz] is -108 dB. In the case of a 16 [mm] long chip, -48 dB at 100 [kHz], -63 dB at 1 [MHz], -83 dB at 100 [MHz], 100 [MHz]
Becomes -133 dB and 1 [GHz] gives -114 dB. In the case of a 24 [mm] long chip, -51 dB at 100 [kHz], -67 dB at 1 [MHz], -94 dB at 10 [MHz], 100 [MHz]
-138 dB at 1 GHz and -117 dB at [GHz].
これらの特性は、図23の特性と大略一致する。実測と計算結果との間に生じる主な差異は、アルミニウム薄膜のエッチング部の構造が非常に複雑であるためである。電磁界シミュレーションを試みたが、エッチング部の構造のモデル化が非常に困難であるため、現在の技術水準では、シミュレーションによって正確な特性インピーダンスやS21特性を得ることは不可能である。従って、低インピーダンス損失線路の設計においては、式(24)を使用することが実用的であると考えられる。 These characteristics substantially coincide with the characteristics shown in FIG. The main difference between the actual measurement and the calculation result is that the structure of the etched portion of the aluminum thin film is very complicated. I tried electromagnetic field simulation, but for modeling of the structure of the etching unit is very difficult, at the present state of the art, it is not possible to obtain accurate characteristic impedance and S 21 characteristics by simulation. Therefore, it is considered practical to use Equation (24) in designing a low impedance loss line.
本発明は、半導体集積回路を内蔵する情報技術機器、マルチメディア機器並びに、スイッチング回路を内蔵する電力変換機器の高性能化、設計容易化と設計期間の短縮化、小型軽量化、低消費電力化、低コスト化、電磁干渉問題の解消又は低減、電磁のノイズによる誤動作の低減、および品質・信頼性向上を実現することが出来る。 The present invention provides high performance, easy design and shortened design period, reduction in size and weight, and reduction in power consumption of information technology equipment, multimedia equipment incorporating semiconductor integrated circuits and power conversion equipment incorporating switching circuits It is possible to realize cost reduction, elimination or reduction of electromagnetic interference problems, reduction of malfunction due to electromagnetic noise, and improvement of quality and reliability.
1
、14 プッシュプル回路
2
PチャネルMOS トランジスタ
3
NチャネルMOS トランジスタ
4
直流電源
5
、12 電源線路
6
信号線路
7
抵抗器
8
信号線路上の孤立電界波
9
信号線路の電位波形
10 電源線路上の孤立電界波
11 電源側の線路の電位波形
13 低インピーダンス損失線路
15 、51 陽極箔
16 、18、52 誘電体酸化皮膜
17 セパレータおよび含浸された固体電解質層
19 、50陰極箔
53 固体電解質層
54 導電性ペースト層
1
, 14 push-pull circuit
2
P-channel MOS transistor
Three
N-channel MOS transistor
Four
DC power supply
Five
12 Power line
6
Signal line
7
Resistor
8
Isolated electric field waves on signal lines
9
Signal line potential waveform
10 Isolated electric field waves on power lines
11 Potential waveform of power supply line
13 Low impedance loss line
15, 51 Anode foil
16, 18, 52 Dielectric oxide film
17 Separator and impregnated solid electrolyte layer
19, 50 cathode foil
53 Solid electrolyte layer
54 Conductive paste layer
Claims (17)
0 〜 1 8 0 [mpa.s]の粘度と、0 .5 [wt%]から5 .0 [wt%]の範囲の水分含有率を有していることを特徴とする、低インピーダンス損失線路 12. The low-impedance loss line according to claim 1, wherein the oxidizer solution is added with aerosil.
0 to 1 80 [mpa. s] and a moisture content ranging from 0.5 [wt%] to 5.0 [wt%], and having a low impedance loss line
P P S) 、ポリ−p−フェニレンベンゾビスチアゾール( P B Z T ) 、ポリ−p−フェニレンベンゾビスオキサゾール( P B O ) 、ポリベンゾイミダゾール(
P B I ) 、ポリエーテルエーテルケトン( P E E K ) 、ポリアミドイミド( P A I ) 、ポリイミド、ポリテトラフルオロエチレン( P T F
E )、またはセルロース原料とする繊維から1種類以上を選択して150[μm]以下の厚さに形成される不織布から成ることを特徴とする、低インピーダンス損失線路 The low impedance loss line according to any one of claims 1 to 12, wherein the separator is vinylon, aliphatic polyamide, aromatic polyamide (aramid), semi-aromatic polyamide, polyethylene naphthalate, polyacrylonitrile, wholly aromatic polyester, Wholly aromatic polyester amide, wholly aromatic polyether, wholly aromatic polycarbonate, wholly aromatic polyazomethine, polyphenylene sulfide (
PPS), poly-p-phenylenebenzobisthiazole (PBZT), poly-p-phenylenebenzobisoxazole (PBO), polybenzimidazole (
PBI), polyetheretherketone (PEEK), polyamideimide (PAI), polyimide, polytetrafluoroethylene (PTF)
E), or a low-impedance loss line comprising a non-woven fabric formed to a thickness of 150 [μm] by selecting one or more fibers from cellulose raw materials
[wt%]のポリイミドシリコンを溶解したポリイミドシリコン溶液に浸漬されることを特徴とする、低インピーダンス損失線路
17. The low impedance loss line according to claim 1, wherein the laminate with the separator interposed between the anode foil and the cathode foil is cyclohexanone, acetone, methyl ethyl ketone before the chemical conversion or polymerization reaction step. 5 [wt%] to 8 in ketone solvents such as
A low impedance loss line characterized by being immersed in a polyimide silicon solution in which [wt%] polyimide silicon is dissolved.
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