JP5477195B2 - コモンモードチョークコイル実装方法及びコモンモードチョークコイル実装構造 - Google Patents

Description

この発明は、差動伝送路上の輻射ノイズを抑制するためのコモンモードチョークコイル実装方法及びコモンモードチョークコイル実装構造に関するものである。

高速なデジタル信号を取り扱う電子機器は、クロック信号やクロック信号に同期して変化するデータ信号によって、ノイズを放射する。このため、コモンモードチョークコイル等のコモンモードチョークコイルを、差動伝送路等の差動伝送路やケーブル上に実装して、輻射ノイズを抑制するようにしている。
ところで、コモンモードチョークコイル等のコモンモードチョークコイルを差動伝送路に実装した際の位置とノイズ抑制効果との間には一定の関係がある。
そこで、コモンモードチョークコイルを、抑制対象であるノイズの周波数から算出した波長の４分の１の長さとなる位置間隔に配置することにより、十分なノイズ抑制効果を得るようにしたコモンモードチョークコイル実装技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９−０８９１２９号公報

しかし、上記した従来の技術では、次のような問題がある。
まず、送信側と受信側とを実際にケーブルで接続すると、送信側から伝送されたコモンモード電流等はコネクタやケーブルで反射されるので、その電流による定在波が発生する。この定在波は、基板上に形成された差動伝送路の曲がりや屈折、コネクタおよびケーブルの特性インピーダンス不整合等に関係する。このため、この定在波の波長の４分の１が。抑制対象とするノイズの周波数から算出した波長の４分の１の長さになることはほとんどない。したがって、上記従来の技術のように、コモンモードチョークコイルをノイズの周波数から算出した波長の４分の１の長さの間隔で配置しても、コモンモード電流による輻射ノイズを十分に抑制することができない。
そこで、差動伝送路の曲がりや屈折、コネクタおよびケーブルの特性インピーダンス不整合等を考慮し、コモンモードチョークコイルを、定在波が弱まると判断できる位置に配置することが考えられる。
しかしながら、コモンモードチョークコイルの小型化により、コモンモードチョークコイルを実装するためのランド間も狭ピッチ化されている。このため、送信側にて発生したコモンモード電流の大部分はコモンモードチョークコイルによって抑制されるが、ランド間の電磁気的結合によりコモンモード電流の一部が漏れ出してしまう。この漏れ出したコモンモード電流は差動伝送路を伝搬していくが、コネクタの特性インピーダンス不整合等により反射されるため、このコモンモード電流による定在波が、コモンモードチョークコイルとコネクタ間に発生する。この定在波はコモンモードであるため、輻射ノイズのノイズ源となる。したがって、このような漏れコモンモード電流を考慮せずに、コモンモードチョークコイルを配置しても、十分なノイズ抑制効果を期待することができない。
また、特許文献１に開示の技術のように、１対のコモンモードチョークコイル間をノイズの周波数から算出した波長の４分の１の長さに固定したものにあっては、前段のコモンモードチョークコイルが、送信側にて発生したコモンモード電流のほぼ全てを反射、吸収するので、後段のコモンモードチョークコイルは、ノイズ抑制コイルとして機能しないこととなる。さらに、コモンモードチョークコイルの差動伝送路への実装は、送信信号に対して挿入損失を与える。このため、複数のコモンモードチョークコイルを差動伝送路に配置すると、送信信号の波形が、コモンモードチョークコイルの個数分に応じて劣化し、送信信号の波形品質を維持することができなくなる。

この発明は、上述した課題を解決するためになされたもので、コモンモードチョークコイルから漏れるコモンモード電流をも考慮して、十分なノイズ抑制効果を図ったコモンモードチョークコイル実装方法及びコモンモードチョークコイル実装構造を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１の発明は、基板上のＩＣとコネクタとを接続する差動伝送路上に、コモンモードチョークコイルを配し、コモンモードチョークコイルの第１のコイルの両端に接続された第１の外部電極及び第２の外部電極を、差動伝送路を構成する第１の線路上に設けられた第１及び第２のランドにそれぞれ接続すると共に、コモンモードチョークコイルの第２のコイルの両端に接続された第３の外部電極及び第４の外部電極を、第２の線路上に設けられた第３及び第４のランドにそれぞれ接続することにより、コモンモードチョークコイルを差動伝送路に実装するコモンモードチョークコイル実装方法であって、コモンモード電流が差動伝送路上をＩＣからコモンモードチョークコイル側に向かって送られた際に、第１の線路の第１のランドと第２のランド間の電磁気的結合により、また、第２の線路の第３のランドと第４のランド間の電磁気的結合によって、第２のランド及び第４のランド側にそれぞれ誘起されたコモンモード電流とコネクタで反射されたコモンモード電流とが、打ち消し合い又は弱め合う位置を、シミュレーションで決定する第１の過程と、第１の過程で決定した位置に、第１〜第４のランドを形成し、コモンモードチョークコイルの第１〜第４の外部電極を、これら第１〜第４のランド上にそれぞれ接続する第２の過程とを備える構成とした。
かかる構成により、第１の過程におけるシミュレーションを実行することで、第２のランド及び第４のランド側にそれぞれ誘起されるコモンモード電流とコネクタで反射されたコモンモード電流とが打ち消し合い又は弱め合う位置が決定される。
しかる後、第２の過程を実行することで、第１の過程で決定した位置に、第１〜第４のランドが形成され、コモンモードチョークコイルの第１〜第４の外部電極が、これら第１〜第４のランド上にそれぞれ接続される。

また、請求項２の発明は、基板上のＩＣとコネクタとを接続する差動伝送路上に配されたコモンモードチョークコイルの第１のコイルの両端に接続された第１の外部電極及び第２の外部電極が、差動伝送路を構成する第１の線路上に設けられた第１及び第２のランドにそれぞれ接続されると共に、コモンモードチョークコイルの第２のコイルの両端に接続された第３の外部電極及び第４の外部電極が、第２の線路上に設けられた第３及び第４のランドにそれぞれ接続されたコモンモードチョークコイル実装構造であって、コモンモード電流が差動伝送路上をＩＣからコモンモードチョークコイル側に向かって送られる際に、第１の線路の第１のランドと第２のランド間の電磁気的結合により、また、第２の線路の第３のランドと第４のランド間の電磁気的結合によって、第２のランド及び第４のランド側にそれぞれ誘起されるコモンモード電流とコネクタで反射されたコモンモード電流とが、互いに打ち消し合い又は弱め合う位置に、第１〜第４のランドが形成され、且つコモンモードチョークコイルの第１〜第４の外部電極が、これら第１〜第４のランド上にそれぞれ接続されている構成とした。
かかる構成により、コモンモード電流をＩＣからコネクタ側に送ると、このコモンモード電流は、差動伝送路上のコモンモードチョークコイルによって吸収，反射される。したがって、ＩＣ側からコモンモードチョークコイルに至るコモンモード電流による輻射ノイズは、防止される。
しかし、ＩＣ側からのコモンモード電流がコモンモードチョークコイルの第１及び第３のランドに至ると、第１のランドと第２のランド間、及び第２の線路の第３のランドと第４のランド間で、電磁気的結合が生じ、新たなコモンモード電流が、第２のランド及び第４のランド側にそれぞれ誘起される。
このため、誘起されたコモンモード電流がコネクタ側に向かい、コネクタで反射したコモンモード電流と重なり、定在波が発生する。
このコモンモード電流の定在波は、輻射ノイズの発生源であり、その大きさに応じたノイズを輻射する。
しかし、この発明では、第２及び第４のランドからのコモンモード電流とコネクタで反射されたコモンモード電流とが、互いに打ち消し合い又は弱め合う位置に、コモンモードチョークコイルが接続されているので、コモンモード電流の定在波がこのコモンモードチョークコイルによって抑圧される。

以上詳しく説明したように、この発明のコモンモードチョークコイル実装方法によれば、第１の過程におけるシミュレーションによって、コモンモードチョークコイルを配置する最適な位置が決定されるので、第２の過程を実行することで、コモンモードチョークコイルを、輻射ノイズの発生を抑制可能な最適な位置に実装することができるという優れた効果がある。

また、この発明のコモンモードチョークコイル実装構造によれば、コモンモードチョークコイルの第２及び第４のランドからのコモンモード電流とコネクタで反射されたコモンモード電流とが、互いに打ち消し合い又は弱め合う位置に、コモンモードチョークコイルを接続して、コモンモード電流による定在波を抑圧する構造であるので、輻射ノイズの発生源を効率的に抑え込むことができるという優れた効果がある。

この発明の一実施例に係るコモンモードチョークコイル実装方法を示す過程図である。 コモンモードチョークコイル実装方法を説明するための斜視図である。 コモンモードチョークコイルと差動伝送路との電気的接続構造を示す平面図である。 ランドから漏れるコモンモード電流を説明するための概略平面図である。 第１の過程で行うシミュレーションの一例を説明するための平面図である。 放射電界強度を示す線図である。 放射磁界の分布図である。

以下、この発明の最良の形態について図面を参照して説明する。

（実施例１）
図１は、この発明の一実施例に係るコモンモードチョークコイル実装方法を示す過程図であり、図２は、コモンモードチョークコイル実装方法を説明するための斜視図であり、図３は、コモンモードチョークコイルと差動伝送路との電気的接続構造を示す平面図である。なお、この実施例に係るコモンモードチョークコイル実装方法は、この発明のコモンモードチョークコイル実装構造を具体的に実現する方法でもある。

図１に示すように、この実施例のコモンモードチョークコイル実装方法は、コモンモードチョークコイル位置決定過程Ｓ１と、コモンモードチョークコイル接続過程Ｓ２とを備えている。

コモンモードチョークコイル位置決定過程Ｓ１は、図２に示すように、コモンモードチョークコイル１を、送信側の基板１００上に配置する位置を決定するための過程である。
具体的には、送信ＩＣ１１０とコネクタ１２０とが基板１００上に設けられており、これら送信ＩＣ１１０とコネクタ１２０とが差動伝送路２によって接続されている。コモンモードチョークコイル位置決定過程Ｓ１では、コモンモードチョークコイル１を配置する位置Ｐ、即ち、差動伝送路２上、コネクタ１２０から距離Ｌだけ離れた位置Ｐを決定する。

コモンモードチョークコイル接続過程Ｓ２は、コモンモードチョークコイル１をコモンモードチョークコイル位置決定過程Ｓ１で決定された位置Ｐに接続する過程である。
具体的には、図３に示すように、差動伝送路２は、第１の線路としての線路２０−１と第２の線路として線路２０−２とで構成されている。そして、図３の丸囲み部Ａを拡大した丸囲み部Ｂに示すように、第１ないし第４のランドとしてのランド２１〜２４が、これら線路２０−１，２０−２上に形成されている。
コモンモードチョークコイル接続過程Ｓ２では、第１のコイルとしてのコイル１０−１の両端に接続された第１の外部電極としての外部電極１１と第２の外部電極としての外部電極１２とを、線路２０−１のランド２１，２２にそれぞれ接続する。そして、第２のコイルとしてのコイル１０−２の両端に接続された第３の外部電極としての外部電極１３と第４の外部電極としての外部電極１４とを、線路２０−２のランド２３，２４にそれぞれ接続する。

この実施例では、上記コモンモードチョークコイル位置決定過程Ｓ１は、次の第１の過程を実行することで行われる。
第１の過程は、コモンモードチョークコイル１の配置位置Ｐをシミュレーションによって決定する過程である。
ここで、この過程について詳細に説明する。
図４は、ランドから漏れるコモンモード電流を説明するための概略平面図である。
図４の（ａ）に示すように、送信ＩＣ１１０側からのコモンモード電流Ｉ，Ｉとコネクタ１２０で反射されたコモンモード電流−Ｉ，−Ｉとが重なると、定在波が形成される。そこで、コモンモードチョークコイル１を、この定在波の４分の１波長だけコネクタ１２０から離れた位置、即ちコネクタ１２０から距離Ｍに位置Ｑに配置することで、送信ＩＣ１１０側からのコモンモード電流Ｉ，Ｉを、コモンモードチョークコイル１で反射，吸収することができる。
しかし、高周波信号の使用に伴い、差動伝送路２のランド２１，２３とランド２２，２４とのピッチが狭くなっており、ランド２１とランド２２間、及びランド２３とランド２４間で、電磁気的結合が生じる。このため、図４の（ｂ）に示すように、新たなコモンモード電流Ｉ，Ｉがランド２２及びランド２４側にそれぞれ誘起され、送信ＩＣ１１０側からのコモンモード電流Ｉ，Ｉが、コモンモードチョークコイル１からコネクタ１２０側に向かって漏れた状態になる。
これにより、図４の（ｃ）に示すように、誘起されたコモンモード電流Ｉ，Ｉが差動伝送路２上をコネクタ１２０側に向かい、コネクタ１２０で反射する。そして、コネクタ１２０で反射したコモンモード電流−Ｉ，−Ｉと誘起されたコモンモード電流Ｉ，Ｉとが差動伝送路２上でと重なり合い、定在波が発生する。
コモンモードチョークコイル１をこの定在波の４分の１波長の位置に配することで、定在波の大きさを抑圧することができる。このとき、コモンモード電流Ｉ，Ｉの４分の１波長の長さが定在波の４分の１波長の長さと一致するものと想定して、コモンモードチョークコイル１を決定することも考えられる。しかし、実際には、差動伝送路２の曲がりや屈折、及びコネクタ１２０と伝送ケーブル３００の特性インピーダンスとの不整合等により、コモンモード電流Ｉ，Ｉの４分の１波長が定在波の４分の１波長と一致することはほとんどない。
そこで、コモンモードチョークコイル１を、誘起されたコモンモード電流Ｉ，Ｉとコネクタ１２０で反射されたコモンモード電流−Ｉ，−Ｉとが打ち消し合い又は弱め合う位置に配することで、定在波は抑圧されるので、第１の過程では、その位置をシミュレーションで計算して決定することとした。

図５は、第１の過程で行うシミュレーションの一例を説明するための平面図であり、図６は、放射電界強度を示す線図であり、図７は、放射磁界の分布図である。
このシミュレーションでは、図５の（ａ）に示すように、送信側の基板１００のサイズＷ１×Ｗ２を５０ｍｍ×２００ｍｍに設定し、差動伝送路２の線路２０−１，２０−２をマイクロストリップ線路とした。また、受信側の基板２００のサイズも基板１００と同値に設定し、差動伝送路３の線路３０−１，３０−２もマイクロストリップ線路とした。そして、送信側の基板１００のコネクタ１２０と受信側の基板２００のコネクタ２２０とを長さ５００ｍｍの伝送ケーブル３００で接続した構成とした。なお、このシミュレーション例では、差動伝送路２，３は、所望の特性インピーダンス整合がなされており、不整合がないように終端されている。また、基板１００及び基板２００からの放射電界はシールドにより抑制されている。

かかる条件で、１ＧＨｚ〜５ＧＨｚのコモンモード電流を差動伝送路２の入力端部２０ａ，２０ｂから線路２０−１，２０−２に入力して、伝送ケーブル３００から放射される３ｍ先での電界強度（ｄＢ）を計算させたところ、図６の破線で示す曲線Ｅ１の如き結果を得た。

次に、図５の（ｂ）に示すように、ランド２１〜２４を、基板１００の差動伝送路２上の任意の位置Ｐ′に設定し、コモンモード電流がランド２２，２４側に漏れるものと想定した。そして、コモンモードチョークコイル１をランド２１〜２４上に接続させた条件下で、上記と同様の計算をさせたところ、図６の二点鎖線で示す曲線Ｅ２の如き結果を得た。
曲線Ｅ１と曲線Ｅ２とを比較すれば明らかなように、コモンモードチョークコイル１を設けることで、伝送ケーブル３００からの放射電界強度を減少させることができる。
しかし、図７の（ａ）に示すように、コモンモードチョークコイル１を位置Ｐ′に配置する設定では、コモンモードチョークコイル１とコネクタ１２０との間の差動伝送路２に強い磁界が発生してしまう。これは、ランド２２，２４側にコモンモード電流が形成する定在波によるものである。

次いで図５の（ｃ）に示すように、ランド２１〜２４の設定位置を変化させていき、コネクタ１２０から距離Ｌだけ離れた位置Ｐに設定した。そして、コモンモードチョークコイル１を接続した条件下で、上記と同様の計算をさせたところ、図６の実線で示す曲線Ｅ３の如き結果を得た。
この曲線Ｅ３と曲線Ｅ２とを比較すれば明らかなように、コモンモードチョークコイル１を位置Ｐに設けることで、伝送ケーブル３００からの放射電界強度は、著しく減少する。しかも、図７の（ｂ）に示すように、コモンモードチョークコイル１とコネクタ１２０との間の差動伝送路２の磁界も、著しく減少している。これは、コモンモードチョークコイル１を、ランド２２，２４からコモンモード電流とコネクタ１２０で反射したコモンモード電流とが打ち消し合い又は弱め合う位置に配されたことを示す。

以上のように、コモンモードチョークコイル１の配置位置を変化させてシミュレーションを行い、差動伝送路２からの放射磁界や伝送ケーブル３００からの放射電界が最も弱い位置を探し当てることで、結果的に、コモンモード電流とコネクタ１２０で反射したコモンモード電流とが打ち消し合い又は弱め合う位置を探し当てることができる。

この実施例では、上記コモンモードチョークコイル接続過程Ｓ２は、次の第２の過程を実行することで行われる。
第２の過程は、第１の過程で決定した位置Ｐに、ランド２１〜２４を形成し、コモンモードチョークコイル１をランド２１〜２４上に実装する過程である。
具体的には、図３に示すように、ランド２１〜２４を、基板１００上の送信ＩＣ１１０とコネクタ１２０との間に接続された差動伝送路２上に実際に形成する。そして、コモンモードチョークコイル１のコイル１０−１の両端に接続された外部電極１１，１２を、線路２０−１のランド２１，２２にそれぞれ接続すると共に、コイル１０−２の両端に接続された外部電極１３，１４を、線路２０−２のランド２３，２４にそれぞれ接続する。

以上のように、この実施例のコモンモードチョークコイル実装方法を実行することで、図２及び図３に示すようなコモンモードチョークコイル実装構造を実現することができる。
したがって、図２に示すように、このコモンモードチョークコイル実装構造を有する送信側の基板１００を伝送ケーブル３００を通じて受信側の基板２００に接続することで、高速な差動信号を基板２００のＩＣ２１０に伝送することができる。
そして、コモンモード電流が、送信ＩＣ１１０で生じると、コモンモードチョークコイル１によって、反射又は吸収される。
さらに、このコモンモード電流が、差動伝送路２のランド２２，２４から漏れている場合には、このコモンモード電流による定在波が、コモンモードチョークコイル１によって抑圧され、輻射ノイズの発生が抑制される。

１…コモンモードチョークコイル、 ２，３…差動伝送路、 １０−１，１０−２…コイル、 １１〜１４…外部電極、 ２０−１，２０−２，３０−１，３０−２…線路、 ２１〜２４…ランド、 １００，２００…基板、 １２０，２２０…コネクタ、 ３００…伝送ケーブル、 Ｉ，Ｉ…コモンモード電流、 １１０，２１０…ＩＣ、 Ｐ，Ｐ′…位置、 Ｓ１…コモンモードチョークコイル位置決定過程、 Ｓ２…コモンモードチョークコイル接続過程。

Claims (2)

1. 基板上のＩＣとコネクタとを接続する差動伝送路上に、コモンモードチョークコイルを配し、当該コモンモードチョークコイルの第１のコイルの両端に接続された第１の外部電極及び第２の外部電極を、上記差動伝送路を構成する第１の線路上に設けられた第１及び第２のランドにそれぞれ接続すると共に、コモンモードチョークコイルの第２のコイルの両端に接続された第３の外部電極及び第４の外部電極を、第２の線路上に設けられた第３及び第４のランドにそれぞれ接続することにより、コモンモードチョークコイルを差動伝送路に実装するコモンモードチョークコイル実装方法であって、
   コモンモード電流が上記差動伝送路上を上記ＩＣから上記コモンモードチョークコイル側に向かって送られた際に、上記第１の線路の第１のランドと第２のランド間の電磁気的結合により、また、上記第２の線路の第３のランドと第４のランド間の電磁気的結合によって、当該第２のランド及び第４のランド側にそれぞれ誘起されたコモンモード電流と上記コネクタで反射された当該コモンモード電流とが、打ち消し合い又は弱め合う位置を、シミュレーションで決定する第１の過程と、
   上記第１の過程で決定した位置に、上記第１〜第４のランドを形成し、上記コモンモードチョークコイルの第１〜第４の外部電極を、これら第１〜第４のランド上にそれぞれ接続する第２の過程と
   を備える、ことを特徴とするコモンモードチョークコイル実装方法。
2. 基板上のＩＣとコネクタとを接続する差動伝送路上に配されたコモンモードチョークコイルの第１のコイルの両端に接続された第１の外部電極及び第２の外部電極が、上記差動伝送路を構成する第１の線路上に設けられた第１及び第２のランドにそれぞれ接続されると共に、コモンモードチョークコイルの第２のコイルの両端に接続された第３の外部電極及び第４の外部電極が、第２の線路上に設けられた第３及び第４のランドにそれぞれ接続されたコモンモードチョークコイル実装構造であって、
   コモンモード電流が上記差動伝送路上を上記ＩＣから上記コモンモードチョークコイル側に向かって送られる際に、上記第１の線路の第１のランドと第２のランド間の電磁気的結合により、また、上記第２の線路の第３のランドと第４のランド間の電磁気的結合によって、当該第２のランド及び第４のランド側にそれぞれ誘起されるコモンモード電流と上記コネクタで反射された当該コモンモード電流とが、互いに打ち消し合い又は弱め合う位置に、上記第１〜第４のランドが形成され、且つ上記コモンモードチョークコイルの第１〜第４の外部電極が、これら第１〜第４のランド上にそれぞれ接続されている、
   ことを特徴とするコモンモードチョークコイル実装構造。

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