DC 抵抗の測定

by Dr. Howard Johnson

さて、あなたは洒落た新しいプロセッサ・チップの下の電源とグランドのプレーンに何百もの小さいビア・ホールを開けたところだ。それはスイス・チーズのかけらのように見える。電圧レギュレータの出力では 1.10V が出ているが、CPU のところでは 1.03V しかない。観察された DC 電圧降下のどれだけの割合がプレーンの穴の開いた部分によるもので、どれだけが電圧レギュレータ・モジュールへの総体的な形状と距離によるものであるかは、どのようにすればわかるだろうか?

任意の導電性の物体の DC 抵抗は、物体の両側の電圧をそれを通過する電流で割ったものに等しい。 2端子のディスクリートのコンポーネントについては、測定方法は単純そうに見える: コンポーネントの外部リードを電流源に接続し、コンポーネントの両側の電圧を測定する。

だが、それは本当にそれほど単純なことだろうか? 1/4W アキシャル抵抗を考えて見よう。もし両側に1インチのリードが付いていれば、あなたは測定にどれだけの長さのリードを含めるだろうか? 電圧プローブをコンポーネント本体の直近に当てて測る、それとも延ばしたリードの先端に当てて測るだろうか? この例では、その差は 1mΩ 程度となる。もし 10kΩ の抵抗を測定しているのであればその違いは無視できそうであるが、もし 1mΩ に過ぎない抵抗を測定しているのであればその違いは非常に大きなものとなる。一般的な規則として、アキシャル部品を測定する時には、最終製品で使用されるであろうものと同じリード長、そして基準面からの高さで測定を行なうべきである。

拡がった電源とグランドのプレーンの DC 抵抗を測定する時、同様の考察が当て嵌まる。実際の製品が用いるであろうものと同じ形でプレーンに電流を分布させなければならない。これには電源システムのデバッグのために最適化された試験用モードで動作するプロセッサ自身を用いるのが最良である。残念ながら、ほとんどのオペレーティング・システム・ソフトウェアは変動する電流を吸い込み、測定を厄介にする。この困難を回避するために、CPU がタイトな繰り返しループを実行するようにプログラムする。もしそれが中断なしに持続的に動作し、正確に同じ命令を延々と実行するならば、プロセッサが吸い込む電流は同じ繰り返し波形となるであろう。その波形の電力スペクトラム密度は、DC 成分、繰り返し周波数の一次高調波、そして繰り返し周波数の倍数の高調波を含むであろう。その DC 成分は変動しないだろう。もしその試験ループが充分に安定していれば、どの普通のデジタル・マルチ・メータにも組み込まれている低域通過フィルタはその高調波成分全てを容易に排除し、非常に安定した結果を示す。勿論、もしリセット状態に保持されている時に CPU が充分な定常電流を吸い込むならば、単にそうすることもできる。

Figure 1: 電源システムに沿った電圧降下の直接的な測定は異なる点での電源とグランドのあいだの電圧の間接的な比較よりも正確である。

試験に際して、プレーン間の電圧ではなく、それぞれのプレーン上での電圧降下を測定することを推奨する。プレーン間の電圧を測定する時は、まず電圧レギュレータの出力を見て、 CPU の入力での電圧と比較することになるが、その値は 1.10V と 1.03V のあいだの差を示すかも知れない。その電圧降下はマルチ・メータの出力の有効桁の3桁目に現れ、精度を制限する。電圧レギュレータの正の出力ピンから CPU の電源入力ピンの間の電圧を測定して電源プレーンだけの電圧降下を直接測定する時 (Figure 1)、同じ計器がより敏感なレンジに設定され、 46.7mV の降下を、そしてグランド・プレーンでの 23.3mV の降下を示し、トータルで 70.0mV の降下となるかも知れない。それぞれのプレーンでの電圧降下を個別に測定することは、非常に高感度で、正確なプロシージャである。このテクニックにより、プーレン、BGA ボール、そしてもしプロセッサに外部からアクセスできる電圧検出接続があればおそらくはシリコンまでの経路にあるダイのボンドワイヤやボールを含む BGA 基板での個別の電圧降下を知ることができる。

ここまで電圧降下について話してきたが、電流はどのように決定するか? これはある種の校正を必要とする。私は、ベア・ボードで作業し、電源プレーン・レイアウトの一部に既知の電流を意図的に注入することを好む。私は、電源レギュレータの近くの、望ましくは電流が1つの隘路に集中する場所を選ぶ。その隘路においては、電流がどこを流れるかはレイアウトを見るだけでわかる; スイス・チーズのクリアランス・ホールの周囲に拡がる電流を案ずる必要はない。その隘路の両側の電圧降下を測定する。この部分での電圧降下は電流に比例することを認識すれば、実際のシステムで実際の電流で得られる測定値と相関させることができる。レイアウトに適当な隘路がないならば、電圧レギュレータの出力の接続を切り、直列に短いワイヤを挿入する。 16ゲージの銅のワイヤは、1インチ当たりおおよそ 0.8mΩ の DC 抵抗を持つ。

低電力システムにおいては、電圧降下を見るために非常に敏感な電圧計が必要となるだろう。普通のハンドヘルド電圧計は 0.1mV 程度の分解能を持つ。 100倍良い 1μV の分解能を持つ、ストレイン・ゲージ用に作られた特殊なマイクロボルト・メータが普通に入手可能であり、それらは優れたノイズ除去入力フィルタも備えている。そのようなメータは試験の能力を大幅に改善することだろう。

これは、EMC+Compliance Journal に掲載された記事を、その許諾を得て T. Sato が翻訳したものです。この翻訳については、原著者らはいかなる責任も持ちません。これについての意見、質問などは VEF00200@nifty.com (T.Sato) 宛にお送り下さい。

Last update: 2013-04-29