JP2004004039A - 電子システムにおける被給電要素に関する電流特性を求めるためのテスト方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電子システム内の構成要素に関する過渡電流及び定常電流の引き込みの推定及び測定を改善するための技術及び方法を提供すること。
【解決手段】電子システム（１２，１１２）内の被給電要素（２２，１２２）の電流挙動の特性を求めるためのテスト方法。該電子システムの第１のフ゜リント回路基板に１つ又は２つ以上の導電性ルーフ゜（２８，５４，１２８）が形成され、該ルーフ゜が、前記第１のフ゜リント回路基板の１つ又は２つ以上の電気的なハ゛イア（１６，５８，１１６）を少なくとも部分的に包囲する。１つ又は２つ以上の被給電要素（２２，６６，１２２）が該ハ゛イアに接続されて該ハ゛イアを通る電力を得る。１つ又は２つ以上のハ゛イアから電流特性を測定してシステム内の構成要素の過渡及び定常状態の電流を評価する。該電流から電力損を求めることができる。第１のフ゜リント回路基板（１４，１１４）の内部層のトラック内にルーフ゜を形成すること、又は第２のフ゜リント回路基板（６６）が該トラックを形成することが可能である。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子システムに関する電気特性の測定に関し、特に電子システム内の構成要素に関する電流引き込みの推定及び測定に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子システム内の半導体製の被給電要素（例えば半導体ダイ）の電流引き込み特性は、常にその見極めが困難なものであった。しかし、かかる特性の解明は、システム設計における冷却及び電力に関する解決手段を適切に設計する上で必要である。例えば、電子システムは、電源及びマイクロプロセッサといった発熱要素に対処するためにヒートシンク等の放熱要素を含むことがが多い。適正な放熱を確保するため、システムの熱放散能力は、発熱要素に関する電力消費及び電力損の不確実性を過度に補償するよう設計されることが多い。ある例では、電源は、仕様上の電力損に関してその性能を評価することが可能であるが、かかる評価は、システム内での動作時の実際の電源性能を表すものとならない可能性がある。もう１つの例では、電子システムの設計者は、プロトタイプ装置の温度測定を行って、将来的な生産システムにおける熱負荷を予測する計算を行うことがあるが、個々の構成要素の電力特性が正確に分らないため、この技法もまた動作中の実際の正確な性能を得ることができないものとなる。更に、後者の例では、電子システム内の幾つかの構成要素について温度測定が行われるため、放熱及び電力消費の推定に累積的な誤差が生じる可能性がある。
【０００３】
従って、システム内における実際の発熱を考慮して過剰な放熱能力を持たせた電子システムが設計されている。同様に、かかるシステムは、該システムの個々の構成要素に関する電流の引き込み及び電力の変動を考慮して過剰な給電能力を持たせたて設計されている。これらの過剰な能力は、電子システム内のヒートシンク及び配電要素の生産コストといった製造コストの増大を意味するものであり、競争の激しい電子計算機及び部品の業界では、コストの増大は、製品の競争力を失わせるものとなる可能性がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、電子システム内の構成要素に関する過渡電流及び定常電流の引き込みの推定及び測定を改善するための技術及び方法を提供することにある。本発明のもう１つの目的は、電子システムのための電力及び／又は冷却解決手段を設計するための方法を提供することにある。本発明の他の目的は、以下の説明において明らかとなろう。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の態様の１つは、電子システム内における被給電要素の電流の特性を解明するための方法である。ある態様では、この方法には、ＡＣ及び／又はＤＣ電源に結合された被給電要素に関する定常電流及び／又は過渡電流の特性の解明が含まれる。もう１つの態様では、この方法には、接地面及び／又は電源面に接続する電子システム内の単一被給電要素に関する電流挙動の特性の解明が含まれる。電子システムは、接地面及び／又は電源面に接続された複数の他の被給電要素を有することが可能である。
【０００６】
従って、本発明の方法の１つによれば下記ステップが実施される。電気的なループ経路が、第１のプリント回路基板の電気的なバイアを少なくとも部分的に包囲するように、該第１のプリント回路基板に形成される。該バイアは接地面又は電源面に接続する。第１のプリント回路基板に関連して動作可能な被給電要素は、前記バイアに接続されて、電力を取得し又は該被給電要素をアースに結合する。電力は、電源面に供給されるＡＣ又はＤＣ電力とすることが可能である。ループは、被給電要素が給電されて動作している間に電流の測定及び／又は特性解明を行うために電流計その他の電流測定装置に結合される。該電流は、第１のプリント回路基板及び構成要素を利用する電子システムのための冷却及び／又は電力解決手段を特定するために利用される。
【０００７】
ある態様では、バイアは、第１のプリント回路基板の接地面に接続する。もう１つの態様では、バイアは、第１のプリント回路基板の電源面に接続する。もう１つの態様では、ループは、第１のプリント回路基板の内部トラックとして構成され配置される。更にもう１つの態様では、ループは、構成要素と第１のプリント回路基板との間に一時的に取り付けられる第２のプリント回路基板に形成される。
【０００８】
別の態様では、本方法は、電子システム内の構成要素から熱を放散させるために用いられるヒートシンクに関する電力損要件の決定を提供する。
【０００９】
もう１つの態様では、本方法は、電子システム内の構成要素に関する給電要件の決定を提供し、該給電は、システム内の構成要素の電流引き込みに関連するステップ負荷特性解明に応答することが可能なものである。
【００１０】
一態様では、電力損の特定ステップは、構成要素の電力損（ＶＩにほぼ等しい）の計算ステップにおいてバイア電流（Ｉ）を用いるステップを含む（Ｖは接地面と電源面との間の電位）。
【００１１】
もう１つの態様では、本方法は、電子システムにおける被給電要素の電流特性の決定を提供する。複数の電気的なループが、電子システムの複数のバイアを少なくとも部分的に包囲するよう配置される。一態様では、１つ又は２つ以上のバイアが電子システムの接地面に結合する。もう１つの態様では、１つ又は２つ以上のバイアが電子システムの電源面に結合する。電子システムに関連して動作可能な複数の被給電要素は、バイアを介して接地面及び／又は電源面に接続する。ループは、電子システムが給電されて動作している間に被給電要素の電流及び／又は電圧を測定するために測定装置に結合される。一態様では、被給電要素からの電流が、電子システムの推定電力損へと変換される。一態様では、被給電要素からの電流が、電子システムの被給電要素に関する推定過渡電流へと変換される。別の態様では、被給電要素からの電流が、電子システムの被給電要素に関する推定定常電流へと変換される。
【００１２】
別の態様では、本方法は、ＶＩにほぼ等しい各被給電要素に関する電力を計算することにより、電流を推定電力損に変換することが可能にする（Ｖは接地面と電源面との間の電圧、Ｉはバイアを通る電流）。更に別の態様では、本方法は、推定電力損に適応するようヒートシンクを設計するステップを含む。
【００１３】
別の態様では、複数のループが、バイアの統計的なサンプリングを行うものとして電子システムに構成され配置される。この方法は、更に、該統計的なサンプリングに基づくシステム中の全ての被給電要素の（ａ）全電力損、（ｂ）過渡電流引き込み、及び／又は（ｃ）定常電流を推定するステップを含むことが可能である。
【００１４】
更に別の態様では、電子システムが第１のプリント回路基板を含む。該第１のプリント回路基板内のトラックとしてループが構成され配置される。更に別の態様では、第２のプリント回路基板にループが構成され配置される。該第２のプリント回路基板は、電流及び／又は電力損を推定するために被給電要素と第１のプリント回路基板との間に一時的に結合される。
【００１５】
本発明の別の態様は、電子システムの１つ又は２つ以上の被給電要素の電流に関する特性を解明するためのテスト方法を含む。被給電要素は複数のピンを介してプリント回路基板に接続する。各被給電要素のピンの少なくとも１つは、プリント回路基板内の１つ又は２つ以上のバイアを介してシステム電源にも接続する。関連する電流の特性を解明するために、１つ又は２つ以上のバイアの周りに、電気ループが形成される。特性が解明された電流は、被給電要素に関する電流及び／又は電力の評価に利用される。一態様では、特性が解明された電流から過渡電流が求められる。別の態様では、特性が解明された電流から定常電流が求められる。
【００１６】
次いで、望ましい実施態様に関連して更に本発明の解説を行う。当業者には自明であるように、本発明の範囲を逸脱することなく様々な追加、削除、及び修正を該実施態様に施すことが可能である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の電流推定装置１０の平面図を示している。図２は、該装置１０を更にヒートシンク３２に結合された状態で側方から見て示す断面図である。該装置１０は、プリント回路基板１４を含む電子システム１２に結合している。該プリント回路基板１４は複数のバイア１６を有する。該バイア１６には、接地面２１に接続するものもあれば、電源面２０に接続するものもある。電源１８は、システム電力を供給するために電源面２０に接続される。該電源１８は、更に図示のように接地面２１にも接続される。また、必ずしも必要ではないが、接地面２１は、更にシステムのアース１９にも接続することが可能である。被給電要素２２（例示のため図１に輪郭線で示す）は、プリント回路基板１４に結合され、バイア１６を介して電力を取得し及び接地することで動作する。例えば、被給電要素２２は、導電性ハンダ接合又はソケット２４により回路基板１４に取り付けられた半導体ダイ又はパッケージとすることが可能である。被給電要素２２の１つ又は２つ以上のピンは更に、図示のように電源面２０に接続される適当なバイア１６Ａとの導電接続２６Ａにより、システム電源１８に接続することが可能である。被給電要素２２の１つ又は２つ以上のピンはまた、図示のように接地面２１に接続される適当なバイア１６Ｂとの導電接続２６Ｂにより、アース（例えばシステムアース１９及び／又は電源１８のもう一方の端子２３）に接続することが可能である。かかる接続２６Ａ，２６Ｂは、当業界で既知のハンダ又はソケット接続とすることが可能である。
【００１８】
電流推定装置１０はまた、少なくとも１つの関連するバイア１６Ａ，１６Ｂを少なくとも部分的に包囲する少なくとも１つの導電性ループ２８を含む。例示のため、該ループ２８はバイア１６Ａを包囲するよう図示されている。１つ又は２つ以上の更なる導電性ループ２８Ａが、図示のように同様の数の更なるバイア１６Ｃを包囲することも可能である。該更なるループ２８Ａは、典型的には、更なる被給電要素２２Ａ又は更なるパワー及び／又は接地バイア１６に適応させるために装置１０に設けられる。被給電要素２２は、適当な電流容量を確保するために、接地面２１及び電源面２０に対して複数の接続を有することが可能である。
【００１９】
動作時、電流推定装置１０は、ループ２８を通る電流を測定することにより、構成要素２２の電流挙動の特性を解明する。例えば、該測定された電流から、関連するバイア１６Ａの過渡電流及び／又は定常電流の挙動を求めることが可能である。電圧挙動を評価することも可能である。従って、電流挙動を評価するために、電流計３０といった測定装置がループ２８に結合される。測定された挙動は、変換方程式ＶＩによって電力損に変換することが可能である（Ｉはバイア１６Ａ内の電流、Ｖは接地面２１と電源面２０との間の電圧）。
【００２０】
電流推定装置１０が更なる電気的なループ２８Ａを含む場合には、全ての構成要素２２，２２Ａによる寄与を含めてシステム１２の包括的な電力及び／又は電流挙動を求めることが可能であり、かかる場合には、幾つかの構成要素２２，２２Ａに対して共通の又は別個の測定装置３０を利用することが可能である。
【００２１】
電流推定装置１０によって、１つ又は２つ以上の被給電要素２２に関する電力損が明らかになると、そのデータは、被給電要素２２を冷却するための高精度の放熱装置（ヒートシンク３２など）の設計に利用することが可能になる。
【００２２】
導電性ループ２８，２８Ａは、図２に示すように、プリント回路基板１４に埋設し内蔵させることが可能である。例えば、ループ２８，２８Ａは、多層基板１４の内部層と一体化させることが可能である。更に、設計上の選択事項ではあるが、電気リード３６に接続されたプローブ接続３４によってループ２８，２８Ａと電流計３０を結合することが可能である。従って、本発明の一実施態様では、装置１０は、（ａ）多層プリント回路基板１４の内部トラックという形をとる１つ又は２つ以上のループ２８、及び、（ｂ）１つ又は２つ以上の電気接続３４，３６を介してループトラックに結合される電流モニタ装置３０を含むものとなる。
【００２３】
当業者には明らかなように、本発明の範囲から逸脱することなく、装置１０及びシステム１２に対して、更なるループ２８及び構成要素２２を配設することが可能である。この場合には、全てのバイア（例えばバイア１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃ）の電流をモニタする必要がなくなり、更に、より少数のバイア１６のサンプリングを用いて、複数の構成要素２２の過渡電流及び／又は定常電流を推定することが可能となる。
【００２４】
同様に、一部の被給電要素２２は、アース１９及び電源１８に対する複数のバイア接続を有するマルチピン半導体パッケージその他の構成要素とすることが可能である。各バイアは、上述のようにループ２８によってモニタすることが可能であるが、被給電要素に対する１つ又は２つ以上の電力接続をサンプリングすれば、マルチピン構成要素の総電力損を推定するのに十分な場合もある。
【００２５】
図３は、本発明の電流推定システム５０の平面図を示し、図４は、被給電要素５２の測定のために結合された状態で電流推定システム５０を側方から見た断面図を示している。該システム５０は、プリント回路基板６０の１つ又は２つ以上の対応するバイア５８に関連する電流をモニタするために電流電力モニタ５６に接続された少なくとも１つの導電性ループ５４を有する。被給電要素５２は、例えばプリント回路基板６０の電気面６２から電力を取り出す半導体パッケージその他の電力を消費する装置である。該電気面６２は、上述のように接地面又は電源面とすることが可能なものである。電流推定システム５０は、構成要素５２とバイア５８との間を電気的に接続する電気コネクタ６４を有しており、システム５０の拡張部６６は、例えば導電性ループ５４を形成する内部トラックを有する３層プリント回路基板とすることが可能である。動作時、電流電力モニタ５６は、ループ５４を介して電流を測定し推定値６８へと変換する。該推定値６８は、例えば、構成要素５２からの熱エネルギの放散に用いられるヒートシンクの精密な設計を可能にすることができる。推定６８はまた、構成要素５２の過渡及び／又は定常電流挙動を含むことが可能である。設計上の選択事項ではあるが、拡張部６６は、１つ又は２つ以上のハンダ接続又はソケット７０によって構成要素５２と結合することが可能である。同様に、構成要素５２は、１つ又は２つ以上のハンダ接続又はソケット７２によって回路基板６０と結合することも可能である。
【００２６】
図５は、本発明の電流推定装置１００の平面図を示しており、かかる装置が複数のバイアを同時に（循環式又は並列式に）モニタリング又はサンプリングすることが可能であることを例示している。詳細には、該装置１００は、プリント回路基板１１４を含む電子システム１１２に結合する。該プリント回路基板１１４は、複数のバイア１１６を有する。該バイア１１６には、例えば図２の接地面２１といった接地面に接続するものもあれば、例えば図１の電源面２０といった電源面に接続するものもある。電源は、図２の場合と同様に、電源面、接地面、及び／又はシステムアースに接続することが可能である。被給電要素１２２（例証のため図５に輪郭線で示す）は、プリント回路基板１１４と結合し、バイア１１６を介して給電され接地されて動作する。例えば、被給電要素１２２は、例えば、図２の接合２４といった導電性ハンダ接合又はソケットにより回路基板１１４に取り付けられた半導体ダイ及びパッケージとすることが可能である。
【００２７】
装置１００はまた、少なくとも１つの関連するバイア１１６を少なくとも部分的に包囲する１つ又は２つ以上の導電性ループ１２８，１２９を含む。例証のため、ループ１２８がバイア１１６Ａを包囲し、ループ１２９が複数のバイア１１６Ｂ，１１６Ｃを包囲するよう図示されている。ループ１２８，１２９は、同図に示すように単一の被給電要素１２２のモニタリング又はサンプリングを行うこともできるし、又は、図１に示すように異なる被給電要素のモニタリング又はサンプリングを行うことも可能である。設計上の選択事項ではあるが、ループ１２９は、例えば、２つのバイア１１６Ｂ，１１６Ｃよりも多くのバイアを包囲することが可能である。
【００２８】
動作時、電流推定装置１００は、ループ１２８及び／又はループ１２９を介して電流を測定することにより、被給電要素１２２の電流挙動の特性を解明する。例えば、関連するバイア１１６Ａ，１１６Ｂ，１１６Ｃの過渡及び／又は定常電流の挙動を測定された電流から求めることが可能である。電圧挙動を評価することも可能である。このため、電流計１３０がループ１２８及び／又はループ１２９に結合されて電流挙動が評価される。電気的に適当なループ１２８，１２９を直列又は並列に組み合わせることが可能である。更に、バイア１１６を流れる電流の方向により、特定の被給電要素１２２に用いられるループ１２８，１２９又は計算を決定することが可能である。測定された挙動は、例えば、変換方程式ＶＩにより電力損に変換することが可能である。
【００２９】
上述のように、導電性ループ１２８，１２９は、図３及び図４の場合のように外部的な構成要素とすることが可能であり、又はプリント回路基板１１４に埋設して内部的なものとすることも可能である。設計上の選択事項ではあるが、プローブ接続部１３４を電気リード１３６に接続してループ１２８，１２９を電流計１３０に結合させることも可能である。
【００３０】
こうして、本発明によれば、先行する記述から明らかなもののうちでも特に、既述の目的が達成される。本発明の範囲を逸脱することなく、上記方法及びシステムには変更を加えることが可能であり、このため、上記説明に含まれ又は図面に示された全ての事項は本発明の例証を目的としたものであって本発明の制限を意味するものではないと解釈されることが意図されている。また、特許請求の範囲は、本書で解説した本発明の汎用的な特徴及び特定の特徴の全て、及び、言語上、それらの間に収まると言える、本発明の範囲に関する記述の全てを網羅することを意図したものである。
【００３１】
以下においては、本発明の種々の構成要件の組み合わせからなる例示的な実施態様を示す。
１．電子システム（１２，１１２）における被給電要素の電流挙動を求めるための方法であって、
該電子システム（１２，１１２）の第１のプリント回路基板（１４，１１４）の電気的なバイア（１６，１１６）を少なくとも部分的に包囲するよう該第１のプリント回路基板（１４，１１４）に導電性ループ（２８，２８Ａ，１２８，１２９）を形成し、
被給電要素（２２，１２２）を電源及びアースの一方に接続するよう前記バイアに前記被給電要素（２２，１２２）を接続し、
前記システム（１２，１１２）内の被給電要素（２２，１２２）に給電している間に前記導電性ループからの電流を測定する、
という各ステップを含む方法。
２．前記電流に基づいて前記被給電要素（２２，１２２）に関連する電力損（６８）を求めるステップを更に含む、前項１に記載の方法。
３．前記電子システム（１２，１１２）に関する熱放散能力を設計し、前記測定された電流に基づいて過渡電流の挙動を求め、及び前記測定された電流に基づいて定常電流の挙動を求める、という各ステップのうちの１つ又は２つ以上を更に含む、前項２に記載の方法。
４．前記導電性ループを形成する前記ステップが、前記第１のプリント回路基板にトラックを形成するステップを含む、前項１に記載の方法。
５．電子システム（１２，１１２）における被給電要素の電流挙動を評価するためのテスト方法であって、
該電子システム（１２，１１２）の第１のプリント回路基板（１４，１１４）の複数の電気的なバイア（１６，１１６）を少なくとも部分的に包囲するよう該第１のプリント回路基板（１４，１１４）に１つ又は２つ以上の導電性ループ（２８，２８Ａ，１２８，１２９）を形成し、
１つ又は２つ以上の被給電要素（２２，１２２）を電源及びアースの少なくとも一方に接続するよう前記バイア（１６，１１６）に前記被給電要素（２２，１２２）を接続し、
前記導電性ループ（２８，２８Ａ，１２８，１２９）からの電流を測定する、
という各ステップを含む方法。
６．前記被給電要素（２２，１２２）に関連する第１の電流挙動を前記電流に基づいて求めるステップを更に含む、前項５に記載の方法。
７．前記形成ステップが、第２のプリント回路基板に１つ又は２つ以上のトラックを形成するステップを含み、前記ループ及び前記第２のプリント回路基板に１つ又は２つ以上の電気的な接続を形成し、該接続を介して前記被給電要素が前記システムから電力を得るよう該被給電要素と前記第１のプリント回路基板との間に前記第２のプリント回路基板を結合する、という各ステップを更に含む、前項５に記載の方法。
８．１つ又は２つ以上の被給電要素（２２，１２２）を接続する前記ステップが、１つ又は２つ以上の半導体パッケージを前記第１のプリント回路基板の接地面及び電源面に結合するステップを含む、前項５に記載の方法。
９．前記形成ステップが、前記複数のバイア（１１６Ｂ，１１６Ｃ）の周りに少なくとも１つの導電性ループを形成するステップを含む、前項５に記載の方法。
１０．電力推定システムであって、第１のプリント回路基板（６６）との少なくとも１つの導電性ループ（５４）を含み、該第１のプリント回路基板（６６）が、前記ループ（５４）を介して被給電要素（５２）と第２のプリント回路基板（６０）との間に電気的な接続（６４）を形成し、該被給電要素（５２）が前記第２のプリント回路基板（６０）を介して給電される際に前記ループ（５４）を通る電流を測定するためのメータ（５６）を含む、電力推定システム。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電流推定システムを示す平面図である。
【図２】被給電要素に結合された図１の電流推定システムを側方から見て示す断面図である。
【図３】本発明の電流推定システムを側方から見て示す断面図である。
【図４】図３の電流推定システムを被給電要素の電流測定のために結合された状態で側方から見て示す断面図である。
【図５】本発明の電流推定システムを示す平面図である。
【符号の説明】
１２　　　　　　電子システム
１４　　　　　　第１のプリント回路基板
１６　　　　　　電気バイア
２２　　　　　　被給電要素
２８，２８Ａ　　導電性ループ
５２　　　　　　被給電要素
５４　　　　　　導電性ループ
５６　　　　　　メータ
６０　　　　　　第２のプリント回路基板
６４　　　　　　電気接続
６６　　　　　　第１のプリント回路基板
１１２　　　　　電子システム
１１４　　　　　第１のプリント回路基板
１１６　　　　　電気バイア
１２２　　　　　被給電要素
１２８，１２９　導電性ループ

Claims (1)

1. 電子システム（１２，１１２）における被給電要素の電流挙動を求めるための方法であって、
   該電子システム（１２，１１２）の第１のプリント回路基板（１４，１１４）の電気的なバイア（１６，１１６）を少なくとも部分的に包囲するよう該第１のプリント回路基板（１４，１１４）に導電性ループ（２８，２８Ａ，１２８，１２９）を形成し、
   被給電要素（２２，１２２）を電源及びアースの一方に接続するよう前記バイアに前記被給電要素（２２，１２２）を接続し、
   前記システム（１２，１１２）内の被給電要素（２２，１２２）に給電している間に前記導電性ループからの電流を測定する、
   という各ステップを含む方法。

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