PCB技術 - EMCのPCB設計技術

電磁互換性（EMC）と関連する電磁干渉（EMI）は、従来からシステム設計エンジニアの目を磨く必要があり、今日の回路基板設計と部品パッケージの縮小、OEM要件の高速システムの場合、この2つの大きな問題は特にPCBレイアウトと設計エンジニアを悩ませます。

EMCは電磁エネルギーの発生、伝播、受信と密接に関連しており、PCB設計ではEMCの出現は望まれていません。電磁エネルギーは複数のソースから供給され、それらは混合されているので、異なる回路、引き廻し、ビア、PCB材料が共同で動作している間に、各種信号が互換性があり、相互に干渉しないことを確保するために、特に注意しなければなりません。

一方、EMIは、EMCまたは不要な電磁エネルギーによる破壊的な影響です。このような電磁環境の下で、PCB設計者は電磁エネルギーの発生を減少させ、干渉させることを確保しなければなりません。

PCB設計における電磁的な問題を回避する7つのノウハウ

ノウハウ1：PCB接地

EMIを低減するための重要な方法の1つは、PCB接地層を設計することです。ステップは、PCB回路基板の総面積内の接地面積をできるだけ大きくすることで、発光、クロストーク、ノイズを低減することができます。各部品を接地点や接地層に接続する際には特に注意しなければならず、そうしないと信頼できる接地層の中和効果を十分に利用することができません。

特に複雑なPCB設計にはいくつかの安定した電圧があります。理想的には、各参照電圧には独自の接地層があります。しかし、接地層が多すぎるとPCBの製造コストが増加し、価格が高すぎます。折衷的な方法は、3 ~ 5つの異なる位置にそれぞれ接地層を使用することであり、各接地層は複数の接地部分を含むことができます。これにより、回路基板の製造コストを制御するだけでなく、EMIとEMCを削減することができます。

EMCを使用するには、低インピーダンス接地システムが重要です。多層PCBには、銅平衡ブロック（copper thieving）や散乱接地層ではなく、信頼性の高い接地層があります。低インピーダンスで、電流経路を提供することができ、逆方向信号源であるためです。

信号が地上に戻る時間も非常に重要です。信号が信号源を往復する時間は同等でなければなりません。そうしないと、放射線のエネルギーがEMIの一部になるアンテナのような現象が発生します。同様に、信号源から電流を伝送する配線はできるだけ短くしなければならず、ソース経路とリターン経路の長さが等しくなければ、接地リバウンドが発生し、EMIも発生します。

信号が信号源に出入りする時間が同期していないと、アンテナのような現象が発生し、エネルギーを放射し、EMIを引き起こします。

ノウハウ2：EMIを区別する

EMIは異なるため、アナログ回路とデジタル回路を分離する優れたEMC設計規則があります。アナログ回路のアンペア数が高いか、電流が大きいので、高速走査信号やスイッチング信号から離れなければなりません。可能であれば、接地信号を使用して保護する必要があります。多層PCB上では、アナログ引き廻しの配線は1つの接地層上にあるべきであり、スイッチ引き廻しまたは高速引き廻しは別の接地層にあるべきです。そのため、特性別の信号が分離されます。

周囲を引き廻して結合された高周波ノイズを除去するために、低域通過フィルタを使用することができる場合があります。フィルタはノイズを抑え、安定した電流を戻すことができます。アナログ信号とデジタル信号の接地層を分けることが重要です。アナログ回路とデジタル回路にはそれぞれ独自の特性があるため、それらを分離することが重要です。デジタル信号にはデジタル接地が必要であり、アナログ信号はアナログ接地で終了しなければなりません。

デジタル回路設計では、経験のあるPCBレイアウトと設計エンジニアが高速信号とクロックに特に注意します。高速の場合、信号とクロックは、前述したように、接地層がクロストーク、ノイズ、放射線を制御可能な範囲に維持することができるので、できるだけ短く接地層に隣接しなければなりません。

デジタル信号も電源プレーンから離れている必要があります。距離が近いとノイズや誘導が発生し、信号が弱くなります。

ノウハウ3：クロストーク引き廻しがポイント

引き廻しは電流の正常な流れを確保するために特に重要です。電流が発振器または他の類似の装置から来ている場合、電流を接地層から分離させるか、または電流を別の引き廻し線と並列させないことが特に重要です。2つの並列高速信号は、EMCとEMI、特にクロストークを生成します。抵抗経路を短くし、戻り電流経路もできるだけ短くしなければなりません。リターンパスの引き廻しの長さは、送信の引き廻しの長さと同じでなければなりません。

EMIについては、1本は「侵襲走線」、もう1本は「被害走線」と呼ばれています。インダクタンスと容量結合は、電磁場の存在によって「被害」走査線に影響を与え、「被害走査線」に順方向と逆方向の電流を発生させます。すると、信号の送信長と受信長がほぼ等しい安定した環境でリップルが発生します。

バランスがよく、引き廻しが安定している環境では、誘導電流は互いに相殺され、クロストークを解消しなければなりません。しかし、私たちは不完全な世界にいて、このようなことは起こりません。そのため、私たちの目標は、すべての引き廻しのクロストークを水平に維持しなければならないことです。並列引き廻し間の幅を引き廻し幅の2倍にすると、クロストークの影響は小さくなる可能性があります。例えば、引き廻し幅が5ミルの場合、2本の並列引き廻し間の距離は10ミル以上であるべきです。

新しい材料と新しい部品が次々と登場するにつれて、PCB設計者は電磁互換性と干渉問題にも対応し続けなければなりません。

ノウハウ4：デカップリング容量

デカップリング容量は、装置の電源ピンと接地ピンの間に配置されるべきクロストークの悪影響を低減することができ、これにより、交流インピーダンスが低く、ノイズとクロストークを低減することができます。広い周波数範囲で低インピーダンスを実現するためには、複数のデカップリング容量を使用しなければなりません。

デカップリング容量を配置するための重要な原則の1つは、容量値のキャパシタをできるだけ装置に近づけて、引き廻しに対するインダクタンスの影響を減らすことです。この特定のコンデンサは、できるだけデバイスの電源ピンまたは電源に近づき、キャパシタのパッドを直接穴または接地層に接続します。引き廻しが長い場合は、複数のビアを使用して接地インピーダンスを作成します。

ノウハウ5：90°角を避ける

EMIを低減するためには、直角に放射線が発生するため、引き廻し、穴通し、その他の部品が90°の角度を形成することを避ける必要があります。この角では容量が増加し、特性インピーダンスも変化し、反射をもたらし、次いでEMIを引き起こします。90°の角度を避けるには、少なくとも2つの45°の角度でコーナーに配線する必要があります。

ノウハウ6：穴を慎重に使う

ほとんどのPCBレイアウトでは、ビアを使用して異なる層間に導電接続を提供する必要があります。PCBレイアウトエンジニアは、ピアシングによってインダクタンスと容量が発生するので、特に注意する必要があります。場合によっては、引き廻し中に穴を作ると特性インピーダンスが変化するため、反射することもあります。

同様に、穴を通ると引き廻しの長さが長くなり、マッチングが必要になることを覚えておいてください。差動引き廻しの場合は、できるだけ穴をあけないようにしてください。回避できない場合は、信号とリターンパスの遅延を補償するために、2つの引き廻し線の両方に穴を使用する必要があります。

ノウハウ7：ケーブル/物理シールド

デジタル回路やアナログ電流を搭載したケーブルは寄生容量やインダクタンスを発生させ、多くのEMC関連の問題を引き起こします。ツイストペアケーブルを使用すると、結合レベルが低くなり、発生した磁場が除去されます。高周波信号には、表面と裏面が接地され、EMI干渉を除去するシールドケーブルを使用する必要があります。

物理シールドは、EMIがPCB回路に入るのを防ぐために、システム全体または一部を金属パッケージで包みます。このシールドは、アンテナループのサイズを小さくし、EMIを吸収する密閉された接地導電容器のようなものです。

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