PCB 設計において、電磁適合性 (EMC) とそれに関連する電磁干渉 (EMI) は、伝統的にエンジニアにとって 2 つの大きな悩みの種でした。特に今日の回路基板設計とコンポーネント パッケージでは縮小が続いており、OEM はより高速なシステムを必要としています。この記事では、PCB 設計における電磁気問題を回避する方法を紹介します。
1. クロストークとアライメントが焦点
適切な電流の流れを確保するには、位置合わせが特に重要です。電流が発振器または他の同様のデバイスから来ている場合、電流をグランド層から分離するか、電流が別の配置と並行して流れないようにすることが特に重要です。2 つの高速信号を並列に使用すると、EMC および EMI、特にクロストークが発生する可能性があります。抵抗経路をできるだけ短くし、戻り電流経路をできるだけ短くすることが重要です。リターンパスの長さは送信パスの長さと同じである必要があります。
EMI の場合、一方のパスは「違反パス」と呼ばれ、もう一方のパスは「被害パス」と呼ばれます。誘導結合と容量結合は、電磁場の存在により「被害者」経路に影響を及ぼし、「被害者経路」上に順方向電流と逆方向電流が発生します。このように、信号の送信長と受信長がほぼ等しい安定した環境ではリップルが発生します。
アライメントが安定したバランスの取れた環境では、誘導電流が互いに打ち消し合い、クロストークが排除されます。しかし、私たちはそのようなことが起こらない不完全な世界にいます。したがって、私たちの目標は、すべてのアライメントでクロストークを最小限に抑えることです。平行線間の幅が線幅の 2 倍であれば、クロストークの影響を最小限に抑えることができます。たとえば、線幅が 5 ミルの場合、2 本の平行線間の最小距離は 10 ミル以上である必要があります。
新しい材料やコンポーネントが次々と登場するにつれ、PCB 設計者は EMC や干渉の問題にも引き続き対処する必要があります。
2. デカップリングコンデンサ
デカップリング コンデンサは、クロストークの望ましくない影響を軽減します。これらはデバイスの電源ピンとグランド ピンの間に配置する必要があります。これにより、AC インピーダンスが低くなり、ノイズとクロストークが低減されます。広い周波数範囲にわたって低インピーダンスを実現するには、複数のデカップリング コンデンサを使用する必要があります。
デカップリング コンデンサを配置する際の重要な原則は、アライメントに対する誘導効果を低減するために、静電容量値が最も低いコンデンサをできるだけデバイスの近くに配置することです。この特定のコンデンサは、デバイスの電源ピンまたは電源配線のできるだけ近くに配置する必要があり、コンデンサのパッドはビアまたはグランド レベルに直接接続する必要があります。アライメントが長い場合は、複数のビアを使用してグランド インピーダンスを最小限に抑えます。
3. PCB の接地
EMIを低減する重要な方法は、PCBの接地層を設計することです。最初のステップは、放射、クロストーク、ノイズを低減できるように、PCB 基板の総面積内で接地面積をできるだけ大きくすることです。各コンポーネントを接地点または接地層に接続する場合は、特に注意する必要があります。そうしないと、信頼性の高い接地層の中和効果を十分に活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、各基準電圧にはそれぞれ対応する接地層があります。ただし、接地層が多すぎると、PCB の製造コストが増加し、高価になりすぎます。妥協策は、3 ～ 5 つの異なる場所で接地層を使用し、それぞれの場所に複数の接地セクションを含めることです。これにより、ボードの製造コストが抑制されるだけでなく、EMI と EMC も削減されます。
EMC を最小限に抑えるには、低インピーダンスの接地システムが重要です。多層 PCB では、銅のバランス ブロック (銅泥棒) や散在する接地層よりも信頼性の高い接地層を設けることが望ましいです。接地層はインピーダンスが低く、電流経路を提供し、逆方向信号の最良の発生源となるためです。
信号がグランドに戻るまでにかかる時間も非常に重要です。信号が発生源との間を往復するのにかかる時間は、同等である必要があります。そうでないと、アンテナのような現象が発生し、放射エネルギーが EMI の一部となる可能性があります。同様に、信号ソースへの電流、または信号ソースからの電流の配置も可能な限り短くする必要があります。ソース パスとリターン パスの長さが等しくない場合、グランド バウンスが発生し、EMI も発生します。
4. 90°の角度を避ける
EMIを低減するには、アライメント、ビア、その他のコンポーネントが90°の角度を形成しないようにする必要があります。直角にすると放射線が発生するためです。90°の角度を避けるには、コーナーに少なくとも 2 本の 45° 角度の配線を配置する必要があります。
5. オーバーホールの使用には注意が必要です
ほとんどすべての PCB レイアウトでは、異なる層間の導電接続を提供するためにビアを使用する必要があります。場合によっては、ビアが配置内に作成されるときに特性インピーダンスが変化するため、反射も発生します。
また、ビアによってアライメントの長さが増加するため、ビアを一致させる必要があることを覚えておくことも重要です。差動アライメントの場合、ビアは可能な限り避けるべきです。これを回避できない場合は、両方の配置でビアを使用して、信号パスとリターン パスの遅延を補償する必要があります。
6. ケーブルと物理的シールド
デジタル回路とアナログ電流を流すケーブルは寄生容量と寄生インダクタンスを生成し、多くの EMC 関連の問題を引き起こす可能性があります。ツイストペアケーブルを使用すると、低レベルの結合が維持され、発生する磁場が排除されます。高周波信号の場合は、EMI 干渉を排除するために、前面と背面の両方を接地したシールド ケーブルを使用する必要があります。
物理的シールドは、EMI が PCB 回路に侵入するのを防ぐために、システムの全体または一部を金属パッケージで囲うことです。このシールドは、閉じたグランド伝導コンデンサのように機能し、アンテナ ループのサイズを縮小し、EMI を吸収します。
投稿日時: 2022 年 11 月 23 日