EMC 改善のための PCB 分割設計ルール

EMC は、Electro-Magnetic Compatibility の略で、電子デバイスが同じ電磁環境で独自の機能を実装できる共存状態を指します。簡単に言えば、EMC は、電子デバイスが相互に干渉することなく、独立して正常に動作することを可能にします。つまり、これらの電子デバイスは、システム全体で相互に互換性を持つことができます。 EMC は EMI (Electro-Magnetic Interference) を制御することによって達成されるため、EMI の導入、EMI に関する研究、EMI 対策ソリューション、EMI 管理など、EMI に関する一連の研究によって発展します。

EMC の基本原則

デジタル信号とアナログ信号間の干渉を減らすには、最初に EMC の 2 つの基本原則を知る必要があります。
原則 1:回路ループ領域は最小化する必要があります。
原則 2:単一の基準面のみを適用できます。

原則 1 に従わず、信号が大きなループ エリアを通過する必要があると、大きなループ アンテナが生成されます。ただし、原則 2 に従わず、2 つの基準面が利用可能になると、ダイポール アンテナが作成されます。どちらの結果も期待どおりではありません。

ミックスシグナル PCB 分割の規則と適用

同じミックスシグナルボード上のデジタルグランドとアナロググランドを分離して、それらの間を分離することをお勧めします。このソリューションの実現可能性にもかかわらず、特に大規模システムで突出している多くの潜在的な問題が発生します。重大な問題は、デジタル グランドとアナログ グランドの間の分割を越えてトレースを設定できないという事実にあります。スプリット全体にトレーシングを設定すると、電磁放射と信号クロストークの両方が大幅に上昇します。 PCB 設計で最も一般的に見られる問題は、分割されたグランドまたは電源を横切る信号線による EMI の発生です。

以下の図 1 は、上記で紹介した状況を示しています。

この分割方式により、信号線はデジタルグランドとアナロググランドの分割部分を通過する必要があります。では、信号回路のリターン パスはどのようになっているのでしょうか。 2 つの分割されたグランドが 1 点で接続されているとします。この状況では、グランド回路によって大きなループが生成されます。その後、大きなループに高周波回路が流れると、大きな対地容量と放射が発生する大きなループが発生します。大きなループに低レベルのアナログ回路が流れると、外部信号の影響を受けやすくなります。スプリットグランドが電源に接続された場合、最悪の状況が発生し、非常に大きな回路ループが形成されます。さらに、アナロググランドとデジタルグランドを長いリード線で接続すると、ダイポールアンテナが形成されます。その結果、エンジニアは、混合信号 PCB 設計の最適化におけるリターン回路の経路と方法を知っている必要があります。しかし、多くの技術者は回路の具体的な経路を考えずに、信号回路の流れる経路だけを見ています。グランド プレーンを分割し、トレースを分割して配置する必要がある場合は、最初に 2 つの分割グランド間でブリッジを形成して 1 点接続し、各信号線の下に小さなループ エリアで直流リターン パスを設けることができます。これは図 2 に示されています。

光絶縁デバイスまたはトランスを適用することで、信号を分割することもできます。光アイソレーションデバイスに関して言えば、スプリットを通過するのは光信号です。変圧器に関して言えば、スプリットを横切るのは磁場です。別の適用可能な方法は、差動信号のアプリケーションにあります。信号は、別の信号線から戻ってくる間に、ある線に流れ込みます。この条件下では、リターン パスとしてグランドは必要ありません。

分割パーティショニングは、次の 3 つの状況で適用できます。
状況 1:一部の医療機器では、患者に接続された回路とシステムとの間の漏れ電流を低く抑える必要があります。
状況 2:一部の産業用プロセス制御機器からの入力が、
状況 3:PCB レイアウトには特定の制限があります。

独立したデジタルおよびアナログ電源は、通常、混合信号 PCB で利用可能であり、分割された電源プレーンに依存することができ、依存する必要があります。ただし、電源プレーンに近い周囲の信号線は、電源間の分割を横切ることができず、この分割を横切るすべての信号線は、広い面積の導体プレーンに対して周囲でなければなりません。場合によっては、アナログ電源をプレーンではなく PCB 接続ワイヤとして設計することで、電源プレーンに関する分割の問題を回避できます。

Mix-Signal PCB のグランド プレーン レイアウト方法とアプリケーション

デジタル信号がアナログ信号に与える干渉について議論するには、まず高周波電流の属性を理解する必要があります。高周波電流は常に最小インピーダンス (最小インダクタンス) の経路に依存し、信号の直下にあります。その結果、リターン パスは、このプレーンが電源プレーンまたはグランド プレーンであるかに関係なく、周囲の回路プレーンを横切って流れます。実際の動作では、グランド プレーンはアナログ部分とデジタル部分に分割された回路基板で使用される傾向があります。アナログ信号はすべてのプレーンのアナログ セクション内に配置され、デジタル信号はデジタル回路領域内に配置されます。この場合、デジタル信号のリターン電流はアナログ信号のグランドに流れません。デジタル信号のレイアウトがアナログ セクションの上に実行されているか、アナログ信号のレイアウトが PCB のデジタル セクションの上に実行されている限り、デジタル信号によるアナログ信号への干渉が発生します。

このような問題が発生するのは、スプリット グラウンドがないからではなく、デジタル信号の不適切なレイアウトが原因です。 PCB 設計に関して言えば、グランド プレーン アプリケーション、デジタル回路とアナログ回路による分割、および合理的な信号レイアウトは、通常、レイアウトと分割に関する困難な問題の解決に役立ちます。さらに、分割されたグランドによって引き起こされるいくつかの潜在的な問題を回避できます。その結果、コンポーネントのレイアウトと分割は、PCB 設計の品質を決定する重要な要素になります。レイアウトと分割が適切であれば、回路基板のデジタル セクションでデジタル グランドの電流が制限され、アナログ信号が干渉されなくなります。このような状況のレイアウトは、レイアウト ルールが完全に順守されていることを確認するために、慎重に検査およびチェックする必要があります。そうしないと、不適切な信号線のレイアウトであっても、回路基板全体の故障につながる可能性があります。

A/D コンバーターのアナログ グラウンド ピンとデジタル グラウンド ピンが相互に接続されている場合、ほとんどの A/D コンバーター メーカーは、AND ピンと DGND ピンを同じグラウンドに接続し、最小限のリードで低インピーダンスで接続することを推奨しています。これは、これらのピンがほとんどの A/D コンバータ IC 内で接続されておらず、DGND に接続された外部インピーダンスが、寄生容量を介して IC 内部のアナログ回路に結合するデジタル ノイズを増加させるためです。したがって、A/D コンバータの AGND 端子と DGND 端子の両方をアナロググランドに接続してください。とはいえ、デジタル信号のデカップリングコンデンサの接地端子に、アナロググランドとデジタルグランドのどちらを接続するかが問題になります。

A/D 変換器が 1 つのシステムの場合、上記で紹介した問題は簡単に解決できます。グランドセパレートでアナロググランド部とデジタルグランド部をA/Dコンバーター下で接続。この方法を使用する場合、2 つのグランド間のブリッジは IC の幅と同じ幅にする必要があり、信号線はスプリットをまたがってはなりません。

A/D コンバーターが少数、例えば 10 個のシステムの場合、どのように接続すればよいでしょうか。 A/D コンバーターの下にアナログ グランドとデジタル グランドを接続するという上記と同じ解決策に従うと、多点接続が発生し、アナログ グランドとデジタル グランド間のアイソレーションが意味をなさなくなります。このように接続しないと、メーカーの要求を満たせません。最適なソリューションは、アナログ セクションとデジタル セクションに分けられた均一なグラウンドの適用にあります。このタイプのレイアウトは、アナログ グランドとデジタル グランド間の低インピーダンスを要求する IC メーカーの要件を満たすだけでなく、ループ アンテナやダイポール アンテナなどの EMC に対する問題を回避します。

エンジニアが PCB 設計で均一なグランド アプリケーションに疑問を抱く場合は、グランド プレーン分割法に基づいてレイアウトを実装できます。設計の過程で、ボードはスプリット グラウンドを接続するために 0.5 インチまたは 0 オーム未満の抵抗でワイヤをジャンプできるようにする必要があります。デジタル信号ラインがアナログ セクションの上に配置されたり、その逆が行われたりしないように、分割とレイアウトに十分な注意を払う必要があります。さらに、信号線はグランド スプリットまたはスプリット アイソレーション パワーを通過してはなりません。 PCB の機能とその EMC をテストするには、0 オームの抵抗またはジャンプ ワイヤを介して 2 つのグランドを接続し、ボードの機能とその EMC を再テストする必要があります。結果の比較は、すべての場合において、機能と EMC の点で、分割接地ソリューションよりも均一接地ソリューションの方が優れていることを示しています。

ミックスシグナル PCB 設計は複雑なプロセスです。 PCB を独立したアナログ セクションとデジタル セクションに分割し、A/D コンバータをセクション間に配置する必要があります。アナログ電源とデジタル電源を分離するには、分離された電源プレーン間の分割を交差させず、交差させる必要のある信号線を周囲から大面積の回路層に配置する必要があります。リターン パス電流がどこにどのように流れるかを分析して、適切な部品配置と正しい配置規則に従う必要があります。回路基板のすべての層で、デジタル信号はデジタル セクションにのみ配置できますが、アナログ信号はアナログ セクションにのみ配置できます。

Mix-Signal PCB のグランド プレーン レイアウト方法とアプリケーション

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