PCB接地技術のガイド
ジャンプ先：
- 根拠とは何ですか？
- 基本用語
- PCB接地技術
- 接地時に覚えておくべきこと
- すべてが接続されていることを確認する
- グラウンドレイヤー全体を維持する
- シリーズビアの使用を最小限に抑える
- 共通のグラウンドポイントを持っている
接地は、電流を処理する電子回路やシステムにとって重要な概念です。電力網から家庭、プリント回路基板（PCB）まで、すべてにアースがあります。 PCBは、ほぼすべての電子機器の機能にとって重要であり、各PCBが正しく機能するには、適切な接地が必要です。
人々は、さまざまな概念を説明するためにグラウンドという用語を使用します。この記事では、これらの概念、PCBでの接地の重要性、およびPCBでの接地に使用できるさまざまな方法について説明します。
PCBグランドプレーンとは何ですか？
プリント回路基板のグランドプレーンは、電位電圧の任意のノードおよび電流の共通リターンとして機能する導電体です。これは、ゼロ基準またはゼロボルトのポイントです。地面は、信号のベースとなる基準です。
エレクトロニクスでは、グラウンドは回路の特定のポイントに付けられた名前です。正と負の端子を持つ1つのバッテリーを備えた回路では、負の端子は通常、アースと呼ばれます。
一部の回路には、正、負、およびグランドと呼ばれる接続があります。これらの場合、アースは電圧で測定された負端子と正端子の中間点です。電圧が9の場合、グランドプレーンは4.5ボルトになります。ただし、グラウンドゼロ、正の端子は4.5ボルト、負の端子は-4.5ボルトと呼びます。電圧は2点間の測定値であり、4.5と-4.5の間にはまだ9の差があるため、これを行うことができます。
接地技術を不適切に使用すると、システムのパフォーマンスが大幅に低下する可能性があります。パフォーマンスを悪化させる可能性のあるスプリアスグランドおよび信号リターン電圧の制御など、グラウンディングのさまざまな側面を管理する必要があります。外部信号結合、共通電流、およびその他の問題により、これらの電圧が発生する可能性があります。導体を適切に配線およびサイジングし、差動信号処理を採用し、接地絶縁技術を使用すると、これらの不要な電圧を制御するのに役立ちます。
ミックスドシグナルのアナログおよびデジタル環境で作業する場合にも、特別な考慮事項があります。接地は、ダイナミックレンジが広い信号を処理するときにノイズを最小限に抑えるのに役立ちます。
基本用語
フローティンググラウンド、仮想グラウンド、アースグラウンドなど、グラウンドと呼ばれるノードにはさまざまな種類があります。
- フローティンググラウンド： これらのノードは、孤立したシステムの参照ポイントであり、地球に物理的に接続されていません。
- 仮想グラウンド： これらのノードは、オペアンプの反転端子の負帰還回路にあります。非反転入力がゼロボルトの場合、フィードバックにより、安定した回路で反転端子がそれに一致します。この値は他の回路の安定したリターンではなく、フィードバックによってのみ保持されます。
- ACの根拠： これらのノードのDC値は低くなっています。このDC電圧は、小さな外乱にさらされても安定しています。 DC値のため、このノードは適切なグラウンドとして使用できませんが、安定しているため、基準点として使用できます。
- 地球の根拠： 大規模な電気システムでは、地球の地面は文字通り地面への接続です。たとえば、すべての家には、余剰電流を枯渇させるために地球に突き刺さっている銅の柱があります。
- シャーシの理由： PCB内の電子機器は物理的なアースに接続できませんが、シャーシのアースは同じ目的を果たします。このアースは、ACメインから製品のケースまたはシャーシへの安全ワイヤの接続です。
アースとシャーシアースは同じ機能を果たすため、これらの用語は、安全アースという用語と同じ意味で使用されることがよくあります。
PCBの接地に関しては、万能のアプローチはありません。システムを接地する最良の方法を決定するには、システム内の電流がどのように流れるかを理解する必要があります。ただし、選択できるさまざまな方法と、大部分のシステムに適用される最良の接地方法に関するヒントがいくつかあります。ボードに適したアプローチを決定するには、ボードのデザインを確実に理解する必要があり、いくつかのテクニックを試す必要があるかもしれません。
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PCB接地技術
PCBを接地するために使用できるさまざまな技術があります。以下は、今日使用されている最も一般的なアプローチの一部です。
1。グランドプレーン
一般的な手法の1つは、PCB上の大きな銅片であるグランドプレーンを使用することです。通常、PCBメーカーは、コンポーネントがないすべての領域をカバーするか、銅のグランドプレーンでトレースします。
2層ボードでは、標準のPCBグランドプレーン規則により、グランドプレーンはボードの最下層に配置する必要があり、コンポーネントと信号トレースは最上層に配置する必要があります。
グランドプレーンが電磁干渉（EMI）の影響を受けやすくなるため、グランドプレーンによって形成される導電性材料のリングの作成は避けるのが最善です。この導電性リングはインダクタとして機能し、外部磁場によってグランドループと呼ばれる電流が発生する可能性があります。最下層全体にグランドプレーンを配置してから、電子部品を含む部品を取り外すと、導電性リングができてしまう可能性があります。この問題を回避するには、トレースをできるだけ短くし、それらをマッピングした後、完全にその下を走るようにグランドプレーンを配置します。導電性リングを作成する必要がないように、トレースとコンポーネントのレイアウトを調整する必要がある場合があります。
グランドプレーンもボードの両側にあることがよくあります。場合によっては、コンポーネント側のプレーンが供給電圧に保たれ、ボードの反対側のプレーンが接地されます。グランドプレーンは、コンポーネントとコネクタのグランドピンに接続され、PCB全体でグランド電圧を同じレベルに保ちます。
2層PCBでは、複数のグランドプレーンを使用することもできます。プレーンを分離し、グランドループが発生しないようにするには、各プレーンを個別に電源に接続する必要があります。
2。グランドプレーンビア
PCBの両側にグランドプレーンがある場合、それらはボード上の多くの異なる場所にあるビアを介して接続されます。これらのビアは、ボードを貫通して2つの側面を相互に接続する穴です。ビアに収まる場所ならどこからでもグランドプレーンにアクセスできます。
ビアを使用すると、グランドループを回避するのに役立ちます。これらはコンポーネントを直接接地点に接続し、接地点は低インピーダンスを介して回路の他のすべての接地点に接続します。また、リターンループの長さを短く保つのにも役立ちます。
グランドプレーンなどの銅片は、そこに流れ込む電流の周波数の4分の1の波長で共振する可能性があります。特定の間隔でグランドプレーンの周りにステッチビアを配置すると、これを制御するのに役立ちます。実際の経験則では、グラウンドビアを波長の8分の1以下に配置します。これが機能するのは、トレース上のスタブが問題になり始めるのは波長の8分の1だけだからです。
ビアを作成するには、ボードに小さな穴を開け、細い銅線を通してから、両側にはんだ付けして必要な接続を形成します。
3。コネクタのアース
PCBのすべてのコネクタはアースに接続する必要があります。コネクタでは、すべての信号伝導は並列に実行する必要があります。このため、アースピンを使用してコネクタを分離する必要があります。
各ボードには、アースにつながる複数のコネクタピンが必要になる可能性があります。ピンが1つしかない場合、インピーダンスの不一致の問題が発生し、発振が発生する可能性があります。接続された2つの導体のインピーダンスが一致しない場合、それらの間を流れる電流が前後に跳ね返る可能性があります。これらの振動により、システムのパフォーマンスが変化し、意図したとおりに機能しなくなる可能性があります。コネクタの各ピンの接触抵抗は低いですが、時間の経過とともに上昇する可能性があります。このため、複数のアースピンを使用するのが理想的です。 PCBコネクタのピンの約30〜40％はアースピンである必要があります。
コネクタにはさまざまなピッチがあり、ピンの列数を変えることができます。コネクタのピンは、PCB表面に平行、またはPCB表面に直角にすることもできます。
4。デカップリング
PCBには、動作するために電力を必要とする1つ以上の集積回路チップが含まれています。これらのチップには、外部電源に接続するための電源ピンがあります。また、PCBのグランドプレーンに接続するグランドピンもあります。電源ピンとグランドピンの間には、チップに供給される電圧の発振を滑らかにするのに役立つデカップリングコンデンサがあります。デカップリングコンデンサの反対側の端はグランドプレーンに接続します。
デカップリングコンデンサを使用する主な理由の1つは、機能に関連しています。デカップリングコンデンサは、電荷蓄積デバイスとして機能します。集積回路（IC）が追加の電流を必要とする場合、デカップリングコンデンサは低インダクタンス経路を介してそれを提供できます。このため、IC電源ピンの近くにデカップリングコンデンサを配置するのが最適です。
もう1つの主な目的は、電源プレーンとグランドプレーンのペアに入るノイズを減らし、EMIを減らすことです。 2つの主な問題がこのノイズを引き起こす可能性があります。 1つはデカップリングコンデンサで、十分な電流が供給されないため、IC電源ピンの電圧が一時的に低下します。もう1つは、高速スイッチング信号を備えたビアを使用して電源プレーンとグランドプレーンの間に送信される意図的な電流です。
2つの機能に基づいて、設計のデカップリングコンデンサの配置と数を選択する必要があります。多くの場合、コンデンサをボード全体に分散させるのが最善の方法です。使用するICのグランドピンと電源ピンの近くにコンデンサを配置してみてください。容量の最大値を使用することもお勧めします。すべてのコンデンサを同じ値に保つのが最善です。また、高等価直列抵抗（ESR）と通常のコンデンサを組み合わせて使用することもできます。
覚えておくべきPCBの基本ルール
接地は、PCB設計の重要な部分です。すべてのPCB設計は、特定の接地方法に従う必要があります。接地するときに覚えておくべきいくつかのヒントがあります。
1。すべてが接続されていることを確認します
未接続のPCBレイアウトに何もないことを確認してください。グラウンドプレートに接続する銅とビアでオープンスペースを埋めることをお勧めします。そうすることで、すべての信号を効率的に地面に到達させることができる構造化されたパスが確実に存在するようになります。
2。グラウンドレイヤー全体を維持する
多くの4層ボードと同様に、専用のグラウンドレイヤーがある場合は、ルートトレースがないことを確認してください。ルートトレースを追加してグラウンド層を分割すると、グラウンド電流ループが作成されます。代わりに、グラウンドレイヤーが完全なままであることを確認してください。
3。共通のグラウンドポイントを持っている
すべてのPCBには、すべてのグラウンドが集まる単一のポイントが必要です。多くの場合、これは製品の金属フレームまたはシャーシです。ボードの専用レイヤーにすることもできます。この単一のポイントは、さまざまな導体がこの場所から星にいくらか似たパターンで伸びているため、スターグラウンドと呼ばれることがよくあります。ミックスドシグナルアプリケーションでは、スターポイントで交わる別々のアナログおよびデジタルグラウンドを持つ別々のアナログおよびデジタル電源が存在する場合があります。
4。シリーズビアの使用を最小限に抑える
グランドパスに沿ったビアの数を最小限に抑え、コンポーネントのグランドをできるだけ直接グランドプレーンに送るのが最善です。ボードにビアを追加すると、インピーダンスがさらに高くなります。この考慮事項は、インピーダンス経路が電圧差になる可能性のある高速過渡電流にとって特に重要です。
5。ルーティング前の接地の設計
アースは、ルーティングの前に設計する必要があります。地面はルーティングプロセスの基盤であるため、地面を正しく設計することが重要です。アースの設計が不十分な場合、デバイス全体が危険にさらされますが、1つの信号が期待どおりに機能しない場合はそうではありません。
6。電流がどのように流れているかを理解する
ボードのどこに電流が流れているかを理解すると、適切な接地を確保するのに役立ちます。信号がどこに向かうのか、また信号がたどるリターンパスを考慮することが重要です。信号の送信パスと戻りパスの電流は同じであり、これはグランドバウンスと電力の安定性に影響を与える可能性があります。
7。根拠間の動的分散に備える
マルチボードシステムでは、ボード間でアース接続を送信する場合、動的変動を計画することが重要です。長距離ケーブルを必要とするアプリケーションを扱う場合は特に重要です。光アイソレータ、低電圧差動信号、およびコモンモードチョークは、変動を制御下に保つのに役立ちます。
8。ミックスドシグナルの考慮事項を念頭に置いてください
アナログ信号とデジタル信号を一緒に扱う場合は、計画に注意する必要があります。アナログ-デジタルコンバーター（ADC）やデジタル-アナログコンバーターなど、ボードのアナログ部分は分離しておく必要があります。 ADCのグラウンドを共通のグラウンドポイントに結び付けて、デジタル信号をPCBの他のセクションに渡すことができます。
PCBのニーズに合わせてミレニアム回路を制限したパートナー
適切な接地は、すべてのPCBにとって重要な考慮事項です。この概念を取り巻く混乱はしばしばあり、実装は難しい場合があります。設計における電流の流れを確実に理解し、この記事で説明されている実践と手法のいくつかを採用することが役立ちます。
MillenniumCircuitsのような経験豊富なPCBサプライヤーと提携することも役立ちます。アプリケーションに適切な接地技術を使用するPCBを確実に受け取ることができます。ご不明な点がある場合や、次のプロジェクトに最適なPCBを見つけるためのサポートが必要な場合は、お問い合わせください。今日から始めるには、簡単な見積もりをリクエストしてください。
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