PCBグラウンド設計の習得：信頼性の高い回路設計のための必須技術
目次：
- グラウンドとは
- グラウンディング用語
- PCBグラウンディング技術
- グラウンディング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
- グランド層を完全に保つ
- シリーズビアの使用を最小限に
- 共通グランドポイントを持つ
グラウンディングは、あらゆる電子回路と電流を扱うシステムにとって重要な概念です。電力網から家庭、プリント基板（PCB）まで、すべてにグラウンドがあります。PCBはほぼすべてのエレクトロニクスの機能に不可欠であり、各PCBは正しく機能するために適切なグラウンディングを必要とします。
人々は「グラウンド」という用語をさまざまな概念を説明するために使います。この記事では、これらの概念、PCBにおけるグラウンドの重要性、PCBでのグラウンディング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？
プリント基板上のグランドプレーンは、任意の電位ノードと電流の共通リターンとして機能する導電性ボディです。ゼロ基準またはゼロボルトのポイントです。グラウンドは、信号を基準とする参照点です。
エレクトロニクスでは、グラウンドは回路内の特定のポイントに与えられる名前です。正負の端子を持つ単一電池の回路では、負極が通常グラウンドと呼ばれます。
一部の回路には、正、負、グラウンドと呼ばれる接続があります。これらの場合、グラウンドは電圧で測定した負極と正極の中間点です。電圧が9ボルトなら、グランドプレーンは4.5ボルトになります。しかし、グラウンドをゼロ、正極を4.5ボルト、負極を-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の間には依然として9の差があるため、これが可能です。
グラウンディング技術の不適切な使用は、システムの性能を劇的に低下させる可能性があります。不要なグラウンドと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。これらは性能を悪化させる可能性があります。外部信号結合、コモン電流、その他の問題がこれらの電圧を引き起こします。導体の適切なルーティングとサイジング、差動信号処理の採用、グラウンド分離技術の使用が、これらの望ましくない電圧の制御に役立ちます。
混合信号アナログ・デジタル環境で作業する際には、特別な考慮事項もあります。グラウンディングは、ワイドダイナミックレンジを持つ信号を扱う際のノイズ最小化に役立ちます。
グラウンディング用語
グラウンドと呼ばれるさまざまなタイプのノードがあります。フローティンググラウンド、バーチャルグラウンド、アースグラウンドなどです。
- フローティンググラウンド： これらのノードは、隔離されたシステム内の基準点であり、物理的にアースに接続されていません。
- バーチャルグラウンド： これらのノードは、負帰還回路のオペアンプ反転入力端子で見つかります。非反転入力がゼロボルトのとき、安定した回路では帰還により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、帰還によってのみ保持されます。
- ACグラウンド： これらのノードは低インピーダンスDC値を持ちます。このDC電圧は、小さな擾乱にさらされても安定しています。DC値があるため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。
- アースグラウンド： 大規模電気システムでは、アースのグラウンドは文字通り大地への接続です。例えば、すべての家には余剰電流を逃がすために大地に打ち込まれた銅極があります。
- シャーシグラウンド： PCB内のエレクトロニクスは物理的な大地に接続できませんが、シャーシグラウンドは同じ目的を果たします。このグラウンドは、AC電源から製品のケースまたはシャーシへの安全配線の接続です。
アースグラウンドとシャーシグラウンドは同じ機能を果たすため、これらの用語は安全グラウンドという用語とともにしばしば交換可能に使用されます。
PCBをグラウンドする際、万能のアプローチはありません。システム内の電流の流れ方を理解して、システムをグラウンドする最良の方法を決定する必要があります。しかし、選択できるさまざまな方法と、大多数のシステムに適用されるベストグラウンディングプラクティスのヒントがあります。あなたの基板に適したアプローチを決定するには、基板の設計を理解し、いくつかの技術を試す必要があるかもしれません。
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PCBグラウンディング技術
PCBをグラウンド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
一般的な技術の一つは、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製造業者は、コンポーネントやトレースがないすべての領域を銅グランドプレーンで覆います。
2層基板では、標準的なPCBグランドプレーンルールでは、グランドプレーンを基板の底層に配置し、コンポーネントと信号トレースを上面に配置することを示しています。
グランドプレーンによって導電性材料のリングが形成されることは避けるのがベストです。これはグランドプレーンを電磁干渉（EMI）に対してより感受性の高いものにするためです。この導電性リングはインダクタとして働き、外部磁場がグランドループと呼ばれる電流を引き起こす可能性があります。底層全体にグランドプレーンを配置し、電子コンポーネントがある部分を除去すると、導電性リングができてしまう可能性があります。この問題を避けるには、トレースを可能な限り短くし、マッピング後にグランドプレーンを配置してそれらの完全に下を通るようにします。導電性リングを作らなくて済むよう、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かもしれません。
グランドプレーンは基板の両面にあることもよくあります。一部のケースでは、コンポーネント側のプレーンを電源電圧に保ち、基板の反対側のプレーンをグラウンドにします。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。各プレーンは個別に電源に接続し、プレーンを分離してグランドループの発生を防止すべきです。
2. グランドプレーンビア
PCBの両面にグランドプレーンがある場合、基板上の多くの異なる場所でビアを通じて接続されます。これらのビアは基板を貫通し、両面を互いに接続する穴です。これらは、ビアを収められる場所であればどこからでもグランドプレーンにアクセスできるようにします。
ビアを使用すると、グランドループを避けるのに役立ちます。これらはコンポーネントを直接グランドポイントに接続し、それらは低インピーダンスを通じて回路の他のすべてのグランドポイントに接続されます。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。
グランドプレーンのような銅片は、流れ込む電流の周波数の波長の4分の1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ングビアを配置すると、これを制御できます。実用的な経験則は、グランドビアを波長の8分の1以下の間隔で配置することです。これは、トレース上のスタブが波長の8分の1で問題になり始めるため機能します。
ビアを作成するには、基板に小さな穴をあけ、薄い銅線を通してから、両面ではんだ付けして必要な接続を形成します。
3. コネクタグラウンド
PCBのすべてのコネクタはグラウンドに接続されるべきです。コネクタでは、すべての信号導体が並列で走らなければなりません。このため、グランドピンを使用してコネクタを分離する必要があります。
各基板には、グラウンドにつながる複数のコネクタピンが必要でしょう。ピンが1つだけだと、インピーダンスミスマッチの問題が生じ、発振を引き起こす可能性があります。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行き来する可能性があります。これらの発振はシステムの性能を変え、意図した通りに動作しない原因となります。コネクタの各ピンの接触抵抗は低いですが、時間とともに上昇する可能性があります。このため、複数のグランド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%をグランドピンにすべきです。
コネクタはさまざまなピッチがあり、異なる行数のピンを持つことがあります。コネクタのピンは、PCB表面と平行または直角である場合があります。
4. デカップリング
PCBには1つ以上の集積回路チップが含まれ、動作に電力を必要とします。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デカップリングコンデンサがあり、チップに供給される電圧の発振を平滑化する役割を果たします。デカップリングコンデンサの反対側はグランドプレーンに接続されます。
デカップリングコンデンサの使用の主な理由の一つは機能性に関係します。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）が追加電流を必要とするとき、デカップリングコンデンサは低インピーダンスパスを通じてそれを提供できます。このため、デカップリングコンデンサをIC電源ピンの近くに配置するのがベストです。
もう一つの主な目的は、電源とグランドプレーンの組み合わせに入るノイズを減らし、EMIを減らすことです。このノイズを引き起こす2つの主要な問題があります。一つは、デカップリングコンデンサが十分な電流を提供せず、IC電源ピンの電圧が一時的に低下すること。もう一つは、高速スイッチング信号を持つビアを使用して、意図的に電源とグランドプレーン間に電流を送ることです。
設計のデカップリングコンデンサの配置と数は、これら2つの機能性に基づいて選択すべきです。多くの場合、コンデンサを基板全体に分散させるのが最良のアプローチです — ICグランドと電源ピンの近くにいくつか配置して使用してみてください。最高の静電容量値を使用することも推奨され、すべてのコンデンサを同じ値に保つのがベストです。高等価直列抵抗（ESR）コンデンサと通常コンデンサの組み合わせを使用することもできます。
覚えておくべきPCBグラウンディングルール
グラウンディングはあらゆるPCB設計の不可欠な部分です。すべてのPCB設計は特定のグラウンディングプラクティスに従う必要があります。グラウンディング時に覚えておくべきいくつかのヒントを示します。
1. すべてが接続されていることを確認
PCBレイアウトに未接続のものがないことを確認してください。オープンスペースを銅と、グランドプレートに接続するビアで埋めるのが望ましいです。これにより、すべての信号が効率的にグランドに到達できる構造化されたパスが確保されます。
2. グランド層を完全に保つ
多くの4層基板のように専用グランド層がある場合、その上に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ンド層を分割すると、グランド電流ループが生成されます。代わりに、グランド層が完全な状態を保つよう確保してください。
3. 共通グランドポイントを持つ
すべてのPCBは、すべてのグラウンドが集まる単一のポイントを持つべきです。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。専用基板層であることもあります。この単一ポイントは、さまざまな導体がこの場所から星のようなパターンで伸びるため、スターグランドと呼ばれることがよくあります。混合信号アプリケーションでは、別個のアナログとデジタル電源が、スターポイントで合流する別個のアナログとデジタルグラウンドを持つ場合があります。
4. シリーズビアの使用を最小限に
グランドパスに沿ったビアの数を最小限に抑え、コンポーネントグラウンドをできるだけ直接グランドプレーンに送るのがベストです。基板に追加のビアを加えると、さらなるインピーダンスが生じます。この考慮事項は、インピーダンスパスを電圧差に変える可能性のある高速過渡電流にとって特に重要です。
5. ルーティング前にグラウンディングを設計
グラウンドは、あらゆるルーティングの前に設計されるべきです。グラウンドはルーティングプロセスの基盤なので、正しくグラウンドを設計することが不可欠です。グラウンドが不適切に設計されていると、デバイス全体がリスクにさらされますが、1つの信号が期待通りに動作しない場合はそうではありません。
6. 電流の流れ方を理解する
基板上で電流がどこに向かっているかを理解することは、適切なグラウンディングを確保するのに役立ちます。信号がどこに行くかだけでなく、それが取るリターンパスも考慮することが不可欠です。信号の送信とリターンパスは同じ電流を持ち、これがグランドバウンスと電源安定性に影響します。
7. グラウンド間の動的差異に備える
マルチボードシステムでボード間でグラウンド接続を送る際、動的差異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とき、特に重要です。光アイソレータ、低電圧差動信号、コモンモードチョークが差異を制御下に置くのに役立ちます。
8. 混合信号の考慮事項を念頭に置く
アナログとデジタル信号を一緒に扱う際、計画に注意が必要です。基板のアナログ部分は、アナログ-デジタルコンバータ（ADC）とデジタル-アナログコンバータを含め、分離しておくべきです。ADCのグラウンドを共通グランドポイントに戻し、そこでデジタル信号をPCBの他のセクションに渡せます。
Millennium Circuits Limitedとパートナーシップを組んでPCBニーズを満たす
適切なグラウンディングはすべての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がしばしばあり、実装は難しい場合があります。あなたの設計における電流の流れを理解し、この記事で説明したプラクティスと技術の一部を採用することで、助けになります。
Millennium Circuitsのような経験豊富なPCBサプライヤーと提携することも助けになります。あなたのアプリケーションに適した適切なグラウンディング技術を使用したPCBを受け取れるよう支援できます。ご質問や、次のプロジェクトに最適なPCBを見つけるお手伝いが必要な場合は、お問い合わせください。クイック見積もりをリクエストして、今すぐ始めましょう。
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