PCB電磁干渉対策のマスター：信頼性の高い設計のための戦略

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電磁干渉を避ける重要性｜電磁問題を防止・修正するEMC設計原則｜1. グランドプレーン｜2. トレースレイアウト｜3. コンポーネント配置｜4. EMIシールド｜Millennium Circuits LimitedからのEMC設計

電磁気の問題は、PCB設計者を常に悩ませています。システム設計エンジニアは、電磁適合性と干渉を常に監視しなければなりません。残念ながら、小さな設計問題でも電磁的困難を引き起こす可能性があります。基板設計が縮小し、顧客がより高速を求める中、これらの問題はこれまで以上に一般的になっています。

主要な2つの問題は、電磁適合性（EMC）と電磁干渉（EMI）です。

電磁適合性（EMC）は、一般的に不良設計を通じて、電磁エネルギーの生成、伝播、受信に関わります。電磁干渉（EMI）は、EMCの望ましくない有害な影響、および環境源からの電磁干渉を指します。過度のEMIは、不良品や破損製品をもたらす可能性があります。あらゆるPCB設計者は、EMIの量と影響を最小限に抑えるためにEMC設計ルールに従うべきです。

幸い、適切なEMC設計は回路基板のEMIを低減できます。

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電磁干渉を避ける重要性

電磁干渉の発生源は我々の周囲にあり、いくつかの方法で分類できます。

• 発生源別： 人為的EMIは電子回路から生じます。一方、自然発生的EMIは、宇宙ノイズや雷などの環境要因から生じます。

• 持続時間別： 継続的干渉は一定信号を放出するEMI源で、多くの場合背景ノイズとして現れます。衝動性干渉は断続的で、通常スイッチングシステム、雷、その他の非定常源によって引き起こされます。

• 帯域幅別： ラジオで使用される狭帯域信号は、発振器と送信機からの干渉を受ける可能性がありますが、これらの源はスペクトルの特定部分にのみ断続的に影響します。広帯域干渉は、テレビのような高データ信号に影響し、アーク溶接機や太陽ノイズなど多くの源から来ます。

人為的か環境かに関わらず、EMIはコストがかかり危険です。通信チャネルと感度の高いデバイスを妨害します。医療分野ではワイヤレスデバイス使用が増加しているため、EMIは注目すべき懸念事項です。残念ながら、EMIは人工呼吸器、心電図モニタ、心臓モニタ、除細動器などの医療機器の機能に影響を与える可能性があります。他の業界では、EMIはセンサーとナビゲーションシステムを妨害します。すべての場合、ユーザーの健康と安全を担う装置の妨害という結果になります。

しかし、EMIの最も一般的な発生源、そして設計者にとって最も問題となる発生源は内部です。不良なPCB設計は、基板上で互いに互換性のない信号が干渉し合う結果を招きます。この干渉は最終的に基板の故障を引き起こす可能性があります。設計者は、干渉を最小限に抑え、放出される信号が互換性を持ち干渉を引き起こさないことを確保しなければなりません。

 

電磁問題を防止・修正するEMC設計原則

回路基板設計者は、電磁適合性設計原則に従ってEMIを最小限に抑える必要があります。EMC問題の基本的原因はかなり一般的で、トレース、回路、ビア、PCBコイル、その他の要素間で干渉を引き起こす設計欠陥に関連しています。

これらの重要な設計原則は、プリント基板設計における電磁問題の防止と修正に役立ちます。

 

1. グランドプレーン

PCBのグランドプレーン設計は最も重要なステップであり、EMI低減に不可欠です。すべての回路は動作にグランドを必要とするため、グランドプレーンはEMIに対する第一の防衛線です。EMI低減のためのグランド設計における一般的なベストプラクティスには以下が含まれます。

• グランド面積を最大化： PCB内で可能な限りグランド面積を増やします。面積が多いと信号がより容易に分散し、エミッション、クロストーク、ノイズを低減します。グランドプレーンが小さすぎる場合、もう一層追加して多層PCBにすることも可能です。この設計解決策は、高速トレースの処理に更なる選択肢を提供します。

• ソリッドプレーンを使用： 特に多層PCBでは、ソリッドグランドプレーンが理想的です。銅盗み（カッパーシーフ）とハッシュドグランドプレーンは通常、より高いインピーダンスレベルをもたらします。一方、ソリッドグランドプレーンはより低いレベルを提供します。

• 各コンポーネントを接続： すべての部品をグランドプレーンまたはポイントに接続します。グランドプレーンは基板設計の中和剤として機能し、フローティングコンポーネントはこの利点を十分に活用できません。

• 分割プレーンには注意： 高度に複雑なPCB設計には多数の制御電圧が含まれることが多く、それぞれ独自のグランドプレーンを持つべきです。しかし、グランドプレーンが多すぎると製造コストが増加します。この問題は通常、分割プレーンを使用して単一層上に複数のグランドセクションを作成することで回避されます。しかし、設計者は常に分割プレーンを慎重に使用すべきです。分割プレーンを使用する正当な理由があることを確認し、使用する場合は単一点でのみ接続するようにしてください。分割グランドPCBで複数のグランド接続があると、ループが生成され、EMIを放射するアンテナになります。

• バイパス/デカップリングコンデンサを接続： 設計にバイパスまたはデカップリングコンデンサが含まれる場合、それらをグランドプレーンに接続します。これにより、ループサイズを減らしてリターン電流を減らすのに役立ちます。

• 信号長を最小化： トレース長は重要です。信号がソースへ往復する時間が互換性を持たなければ、EMIを放射する可能性があります。トレース長を可能な限り短く、ほぼ等しく保ってください。

 

2. トレースレイアウト

トレースは基板設計において特に重要です。適切なトレース使用は、適切に伝播した電流を保証します。しかし、トレースがトップEMC設計ルールに従って配置されていない場合、多くの問題が生じます。

トレースは本質的に、回路がアクティブな間、流れる電子を含む導電パスです。したがって、これらのトレースは一歩間違えると放射アンテナを作り出します。単純な曲がりや交差が、PCB電磁干渉を引き起こす可能性があります。

PCB設計におけるトレースレイアウトのベストルールには以下が含まれます。

• 直角を避ける： ビア、トレース、その他の部品で45度〜90度の角度を避けてください。トレースが45度を超える角度に達すると静電容量が増加します。結果として特性インピーダンスが変化し、反射が生じます。この反射がEMIを引き起こします。コーナーを曲がる必要があるトレースを丸めるか、45度以下の角度を2つ以上組み合わせてルーティングすることで、この問題を回避できます。

• 信号を分離： 高速トレースを低速信号から、アナログ信号をデジタル信号から分離してください。近接は干渉を引き起こす可能性があります。

• リターンパスを短縮： リターン電流パスを可能な限り短くし、最小抵抗のパスに沿ってルーティングしてください。リターンパスは送信トレースとほぼ同じ長さか、より短くすべきです。

• スペースに注意： 並列に走る2つの高速信号は、クロストークによってEMIを生成します。一方のトレースが「加害者」、もう一方が「被害者」となります。加害者は誘導結合と容量結合を通じて被害者トレースに影響し、被害者トレースに順方向と逆方向の電流を生成します。トレース間の最小スペースを確保することでクロストークを最小化できます。一般的に、トレース幅の2倍以上の間隔を空けます。例えば、トレース幅が5/1000インチなら、2つの平行トレース間に最小10/1000インチ以上の間隔を保ちます。

• ビアを慎重に使用： ビアは、ルーティング時に基板の複数層を活用できるため、PCB設計に必要です。しかし、設計者はビア使用時に注意しなければなりません。ビアは独自のインダクタンスとキャパシタンス効果を加え、特性インピーダンスの変化による反射を引き起こす可能性があります。ビアはトレース長も増やし、これはマッチングが必要です。可能な限り、差動トレースにビアを使用しないでください。不可能な場合、両方のトレースで使用して遅延を補償してください。

 

3. コンポーネント配置

電子部品は電子回路の構成要素です。しかし、不適切に配置すると、いくつかのEMI問題を引き起こします。PCB設計時、各ピースのEMI影響を意識してください。PCB設計におけるコンポーネントレイアウトのベストプラクティスには以下が含まれます。

• アナログとデジタル部品を分離： トレースと同様に、常にアナログとデジタルの回路およびコンポーネントを分離してください。アナログとデジタル回路を近接配置すると、クロストークなどの問題が生じます。これを避けるため、シールド、多層、別々のグランドを使用して、アナログとデジタル信号を可能な限り離して配置します。一般的に、アナログとデジタル信号を完全に別々のグランドに保つのが最善です。

• アナログと高速部品を分離： アナログ回路は大電流を流すため、高速トレースとスイッチング信号に問題を引き起こす可能性があります。これらを互いに離し、アナログ回路をグランド信号でガードしてください。多層PCBでは、アナログトレースをルーティングして、アナログ回路とスイッチング/高速信号の間にグランドプレーンが存在するようにします。

• 高速コンポーネントに注意： コンポーネントが高速かつ小型ほど、より多くのEMIを生成する可能性があります。この自然なEMIはシールドとフィルタリングで対抗できますが、基板設計でこれらのコンポーネントを他から分離することも良い策です。もう一つの対策は、高速信号とクロックを可能な限り短くし、グランドプレーンに隣接させることです。これらの対策は、クロストーク、ノイズ、放射レベルを許容限度内に抑えるのに役立ちます。

 

4. EMIシールド

どの設計ルールを守っても、一部のコンポーネントはEMIを生成します。特に小型・高速パーツです。幸い、シールドとフィルタリングでこのEMIの影響を最小限に抑えられます。シールドとフィルタリングのオプションには以下が含まれます。

• コンポーネントおよび基板シールド： 物理シールドは、基板の全部または一部をカプセル化する金属パッケージです。目的はEMIが基板回路に入るのを防ぐことですが、具体的な方法はEMIの発生源により異なります。システム内部からのEMIには、EMIを生成する特定コンポーネントを包み込むコンポーネントシールドを使用し、グランドに接続してアンテナループサイズを減らし、EMIを吸収します。他のシールドは基板全体を包み、外部ソースからのEMIから保護します。ファラデーケージは、RF波を遮断する厚い保護エンクロージャで、通常金属や導電性フォームで作られます。

• ローパスフィルタリング： PCBにローパスフィルターを含め、コンポーネントからの高周波ノイズを除去することもあります。これらのフィルターはこれらの部品からのノイズを抑制し、電流が干渉なしでリターンパスを続行できるようにします。

• ケーブルシールド： アナログとデジタル電流を運ぶケーブルが、最大のEMI問題を生み出します。寄生容量とインダクタンスを生成するためで、特に高周波信号で問題になります。幸い、これらのケーブルをシールドし、前後でグランドに接続することで、EMI干渉をキャンセルできます。

 

Millennium Circuits LimitedからのEMC設計

テクノロジーの進歩と電磁干渉問題の増大に伴い、貴社は未来に備えるリソースへの投資が必要です。電磁気問題はより高度になり、最新のベストプラクティスを常に把握することが、これらの問題を回避し、貴社を将来の成功に導く最善の方法です。その一部には、品質プリント基板サプライヤーとのパートナーシップが含まれます。サプライヤーは、どんなPCBプロジェクトが来ても対応できる態勢を整えます。Millennium Circuits Limitedがそのお手伝いをします。

Millennium Circuits Limited（MCL）は、米国でPCBを製造する業界トップクラスのプリント基板サプライヤーです。私たちの目標は、専門的に設計され、競争力のある価格で最高のPCBをお届けすることです。

オフショア製造も提供し、コスト改善と予算維持を支援します。ユニークな基板タイプが必要な場合、知識豊富なプロフェッショナルが、フレキシブル基板、セラミック基板から高速デジタル基板まで、考えられるほぼあらゆるタイプのプリント基板を実現できます。適切な表面処理、ビア、機能を見つけ、あなたが望む品質で基板を実現するお手伝いをします。

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