PCB電磁問題の克服

電磁気の問題は一貫してPCB設計者を悩ませています。システム設計エンジニアは、常に電磁両立性と干渉を監視する必要があります。残念ながら、小さな設計上の問題でさえ、電磁的な問題を引き起こす可能性があります。これらの問題はこれまで以上に一般的であり、ボードの設計が縮小し、顧客はより高速を要求しています。

関係する2つの主要な問題は、電磁両立性と電磁干渉です。

電磁両立性（EMC）には、一般に不十分な設計による電磁エネルギーの生成、伝播、および受信が含まれます。電磁干渉（EMI）とは、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。 EMIが多すぎると、製品の欠陥や損傷につながる可能性があります。 PCB設計者は、EMIの量と影響を最小限に抑えるために、EMCの設計ルールに従う必要があります。

幸い、適切なEMC設計により、回路基板のEMIを低減できます。

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電磁干渉を回避することが重要な理由

電磁干渉の原因は私たちの周りにあり、いくつかの方法で分類できます。

出典： 人為的なEMIは電子回路から発生します。一方、自然に発生するEMIは、宇宙ノイズや雷などの環境要因から発生する可能性があります。

期間： 連続干渉は、一定の信号を放出するEMIソースであり、ほとんどの場合、バックグラウンドノイズとして現れます。インパルス干渉は断続的であり、通常、スイッチングシステム、雷、その他の一定でない光源によって引き起こされます。

帯域幅： ラジオで使用されるような狭帯域信号は、発振器や送信機からの干渉に遭遇する可能性がありますが、これらのソースはスペクトルの特定の部分に断続的にしか影響を与えません。ブロードバンド干渉は、テレビなどの高データ信号に影響を及ぼし、アーク溶接機やソーラーノイズなどの多くのソースから発生する可能性があります。

人為的であろうと環境的であろうと、EMIは費用がかかり危険である可能性があります。通信チャネルや機密性の高いデバイスを混乱させる可能性があります。 EMIは、ワイヤレスデバイスの使用が増加している医療分野で注目すべき懸念事項です。残念ながら、EMIは、人工呼吸器、ECGモニター、心臓モニター、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がセンサーやナビゲーションシステムを混乱させる可能性があります。その結果、すべての場合において、ユーザーの健康と安全に責任を負う可能性のある機器の障害が発生します。

ただし、EMIの最も一般的な原因、および設計者にとって最も問題のある原因は内部です。 PCBの設計が不十分だと、互換性のない信号がボード上で互いに干渉する可能性があります。この干渉により、最終的にボードが故障する可能性があります。設計者は、干渉を最小限に抑え、干渉を引き起こさないように、放出される信号に互換性があることを確認する必要があります。

電磁問題を防止および修正するためのEMC設計原則

回路基板の設計者は、EMIを最小限に抑えるために、電磁両立性設計の原則に従う必要があります。 EMCの問題の基本的な原因はかなり一般的であり、ほとんどの場合、トレース、回路、ビア、PCBコイル、およびその他の要素間の干渉を引き起こす設計上の欠陥に関係しています。

これらの重要な設計原則は、プリント回路基板の設計におけるこれらの電磁的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を設計することは最も重要なステップであり、EMIを低減するために重要です。すべての回路が機能するにはグランドが必要なため、グランドプレーンはEMIに対する最初の防御線です。 EMIを低減するための地盤設計の一般的なベストプラクティスには、次のものがあります。

地上面積を最大化する： PCB内の接地面積を可能な限り増やします。信号は、より多くの領域でより簡単に分散し、放射、クロストーク、およびノイズを低減できます。グランドプレーンが小さすぎる場合は、別の層を追加して多層PCBを作成することができます。この設計ソリューションは、高速トレースを処理するためのより多くのオプションを提供します。

ソリッドプレーンを使用する： 特に多層PCBでは、ソリッドグランドプレーンが理想的なオプションです。銅泥棒およびハッシュされた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、ソリッドグラウンドプレーンは、より低いレベルを提供します。

各コンポーネントを接続します： 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ボード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れを十分に活用していません。

分割平面に注意してください： 非常に複雑なPCB設計には、多くの場合、多数の安定化電圧が含まれています。これらの電圧には、それぞれ独自のグランドプレーンが必要です。ただし、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、単一のレイヤー上に複数の地面セクションを作成する分割平面を使用することで回避されます。ただし、設計者は常に分割平面を慎重に使用する必要があります。分割平面を使用する正当な理由があることを確認し、分割平面を使用する場合は、それらが1点でのみ接続されていることを確認してください。スプリットグラウンドPCBの複数のグラウンド接続によりループが発生し、EMIを放射するアンテナが発生する可能性があります。

バイパスまたはデカップリングコンデンサを接続します： デザインにバイパスまたはデカップリングコンデンサが含まれている場合は、それらをグランドプレーンに接続します。この動作は、ループのサイズを小さくすることにより、戻り電流を減らすのに役立ちます。

信号の長さを最小化する： 信号がソースに出入りするのにかかる時間は互換性がなければならないため、トレースの長さは重要です。そうしないと、EMIを放射する可能性があります。トレースの長さをできるだけ短くし、長さをほぼ等しくします。

2。トレースレイアウト

ボードの設計では、トレースが特に重要です。トレースを適切に使用すると、電流が適切に伝播されます。ただし、トレースが上位のEMC設計ルールに従って配置されていない場合、多くの問題が発生する可能性があります。

トレースは本質的に、回路がアクティブなときに流れる電子を含む導電性パスです。したがって、これらのトレースは、放射アンテナを作成することから離れた1つの間違いです。単純な曲げまたは交差は、PCBの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最良のルールには、次のものがあります。

直角を避ける： ビア、トレース、その他の部品の角度を45度から90度にしないでください。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。その結果、特性インピーダンスが変化し、反射につながります。この反射によりEMIが発生します。この問題を回避するには、角を曲がる必要のあるトレースを丸めるか、45度以下の2つ以上の角度でトレースをルーティングします。

信号を分離してください： 高速トレースを低速信号から分離し、アナログ信号をデジタル信号から分離します。近接すると干渉が発生する可能性があります。

短いリターンパス： リターン電流パスをできるだけ短くし、抵抗が最小のパスに沿ってルーティングします。リターンパスは、送信トレースとほぼ同じ長さか、それより短くする必要があります。

心の間隔： 並列に実行される2つの高速信号は、クロストークを介してEMIを生成します。この場合、一方のトレースは「攻撃者」であり、もう一方は「犠牲者」です。攻撃者は、誘導性および容量性結合を介して被害者のトレースに影響を与え、被害者のトレースに順方向および逆方向の電流を生成します。トレース間の間隔を最小限に抑えることで、クロストークを最小限に抑えることができます。通常、トレースはトレース幅の2倍で区切ります。たとえば、トレースの幅が5千分の1インチの場合、2つの平行なトレース間の最小距離を1万分の1インチ以上に保ちます。

ビアを慎重に使用する： ビアは、配線時にボードの複数の層を利用できるため、PCB設計に必要です。ただし、設計者はそれらを使用する際に注意する必要があります。ビアは、独自のインダクタンスと容量の効果をミックスに追加し、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長くしますが、これを一致させる必要があります。可能であれば、差動トレースにビアを使用しないでください。ただし、これが不可能な場合は、両方のトレースでそれらを使用して、遅延を補正してください。

3。コンポーネントの配置

電子部品は、電子回路の構成要素です。ただし、それらを不適切に配置すると、いくつかのEMI問題が発生する可能性があります。 PCBを設計するときは、各部品のEMIの影響に注意してください。 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、次のものがあります。

アナログ部品とデジタル部品を分離する： トレースと同様に、常にアナログとデジタルの回路とコンポーネントを分離します。アナログ回路とデジタル回路を近接して配置すると、クロストークなどの問題が発生する可能性があります。これを回避するには、シールド、複数のレイヤー、および別々のグラウンドを使用して、アナログ信号とデジタル信号をできるだけ離して配置します。一般に、アナログ信号とデジタル信号を完全に別々のグラウンドに保持するのが最善です。

アナログと高速のピースを分離する： アナログ回路には大電流が流れるため、高速トレースやスイッチング信号に問題が発生する可能性があります。これらを互いに離して、アナログ回路を接地信号で保護してください。多層PCBでは、アナログ回路とスイッチング信号または高速信号の間にグランドプレーンが存在するようにアナログトレースを配線します。

高速コンポーネントに注意してください： コンポーネントが高速で小さいほど、生成される可能性のあるEMIの量が多くなります。シールドとフィルタリングによってこの自然なEMIと戦うことができますが、ボード設計でこれらのコンポーネントを他のコンポーネントから分離することもお勧めします。取るべきもう1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、および放射線のレベルを抑制し、許容可能なレベル制限内に保つのに役立ちます。

4。 EMIシールド

一部のコンポーネント、特に小型の高速部品は、従う設計規則に関係なくEMIを生成します。幸い、シールドとフィルタリングにより、このEMIの影響を最小限に抑えることができます。一部のシールドおよびフィルタリングオプションには、次のものがあります。

コンポーネントとボードのシールド： 物理シールドは、ボードの全部または一部をカプセル化する金属製のパッケージです。彼らの目標は、EMIがボードの回路に入らないようにすることですが、具体的な方法はEMIのソースによって異なります。システム内から発生するEMIの場合、コンポーネントシールドを使用して、EMIを生成する特定のコンポーネントを包み込むことができます。これにより、グランドに接続し、アンテナループサイズを縮小してEMIを吸収します。他のシールドは、外部ソースからのEMIから保護するために、ボード全体を包む場合があります。たとえば、ファラデーケージは、RF波を遮断するように設計された厚い保護エンクロージャです。これらのデバイスは通常、金属または導電性フォームでできています。

ローパスフィルタリング： PCBには、コンポーネントからの高周波ノイズを除去するためのローパスフィルターが含まれている場合があります。これらのフィルターは、これらの部分からのノイズを抑制し、電流が干渉なしにリターンパスを継続できるようにします。

ケーブルシールド： アナログおよびデジタル電流を運ぶケーブルは、EMIの問題を最も多く引き起こします。これらは、寄生容量と寄生インダクタンスを生成することによってこれらの問題を引き起こします。これは、高周波信号の特定の問題です。幸い、これらのケーブルをシールドし、前面と背面でアースに接続すると、EMI干渉を相殺するのに役立ちます。

MillenniumCircuitsLimitedのEMC設計

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