高速 PCB:総合ガイド
間違いなく、ほとんどの通常のエンジニアリング プロジェクトでは、標準の PCB 設計が使用されています。また、従来の PCB はすべてに対応できるわけではありません。そのため、高度なアプリケーションを扱う場合は、高速 PCB が必要になります。
ただし、高速 PCB の設計は難しい場合があります。信号の完全性、反射、クロストークなどの詳細に注意を払う必要があります。これらの用語に慣れていない場合は、この記事が役に立ちます。
この記事では、高速 PCB のすべてと、高速 PCB を設計するためのルールについて学びます。また、高周波 PCB と比較します。
それでは始めましょう。
高速 PCB とは?
高速システム
高速 PCB は、高速信号を使用してコンポーネント間でデータを転送するデバイスです。信号は、ターゲットに到達するまでボードの銅配線を下ります。さらに、信号はアナログまたはデジタルにすることができます。
ただし、高速ボードと標準ボードの違いはほとんどありません。ただし、最初にこれを知っておく必要があります。システムを「高速」として分類するために使用するのは、システムの信号エッジ レートです。したがって、高速であれば高速 PCB です。そのため、システムの信号エッジ レートは、標準の PCB から高速性を分離します。
また、シグナル インテグリティの高い PCB を高速 PCB と見なします。高速設計を通常の設計と区別するのに役立つその他の指標は、高速 PCB にワイヤレス ネットワーキング用の RF フロント エンドがあることです。
また、ほとんどの高速設計は、相互接続された設計、PCB スタックアップ設計、および配線に重点を置いています。したがって、最初の 2 つの領域で問題を解決できれば、3 番目の領域は問題になりません。
高速 PCB アプリケーション
複数の PCB
高速 PCB は、ほぼすべてのアプリケーションで機能します。以下は、高速 PCB の使用をサポートするアプリケーションの一部です:
- ネットワーク通信システムで高速 PCB を使用できます。ここでの主な目的は、シグナル インテグリティの検証です。
- 高速 PCB は、高速デジタル テスト ボードを作成できます。これらのボードは、RF 信号のロールオフを含むさまざまな信号をテストできます。
- 高速 PCB は、市場投入までの時間が短く、大量生産の強力な家庭用電化製品を作成することもできます。
- 高速 PCB は、インピーダンス制御の要件が高い無線回路を作成することもできます。
- さらに、これらのボードは、高速動作が必要な医療機器でも機能します。
高速 PCB を使用するその他の製品には、次のものがあります。
- ルーター
- 高速データ チャネル
- サーバー
- パワーアンプ
- ストレージ エリア ネットワーク
- トランシーバー モジュール
高速 PCB の設計ルールと課題
プリント基板
他のすべての PCB 設計プロセスと同様に、高速 PCB には設計方法を定義するルールがあります。いくつかのルールを詳細に見ていきますが、考えられる設計上の課題についても調べます。
インピーダンス
高 PCB レイアウトを設計するときは、2 つのインピーダンス値を考慮する必要があります。これらのインピーダンス値には、シングルエンド インピーダンス Zo と差動インピーダンス Zdiff が含まれます。
これらは、パラレル インターフェイスとシリアル インターフェイスの両方に共通のインピーダンス値です。さらに、高速 PCB を設計するときは、正しいインピーダンスに固執することが不可欠です。そうしないと、PCB トラックに信号反射が生じます。
それがすべてではありません。不適切なインピーダンスを使用すると、信号品質の低下、動作周波数の低下、耐え難い EMI の発生も引き起こします。
まれではありますが、考慮する必要があるその他のインピーダンス タイプには、次のものがあります。
- 一般的な ZCM
- 偶数モードのゾーイ
- そしてオッド モード ズー
グラウンディング
ほとんどの高速 PCB 設計では、1 つのレイヤーですべてのインターフェイスをトレースすることは不可能です。したがって、トレースを複数のレイヤーに転送するには、ビアの助けが必要です。ただし、このプロセスを管理する特定の規則があります。
- 設計では、すべての層、特に信号ビアの近くで同じ GND ポリゴン電位が必要です。これらの GND ビアをスティッチング ビアと呼び、可能な限り GND ポリゴンに近づける必要があります。さらに、このルールに従うことで、すべての高速トレースが同じ GND 基準を持つようになります。
- ビアを設計するときは注意してください。設計が悪いと、ボード上でインピーダンスの問題が発生します。ただし、すべてのビアの直径が正しいことを確認することで、これを回避できます。
- 高速信号ルーティングにビアを使用するのは難しい場合があります。そのため、高電流密度と過熱を避けるために、ビア間に十分なスペースを配置する必要があります。
クロストーク
クロストークは、通信トラックを介して信号を送信するときに生成される不要な効果です。これらの不要な影響は通常、隣接するトラックにあり、信号の変化を引き起こすことがよくあります。
さらに、クロストークは通常、トラック同士が近づきすぎると発生します。このような場合、トラック間に少なくとも 3W のスペースを残すことで、クロストークを減らすことができます。
差動ペアの場合、5W ルールを使用してトラックを適切に配置します。また、ボードで周期的な信号を送信する差動ペアが必要な場合は、他の差動ペアから少なくとも 8W 離すことをお勧めします。
また、非同期信号の線路と高速信号の線路との距離も十分にとってください。さらに、隣接するボードのトラックに垂直にトラックをルーティングする多層ボードのクロストークを最小限に抑えることができます。
コンポーネントの場所
コンポーネント付き PCB
コンポーネントの配置は、コンポーネントを配置する設計、計画を開始する前に、高速 PCB 設計に不可欠です。
理想的には、アナログ コンポーネント (存在する場合) 用に別の GND ポリゴンを配置し、それらをデジタル トレースやコンポーネントから遠ざける必要があります。そうすれば、EMI の問題を回避できます。
また、高速コンポーネントは非常に長いトレースを必要としません。そのため、干渉源の近くにとどまらないように、長さを調整するための十分なスペースを確保してください。
さらに、ボードのエッジ近くに高速コンポーネントを配置することは避けなければなりません。信号品質に悪影響を及ぼします。代わりに、そのようなコンポーネントを中央に配置できます。
トラック形状
さまざまなトラック形状
高速トラックのコーナーは丸く滑らかでなければなりません。また、急なターンは避けてください。ただし、最適なトラック形状を得るにはかなりの時間がかかる場合があります。
最適なトラック形状を取得し、インピーダンスの変化を回避する最善の方法は、45 度の角度で曲げることです。
高速 PCB 設計の三大問題
高速 PCB には、解決しないと回路が役に立たなくなる可能性がある多くの問題があります。また、さまざまな問題のうち、避けるべき 3 つの主要な問題を挙げました。それでは、これら 3 つを詳しく見ていきましょう。
タイミング
特に他の標識と比較して、信号が正しく送信されていない場合、ボードにタイミングの問題があります。クロックはこれらすべての信号を制御するため、タイミングがひどい場合、受信するデータは破損したデータのみになります。
解決策:この問題は、結合された 2 つのトレース長を一致させることで解決できます。トレースをクロック レートと同期させ、同時に送信させます。
ノイズ
ノイズは、伝送中に信号に影響を与えるあらゆる形態の干渉です。すべての PCB にはある程度のノイズがありますが、ノイズ レベルが高いとデータが破損する可能性があります。したがって、これを設計で回避しなければならない問題にします。
解決策:トレース間に十分な距離を保ち、ノイズの影響を受けにくくします。適切な距離を取ることで、PCB のノイズ レベルも低下します。
誠実
送信後に信号が本来の形に見えない場合、完全性が損なわれています。このような状況は通常、送信中の信号の完全性に影響を与える干渉の結果です。
解決策:受信機と送信機の間に適切なインピーダンスを使用すると、信号の完全性と品質を向上させることができます。また、信号のノイズ感度も低下します。
高速 PCB 設計スキル
PCB設計
高速 PCB を設計する前に必要なスキルを次に示します。
インピーダンス制御を使用してトレースをルーティングする方法
青いトレースの PCB
レイヤー スタックとトレース幅の計算方法を理解する必要があります。これらの計算の結果から、重要なインピーダンス値が得られます。間違ったインピーダンス値は信号に悪影響を及ぼし、データの破損につながります。
ループ エリアの最小化
高速信号は EMI/EMC 問題の影響をかなり受けやすいです。ただし、単純な基本ルールに従うことで、これらの問題の影響を軽減できます。これらのルールには、ループ エリアの削減、連続したグランド プレーンと多数のステッチング ビアの使用、トレース リターン パスの最適化が含まれます。
高速ルーティング スキル
高速トレースをルーティングする際には、考慮すべきことがたくさんあります。まず、グランド プレーンをカットしてトレースを短くする方法を知っておく必要があります。また、クロストークを避けるために、トレースを干渉からシールドし、デジタル ラインを離す必要があります。
高度な設計ソフトウェアを使用
高速 PCB の設計には、CAD ソフトウェアの多くの複雑な機能が必要です。そして、これらの機能を処理するために必要なスキルが必要です。そうすれば、ひどい高速回路図の設計を避けることができます。
高速 PCB と高周波 PCB の比較
プリント基板
高速と高周波は定義が異なりますが、ボードは本質的に同じです。どちらも正弦波を変調信号の搬送波として使用します。
ただし、若干の違いがあります。たとえば、電圧が短時間で増減する場合は、高速回路を使用します。同時に、回路サイクルが短い高周波ボードを使用しています。
別々のボードとして設定するほど違いは明確ではありません。基材も同じものを使用しています。シグナル インテグリティまたは回路を維持することに集中する必要があります。
切り上げ
ハイテク PCB
高速 PCB を設計する際に注意しないと、多くのことがうまくいかない可能性があります。通常の PCB とは異なり、適切な高速回路図を作成するには多くの時間と注意が必要です。
さらに、トレースを適切に配線してインピーダンスを測定する方法を知るなど、設計を行う前に特定のスキルが必要です。製造業者にとって物事が複雑にならないように、コンポーネントの配置にも注意する必要があります。
高速 PCB を製造したいですか?次に、お問い合わせください。最高のアドバイスとサービスを喜んで提供いたします。
産業技術