ハイスピードPCB設計完全ガイド：信号品質を守るルールとスキル

間違いなく、ほとんどの一般的なエンジニアリングプロジェクトでは標準的なPCB設計が使用されます。しかし、従来のPCBでは対応できないケースもあります。高度なアプリケーションを扱う場合、ハイスピードPCBが必要です。

ただし、ハイスピードPCBの設計はトリッキーです。信号品質、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。これらの用語に不慣れな方のために、この記事を用意しました。

この記事では、ハイスピードPCBについてのすべてと設計ルールを学びます。ハイフリケンシーPCBとの比較も行います。

それでは始めましょう。

ハイスピードPCBとは

ハイスピードPCBは、コンポーネント間でデータを転送するために高速信号を使用するデバイスです。信号は基板の銅トレースを伝播し、ターゲットに到達します。信号はアナログでもデジタルでも構いません。

しかし、ハイスピード基板と標準基板の違いはわずかです。まず知っておくべきことは、「ハイスピード」と分類する基準はシステムの信号立ち上がり/立ち下がりエッジレート（エッジレート）だということです。速ければハイスピードPCBです。つまり、システムの信号エッジレートがハイスピードと標準PCBを分けます。

また、高い信号品質を持つPCBもハイスピードPCBと見なします。ハイスピード設計と通常設計を区別する他の指標として、ハイスピードPCBには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ります。

さらに、ほとんどのハイスピード設計は、相互接続設計、PCBスタックアップ設計、配線に焦点を当てています。最初の2つの領域で正しく対処できれば、3番目の領域はそれほど手間ではありません。

ハイスピードPCBの用途

ハイスピードPCBはほぼすべての用途で機能します。ハイスピードPCBの使用を支持する用途の一部を紹介します。

• ネットワーク通信システムでハイスピードPCBを使用できます。主な目的は信号品質の検証です。
• ハイスピードPCBで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信号ロールオフを含むさまざまな信号をテストできます。
• ハイスピードPCBは、大量生産・短納期の高性能コンシューマーエレクトロニクスの作成にも使用できます。
• インピーダンス制御に高い要求がある無線回路の作成にも使用できます。
• また、これらの基板は高速動作を必要とする医療機器でも機能します。

ハイスピードPCBを使用するその他の製品には以下が含まれます。

• 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

ハイスピードPCB設計ルールと課題

他のPCB設計プロセスと同様に、ハイスピードPCBには設計手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ながら、考えられる設計課題も検討します。

インピーダンス

ハイスピードPCBレイアウトを設計する際、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。

これらは並列および直列インターフェースの両方で一般的なインピーダンス値です。ハイスピードPCB設計時に正しいインピーダンスを守ることは必須です。そうでなければ、PCBトレースに信号反射が生じます。

それだけではありません。間違った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、耐えられないEMIの発生も引き起こします。

稀ですが考慮すべき他のインピーダンスタイプには以下が含まれます。

• コモンモードインピーダンス Zcm
• イーブンモードインピーダンス Zoe
• オッドモードインピーダンス Zoo

グラウンディング

ほとんどのハイスピードPCB設計では、すべてのインターフェースを1層でトレースすることは不可能です。したがって、ビアを使用してトレースを複数層に移す必要があります。しかし、このプロセスには特定のルールが存在します。

• 設計は、信号ビアの近く特にすべての層で同じGNDポリゴンポテンシャルを持たなければなりません。これらをGNDステッチングビアと呼び、GNDポリゴンにできるだけ近接させる必要があります。このルールを守ることで、すべての高速トレースが同じGNDリファレンスを持つことが保証されます。

• ビア設計には注意が必要です。不良な設計は基板上のインピーダンス問題を引き起こします。すべてのビアが正しい直径を持つようにすることで回避できます。

• 高速信号配線にビアを使用するのはトリッキーです。ビア間に十分なスペースを配置して、高電流密度と過熱を防止する必要があります。

クロストーク

クロストークは、通信トラック上で信号を伝送する際に生成される望ましくない影響です。これらの望ましくない影響は通常、隣接トラック上にあり、信号変化を引き起こすことが多いです。

また、クロストークは通常、トラックが互いに近接しすぎているときに発生します。この場合、トラック間に少なくとも3Wのスペースを空けることでクロストークを低減できます。

差動ペアの場合、5Wルールを使用してトラックを適切に間隔を空けます。また、基板が周期的信号を伝送する差動ペアを必要とする場合、他の差動ペアから少なくとも8W離しておくことを推奨します。

また、非同期信号を持つトラックと高速信号トラックの間にも十分な距離が必要です。多層基板では、トラックを隣接基板のトラックに垂直に配線することでクロストークを最小限に抑えることもできます。

コンポーネント配置

コンポーネント配置はハイスピードPCB設計にとって不可欠です。設計開始前に、コンポーネントをどこに配置するか計画してください。

理想的には、アナログコンポーネント（ある場合）用に別個のGNDポリゴンを配置し、デジタルトレースおよびコンポーネントから離しておくべきです。これによりEMI問題を回避できます。

また、高速コンポーネントには非常に長いトレースは必要ありません。したがって、干渉源の近くに留まらないよう、長さ調整のための十分なスペースを確保してください。

さらに、高速コンポーネントを基板の端付近に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、こうしたコンポーネントは中央付近に配置できます。

トラック形状

高速トラックは丸みを帯びた滑らかなコーナーを持つ必要があります。また、鋭角なターンは避けるべきです。ただし、最適なトラック形状を得るには相応の時間がかかる場合があります。

最適なトラック形状を得てインピーダンス変化を防ぐ最良の方法は、45度の角度で曲げることです。

ハイスピードPCB設計の「三大問題」

ハイスピードPCBには、解決しなければ回路を無駄にする多くの問題があります。さまざまな問題の中から、回避しなければならない3つの主要な問題を挙げます。これらを詳しく見ていきましょう。

タイミング

信号が他の信号と比較して正しく伝送されていない場合、基板にタイミング問題があります。クロックがこれらすべての信号を制御するため、タイミングが悪いと受信できるデータは破損データのみです。

解決策：2本のカップルドトレース長を一致させることでこの問題を解決できます。これによりトレースがクロックレートと同期し、同時に伝送されるようになります。

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に多少のノイズはありますが、高いノイズレベルはデータ破損を引き起こす可能性があります。したがって、設計で避けなければならない問題です。

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。適切な距離確保はPCBのノイズレベルも低減します。

信号品質（インテグリティ）

伝送後に信号が本来の姿と異なって見える場合、信号品質が損なわれています。このような状況は通常、伝送中に信号の品質に影響を与える干渉の結果です。

解決策：受信側と送信側の間に適切なインピーダンスを使用することで、信号の品質とインテグリティを向上させられます。また、信号のノイズ感度も低減します。

ハイスピードPCB設計に必要なスキル

ハイスピードPCBを設計する前に必要なスキルをいくつか紹介します。

インピーダンス制御によるトレース配線方法

層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。これらの計算結果から本質的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、データ破損を招きます。

ループエリアの最小化

高速信号はEMI/EMC問題の影響を受けやすいです。しかし、シンプル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、ループエリアの縮小、連続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。

高速配線スキル

高速トレース配線には考慮すべきことがたくさんあります。まず、グランドプレーンのカット方法とトレースを短く保つ方法を知る必要があります。また、トレースを干渉からシールドし、デジタルラインをスペースしてクロストークを防止する方法も知る必要があります。

高度な設計ソフトウェアの活用

ハイスピードPCB設計には、CADソフトウェアから多くの複雑な機能が要求されます。そしてこれらの機能を扱うために必要なスキルが必要です。そうすることで、ひどいハイスピード回路図の設計を防止できます。

ハイスピードPCB vs ハイフリケンシーPCB

ハイスピードとハイフリケンシーは定義が異なりますが、基板としては本質的に同じです。両方とも正弦波を変調信号のキャリアとして使用します。

しかし、わずかな違いがあります。たとえば、電圧が短期間で上昇・下降する場合にハイスピード回路を使用します。同時に、回路サイクルが短い場合にハイフリケンシー基板を使用します。

これらの違いは、別々の基板として区別するほど明確ではありません。ベース材料も同じです。信号のインテグリティ（品質）を維持することに集中する必要があります。

まとめ

ハイスピードPCB設計では、注意深くないと多くのことがうまくいかなくなります。通常のPCBとは異なり、適切なハイスピード回路図を開発するには多くの時間と注意が必要です。

また、設計前に特定のスキルが必要です。トレースを適切に配線しインピーダンスを測定する方法を知ること、コンポーネント配置に注意して製造を複雑にしないことなどです。

ハイスピードPCBを製造したいですか？ それなら、お問い合わせください。最善のアドバイスとサービスを喜んで提供します。