高速PCB設計のマスター：よくある誤解と実証済み戦略

高速電子システムにおいて、プリント基板設計の成功は、理論と実践の両面で電磁両立性（EMC）システムの高度な問題解決に直結します。EMC規格を達成するため、高速PCB設計は大きな課題に直面しており、高速PCB設計者は設計プロセスで従来の設計哲学とアプローチを捨て去らなければなりません。本稿は主に、実践の観点から高速PCB設計プロセスにおける誤解と戦略を分析します。

高速PCB材料の誘電率

現在、高速PCB設計には主に3つの設計技術があります：ノイズと遅延PCBグラフ設計技術、インピーダンスと伝播遅延時間制御技術、PCBインピーダンスをパラメータとする評価技術。うち後者2つがPCB製造の核心です。高速PCB伝送線路に関する技術も多く、一般的な基本構造はマイクロストリップとストリップラインです。高速PCB伝送線路では、インピーダンスパラメータであるZ₀と伝播遅延時間であるtₚdが最も重要な変数です。実際、マイクロストリップ構造とストリップライン構造が異なれば計算式も異なります。しかしいずれにせよ、インピーダンスは常に伝送線路の幾何学的構造です。ほとんどの状況で、PCB材料の一部の誘電率は周波数、吸水率、温度、電気特性の影響を受けます。2層または多層PCBでは、誘電率はPCB材料中の樹脂とシリコンの比率の影響を受けます。

現在、最も一般的に使用されるPCB材料はFR4です。通常、PCB材料サプライヤーは誘電率の値を提示し、プロジェクト技術者はそれに基づいて材料を使用します。実用上、パラメータ値は通常1MHzの状況で取得されますが、高速状況では誘電率に明確な変化があります（図1参照）。

図1の3曲線はシリコンと樹脂の異なる比率を指します。3曲線中、曲線Aが最高、Bが中、Cが最低です。作業者がこの差に気づかないと、インピーダンスと伝播遅延時間の計算やシミュレーション結果と実状の間に大きな偏差が生じ、高速システムの信号インテグリティ設計に影響を与えます。

90°コーナー問題

PCBルーティングでは、ほとんどの文書で90°コーナーを避けるべきとされています。これはインピーダンス不連続と電磁干渉（EMI）放射を引き起こす可能性があるためです。理論の観点から、90°コーナーの幅変化は比較的大きく、大きなインピーダンスと深刻なインピーダンス不連続をもたらします。実践の観点から、電磁力はルーティングのコーナーに集中し、コーナーが尖っているほど集中電力が大きくなります。上記分析に基づき、EMI放射が90°コーナーで最も顕著になります。

しかし、一部の研究者は90°コーナーのインピーダンスへの影響は10%以内であると発見しました。配線幅6milの場合、キー長になるとTHz範囲になります。したがって、90°コーナーが実用状況でインピーダンス不連続を確実に引き起こすと推定できます。

したがって、実用的なPCBルーティングでは、少なくともGHz範囲内では、コストをかけてまで90°コーナーを避ける必要はありません。

20-H原則

KNGによる20-H原則の登場以来、これは高速PCB設計の主要原則として受け入れられてきました。一部の研究者はこの原則が、関連PCB層の周囲電磁密度を約70%低減できると示唆しています。また、外向きEMI放射の低減にも効果的とされます。しかし、多くの実験が研究者たちの期待を支持していません。

一部の実験では、2層PCBでは20-H原則がより深刻な放射を引き起こし、多層PCBでは内部媒質層での20-H原則利用が明確な改善をもたらさないことが示されています。

フィルタリングコンデンサパラメータ

フィルタリングコンデンサは、電子システムにおけるEMC問題解決のための実証済みで経済的な対策です。しかし、高速電子システムはフィルタリングコンデンサの性能と適用設計に新たな要求をもたらします。フィルタリングコンデンサの簡易モデルは図2に示します。

以下の要件を満たす必要があります：Z_C < Z_S//Z_L （Z_C = 1/2πfC）。一般的な誤解として、Z_C が Z_L より小さければフィルタリングコンデンサの目的が達成できると考えられています。実際、Z_S と Z_L の値が決まらない限り、フィルタリングコンデンサのパラメータを決定できません。

しかし、高速回路では Z_S も Z_L も純粋な抵抗ではなく、複素数値を必要とします。同時に、Z_C も高速回路では純粋な容量ではなく、等価直列抵抗と等価直列インダクタンスの両方を考慮しなければなりません。これらはすべて、高速電子システムにおけるフィルタリングコンデンサ適用の難点です。設計者がこれらの側面を無視すると、計算やシミュレーション結果と実践の間に明確な差異が生じます。

シリコンパッケージング

PCB設計者はPCBレイアウトとPCB上の部品間相互接続に最も注意を払いがちですが、部品パッケージングの重要性を無視しがちです。実際、これは高速PCB設計に深刻な結果をもたらす可能性があります。シリコンパッケージングは、接続線とリードを通る寄生インダクタンス、寄生抵抗、寄生容量を通じてシリコンの性能に影響を与えます。これらのパラメータはノイズ、通信遅延、エッジレート、周波数応答を生成します。異なるパッケージングの寄生パラメータは大きく異なる可能性があります。同じ回路で異なるパッケージングのシリコンでは、性能に異なる特徴が現れます。

実際、高速電子システムでは、シリコン設計、パッケージング設計、ボードレベル設計は決して互いに独立していません。シリコンの設計フローでは、PCBに従って適切なパッケージを選択しなければなりません。シリコン設計の全体レイアウトは、技術とボードレベル要素の両方によって影響を受けます。シリコンパッケージングでは、PCBとのマッチングが考慮すべき要素です。さらに重要なのは、適切なパッケージがボードレベルのインテグリティとEMC/EMI問題の観点から非常に有益だということです。したがって、シリコンパッケージングを決して無視したり軽視したりしてはいけません。

コモンモード電流放射干渉

PCBの信号伝送リードには、有用な信号を伝送する差動モード電流と、有用な情報を持たないコモンモード電流の両方が存在し、両方がEMI放射を生成します。

比較的電流が大きいため、差動モード電流は回路設計者に重視され、差動モード電流EMI放射を制御する理論と技術が形成されてきました。その結果、一部のEDAツールには差動モード電流EMI放射のシミュレーションと予測機能があります。しかし、差動モード電流と比較すると、コモンモード電流ははるかに小さく、設計者がコモンモード電流EMI放射を無視しやすくなっています。

それにもかかわらず、最近の研究によれば、コモンモード電流は差動モード電流よりはるかに小さいにもかかわらず、前者が生成するEMI放射干渉は後者よりはるかに大きいことがわかっています。現在、コモンモード電流EMI放射は高速先進基板における主要な放射干渉源の一つとなっています。さらに悪いことに、コモンモード電流EMI放射の発生理由は複雑で、シミュレーションも予測も不可能です。また、コモンモード電流EMI放射制御の研究はまだ進行中です。

したがって、高速PCB設計時に、差動モード電流EMI放射のみに基づいてEMI放射をシミュレーション・予測するのは信頼できません。

参考リソース

• 高速レイアウトのヒント
• EMI影響を低減する高速PCBルーティング技術
• 組み込み応用システムにおける高速PCB設計の研究
• 高速PCB設計の差動等長処理とシミュレーション検証
• 高速PCB用イメージプレーンの設計方法
• 信号インテグリティにおける高速PCB設計課題と解決策
• 高速PCBレイアウトにおける信号反射抑制法
• 高速デジタル・アナログ混在回路における信号インテグリティ解析とPCB設計
• PCBCartのフル機能PCB製造サービス - 多彩な付加価値オプション
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