信頼性の高い設計のための実証済み高速PCBレイアウトヒント

ほとんどのPCB設計は、正しく検証された回路図から始まります。その後、回路図設計を最終PCBに変換するハードワークに取り組まなければなりません。多くの場合、元の回路設計が慎重に行われていても、PCBは動作しません。シミュレーションで回路図が検証されていても、シミュレーションが考慮できないのは、PCBレイアウトの詳細が設計実装に予期せぬエラー源を挿入することです。これは特に、関連する高いクロック速度を持つ新しい高速部品を設計に使用する場合に当てはまります。また、デバイス間のデータ転送速度も継続的に増加しており、同じタイプのエラー源の影響を受けます。これらの速度向上により、PCBレイアウトに固有の小さな容量とインダクタンス値が、設計のPCB実装を失敗させる原因となります。

PCBが機能することを確実にすることに加え、設計の放射ノイズ耐性と放射ノイズ放出量に関する追加要件も、最終設計の承認を得る上で非常に重要です。したがって、高速信号を含む次のPCBアプリケーションを開発する際、電磁干渉問題を緩和するために細心の注意を払う必要があります。

高速信号の例にはクロック信号と高速通信ポートがあります。いくつかのシンプルなルールで、次の設計の信号インテグリティと電磁干渉レベルを改善できます。複雑な数学モデルや複雑で高価なシミュレーションツールは不要です。本記事では、高速信号を含む次の設計の成功を確実にするために従うべき多数のシンプルなルールを紹介します。

背景

このセクションでは、高速レイアウトエラーの原因と関連概念について説明し、次のセクションでこれらのエラー源を緩和する一般的ルールを提供します。

1. 電磁干渉（EMI）と電磁両立性（EMC）

電磁干渉は、デバイスの動作を妨害する無線周波数ノイズです。一方、電磁両立性は、デバイスが放出する電磁干渉レベルを制限することを指します。すべてのデバイスは一定程度の電磁干渉を放出し、同時に一定量の電磁干渉を吸収します。PCB設計者の目標は、両方の量を合理的なレベルに低減することです。また、デバイスが放出することを許可されるEMIレベルについて、FCCとCISPRの規格が確立されていることも注目に値します。

2. クロック信号

マイクロプロセッサと通信ポートの駆動に一般的に使用されるクロック信号は、完全な矩形波であるべきですが、現実にはそうではありません。実際には、公称クロック周波数とクロック周波数以上の高調波周波数の信号の組み合わせです。したがって、設計で使用されるクロックの周波数と、公称クロック周波数以上のクロック周波数の高調波の両方でEMIを考慮する必要があります。

3. 伝送線路

高周波では、伝送線路効果がPCB基板レベルでも現れ始めます。信号線の周波数が、関連するPCBトレースのオーダーで波長を持つ信号を生じさせるとき、トレースの特性インピーダンスを考慮して、インピーダンスミスマッチによる反射を防止すべきです。最も一般的な意味では、PCB設計者は、それらのトレースが接続するトランシーバーに関連するトレースのインピーダンスをマッチングするために時間をかける必要があります。マイクロストリップ（電源プレーン上の定義幅トレース）またはストリップライン（2つの電源プレーン間の定義幅トレース）を使用することは、PCBレベル伝送線路のインピーダンスを制御する一般的な方法です。

トランシーバーが高インピーダンス入力を持つことも一般的です。この場合、接続トレースは、接続されている伝送線路の特性インピーダンスとマッチするように終端処理する必要があります。いくつかの一般的な終端技術がありますが、それらの調査は読者に委ねます。本記事の範囲を超えるためです。

4. クロストーク

2つのトレースが隣接して配置されていると、それらは誘導的および容量的に結合します（一般的にクロストークと呼ばれます）。これにより、一方が他方の動作を損なう可能性があります。この種のノイズを排除する最も基本的な方法は、トレース間の距離を広げることです。クロストークは電源プレーンの使用によっても抑制できます。

5. 差動信号

通信パスのノイズを扱う別の方法は差動信号を使用することです。差動信号は等しく逆の電位を持ちます。したがって、2つのトレースがデバイス間で信号を伝送し、信号の値は2つのトレース上の電位差によって決定され、個々のトレースの絶対電位ではありません。これにより、差動信号はクロストークに対して免疫があり、放射ノイズに対しても効果的に免疫があります。

6. 回帰電流とループ面積

高周波レイアウトを検討する際、信号の回帰パスも考慮しなければなりません。DC回路を扱う場合、回帰パスは最小抵抗のパスになりますが、AC信号を検討する場合、回帰パスは最小インピーダンスのパスになります。その結果、高周波信号の回帰パスは、その信号のトレースの真横になります。通常、信号トレースがグランドプレーン上にルーティングされている場合、回帰パスの違いは問題になりませんが、信号トレースの下でグランドプレーンが分断されている場合、問題になります。その結果、信号の回帰パスの分断はループになります。ループは避けるべきです。ループははるかに効果的なEMI放射体となり、設計のEMCに悪影響を与えるためです。

実践的設計ヒント

高速信号ノイズの原因について簡単に説明したので、より具体的なレイアウトヒントに移ります。

次の高速PCB設計に取り組む前に、まず設計の全体要件を見てみましょう。良い質問は：システム内の最高周波数は何か？設計に必要なノイズ抑制レベルを達成するためにマイクロストリップまたはストリップラインを使用する必要があるか？設計内の感度の高い信号は何か？PCB製造業者が要求する最小公差は何か？設計の機能グループ間に感度の高い相互接続があるか？これらの答えを得れば、基板スタックアップと構成の全体像を決定できます。

1. 基板スタックアップ

新しい回路設計の最も基本的な考慮事項の1つはPCBスタックアップです。守るべき感度の高い信号がない場合、標準的な2層PCBで問題ないかもしれません。ストリップラインとして信号をルーティングする必要がある場合、6層スタックアップが必要です。4層PCBも良い中間オプションになります。

もう1つの考慮事項は、電源プレーンを非常に近接させるスタックアップを作成できる場合、設計で使用する小容量デカップリングコンデンサの必要性を減らせます。最後に、高速信号のソースとシンクをPCB上で近接配置できれば、それらの信号に関連するEMIとEMCの大部分を排除できます。

2. 電源プレーンとグランドプレーン

高速設計の最も基本的な要件は、完全なグランドプレーンの実装です。完全な電源プレーンも含めると大きなメリットがありますが、それには4層以上のスタックアップに基づく設計が必要です。また、信号トレースを電源プレーンの非常に近くに配置することもメリットがあり、これも最終設計で使用するスタックアップに反映すべきです。

電源プレーンの一部を分割する際、高速信号には最小インピーダンスのパスをたどる回帰電流があることを覚えておくことも重要です。高速信号のソースとシンクの間で回帰パスを分断しないよう注意してください。グランドプレーンを分割しなければならない場合、その分断上に信号トレースを配置しないようにしてください。もし配置する場合、0Ω抵抗で信号トレースに沿ってグランドプレーンを再接続することを検討してください。より簡潔に言えば、設計で可能な限り均一で分断のないグランドプレーンと電源プレーンを使用してください。

3. その他のトピック

デカップリングコンデンサは、高周波信号のグランドと電源への低インピーダンスパスを作成する上で重要です。一般的に、さまざまな周波数範囲で高周波ノイズを抑制するために、複数の異なるコンデンサ値を使用する必要があります。コンデンサ配置時、保護対象のデバイスに最も近い場所に最小値のコンデンサを配置し、その後、より大きな値のコンデンサを順に配置します。また、コンデンサがデバイスと、そのコンデンサがデカップリングしている電源プレーンの間に配置されていることを確認してください。これにより、デバイスがコンデンサによって実際にデカップリングされることを保証します。

その他の一般的なヒント：

• トレースのコーナーを丸めると、信号から放射されるEMIレベルを低減できます。これは、トレースの急激な変化がより高いレベルの容量を引き起こし、高速信号反射も引き起こすためです。
• 異なる層上のものも含め、信号トレース間のクロストークを最小限に抑えるため、それらが直角で交差するようにしてください。
• 信号トレースのビアを避けてください。ビアはトレースの特性インピーダンスを変化させ、反射を引き起こす可能性があります。また、差動信号トレースにビアを使用する必要がある場合、両方のトレースに配置して、その効果が両トレースで等しくなるように検討してください。
• ビアの使用によるスタブを考慮してください。従来のビアの代わりにブラインドビアまたはバードビアの使用を検討してください。
• 分散クロックソリューション使用時の遅延を考慮してください。分岐を避け、クロックから接続デバイスまでのトレース長を一致させてください。クロックドライバーの使用が推奨されることが多いです。

参考リソース

• 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
• PCBCartの高度なPCB実装サービス - 1個から対応