電子デバイスにおけるPCB設計のための効果的EMC戦略

IC（集積回路）設計と製造の持続的発展において、信号伝送遅延とノイズといった問題の顕在化が信号インテグリティに影響を与えています。したがって、PCB設計プロセスと試作・製造ステップなどの電子製品プロセスフローを監督し、これらの顕著な問題に十分な注意を払う必要があります。さらに、従来の設計モジュールでこれらの顕著な問題を解決し、EMC（電磁両立性）技術の合理的な適用を実現するため、PCB設計は改善されるべきです。本記事では主に、電子デバイスのPCB設計におけるEMC技術の適用戦略について議論します。

EMC概要と問題

EMCとは、デバイスやシステムが電磁干渉によって妨害されることなく正常に動作でき、回路環境のいかなる部分にも電磁擾乱を与えない能力を指します。

電子デバイスのPCB設計時、信号干渉問題は通常、信号擾乱源の多様性とともに発生します。したがって、信号伝送中、隔離、フィルタ、シールド、グランドの機能を持つEMC技術がPCB設計レベル全体の向上に役立ちます。

EMC技術適用プロセスでは、全体的な適用効果を高めるため、部品品質をテストする必要があります。具体的には、EMCシステム構築プロセスで、EMC技術が関心を持つ部品を実験的アプローチで耐電圧能力と容量の観点からテストする必要があります。同時に、実験検査プロセスでは、顕著な問題の完全性と部品適用プロセスでの適切な処理に注意を払うべきです。

PCB設計における主なEMC問題には、伝導干渉、クロストーク干渉、放射干渉が含まれます。

• 伝導干渉
  伝導干渉は、リードデカップリングとコモンモードインピーダンスデカップリングによって他回路に影響を与えます。たとえば、ノイズが電源回路を通じてシステムに入り、そのサポート回路がノイズの影響を受けます。

図1はコモンモードインピーダンスを通じたノイズデカップリングを示します。回路1と回路2の両方が同一リードを通じて電源電圧とグランドループを取得します。どちらかの回路の電圧が突然上昇する必要がある場合、共通電源と2ループ間のインピーダンスにより、もう一方の回路が低下します。

• クロストーク干渉
  クロストーク干渉とは、ある信号線から隣接信号線への干渉を指し、通常は隣接回路と導体で発生し、回路と導体間の相互容量と相互インピーダンスを特徴とします。たとえば、PCB上のストリップラインに低レベル信号があり、平行配線が10cm超の場合、クロストークが発生します。電界による相互容量、磁界による相互インピーダンスでクロストークが誘発されるため、第一にどちらのデカップリングが主役か、電界（相互容量）デカップリングか磁界（相互インピーダンス）デカップリングかを決定することが最優先問題です。電源インピーダンスと受信インピーダンスの積を参考値とでき、これは回路間構成と周波数に依存します。

• 放射干渉
  放射干渉とは、自由電磁波によって放出される放射によって引き起こされる干渉を指します。PCBにおける放射干渉は、ケーブルと内部配線間の共通モード放射干渉を指します。電磁波が伝送線路に照射されると、電界から配線へデカップリング問題が発生し、分布微小電圧源がCM（共通モード）とDM（差動モード）に分類されます。CM電流とは、ほぼ同等振幅と同等位相を持つ2リードからの電流を指し、DM電流とは、同等振幅だが逆位相を持つ2リードからの電流を指します。

電子デバイスPCB設計におけるEMC適用戦略

• ESD（静電気放電）保護
  電子デバイスのPCB設計時、ESDは直接伝導または誘導デカップリングにより電流動作の安定性に影響を与え、電子製品開発要件を満たすためにESD保護が必要になります。電子デバイスのPCB設計者は、EMC技術が電子デバイスPCB設計プロセスに組み込まれることを確実にしなければなりません。つまり、新しい電子製品開発プロセスで、PCBにメッキスルーホールを配置し、メッキスルーホール設計プロセスで外部金属筐体回路を内部回路と接続し、固定ネジを接続部に組み立てる必要があります。究極の目標は、優れた内外等電位環境を確立し、回路故障につながるESDの顕在化を回避することです。たとえば、あるタイプの電子デバイスはEMC技術適用を重視し、内部回路とLCD筐体の優れた接続を確保するため6つのメッキスルーホールを配置し、全体的なPCB設計が大幅に改善されました。さらに、このタイプの電子デバイスは信号入出力部にESD保護部品を配置し、静電気リングを組み立てて、回路動作安定性を低下させる可能性のあるESD顕在化を回避しています。
• デカップリングコンデンサ配置
  電子デバイスPCB設計プロセスでは、電源システムが信号インテグリティに影響する重要な役割を果たすため、EMC理論の適用を強調しなければなりません。デカップリングコンデンサ配置プロセスでは、回路動作をシミュレートし、ノイズ干渉現象を把握することで、ノイズ問題を効果的に制御できます。同時に、デカップリングコンデンサ配置プロセスでは、技術者は電源フィルタコンデンサ入力端子を厳密に検査し、10〜100Fの範囲内に維持してEMC技術の条件を満たす必要があります。さらに、システム周波数を15MHz未満に制御して電子デバイスの適用レベルを向上させ、デカップリングコンデンサ配置を集積チップの場所に配置すべきです。
• 熱設計
  熱設計は電子デバイス性能に影響する最も重要な要素の一つです。熱放射と換気の影響下で、部品と熱源間の距離を標準範囲内に制御し、コンデンサなど部品実装プロセスで部品の熱度を随時検査する必要があります。さらに、高電力部品を実装する際、それらの部品をPCB上面に配置して最良の熱設計を実行し、全体的なPCB設計レベルを向上させることを確実にしてください。
• 配線長と幅の設計
  電子デバイスPCBのEMC設計プロセスでは、配線幅と長さが信号伝送効率と直接関係します。PCB設計者は伝送遅延効果を特に精査し、最良の回路設計に到達すべきです。プリントリードインダクタンス効果は干渉を引き起こし、プリントリード長は干渉効果に比例するため、プリントリードは短く幅広い条件で制御し、新電子デバイスの開発要件を満たすべきです。たとえば、あるタイプの電子デバイス開発プロセスでは、配線長と幅の設計が十分考慮され、EM78860の第9ピンXINが発振器位置に配置され、DL16521のリードが短く保たれ、これらすべてが全体的なEMC設計レベルを向上させました。したがって、配線長と幅の科学化と合理化を強調し、新電子デバイス開発要件を完全に満たすことは極めて必要です。

電子デバイスの急速な発展に基づき、PCB設計はPCBの高効率と安定性により多くの注目を集めており、EMC技術の役割が強調されています。配線長と幅の設計、デカップリングコンデンサ配置、ESDの観点から顕著なEMC技術問題を処理することで、最高の設計効果に到達し、これに基づき電子デバイス設計の実質的発展を推進します。

参考リソース

• EMIとEMC自動化ツールの最も包括的な紹介
• 電子製品EMC性能へのPCBレイアウト影響
• PCB EMC設計での初回成功確保
• EMC改善のためのPCBパーティショニング設計ルール
• PCB電磁両立性における電源とグランドの議論
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