PCBグラウンディングとEMI対策の包括的戦略

デジタル信号とアナログ信号のグラウンディング

PCB設計では、デジタル信号エリアとアナログ信号エリアを厳密に区別できないケースが多々あります。例えば、電源セクションのように共通セクションがどちらに属するか判断困難な場合です。一般的な対策は、デジタル回路とアナログ回路を別エリアに配置することですが、厳密に区別できないセクション（電源など）をどう設計すべきかが課題です。

アナログ/デジタル信号を区別する本質は、当該チップの性質（アナログチップかデジタルチップか）にあります。電源セクションがアナログ回路に給電すればアナログセクション、デジタルチップに給電すればデジタルセクションに属します。両方に同時に給電する場合は、ブリッジ方式で別の部分から電源を引き出します。このアンチインターフェレンスシステムは、小規模システムやPCBでは有効ですが、大規模・複雑なシステムでは潜在的問題を生じ、特に配線バイパス時の分布間隔でEMI問題を誘発します。

典型的なA/Dコンバータ適用時、PCBメーカーはAGNDとDGNDを最短リードで低インピーダンスグランドに接続するよう推奨します。上記手法では、A/Dコンバータ下のICと同等幅の接続ブリッジで2つのグランドを接続します。

しかし、多数のA/Dコンバータを搭載するシステムで各々をこの手法で処理すると、多点接続が生じ、デジタルグランドとアナロググランドの分離が無意味になります。解決策として、アースグランドを導入し、それをデジタルグランドとアナロググランドに分割します。これによりメーカー要求を満たしつつ、EMI問題を最大限低減できます。

高周波信号アンチインターフェレンス分析

高周波信号PCB設計では、あらゆる金属やリードを抵抗・インダクタ・コンデンサからなる部品と見なせます。PCB上の25mmプリント配線は15～20nHのインダクタンスを生成します。したがって、マルチポイントグラウンディング戦略を採用し、各回路システムを最低インピーダンスの隣接グランドラインに接続すべきです。また、グランドインピーダンスとグランドライン間インダクタンスを最小化し、分布容量による回路間相互結合も低減させます。

最もシンプルなマルチポイントグラウンディングは、全面銅張りです。コンポーネントのグランドポイントを銅張りに接続し、PCB大半を覆うグランドプレーンが極めて低インピーダンスの参照面を提供します。これにより、各コンポーネント・ユニット回路間の不要な高周波結合を回避できます。

高周波PCBでは、デジタルグランドとアナロググランドを独立処理する必要があります。高周波デジタル信号グランドレベルは互いに異なり、電位差が生じやすいです。また高周波デジタル信号グランドラインには豊富な高調波成分が含まれます。デジタル信号グランドをアナログ信号グランドに直接接続すると、高調波がグランド結合経由でアナログ信号に干渉します。一般に、高周波デジタル信号グランドとアナログ信号グランドは、適切な位置での単一点接続、または高周波チョーク磁気ビーズによる接続で分離します。

高周波信号アンチインターフェレンス分析（続き）

PCB設計では、部品配置と配線厚が干渉に大きく関わり、設計者の専門技術と完全な認識能力が求められます。PCB設計のアンチインターフェレンスは電子製品の適用性能に直結します。本稿で紹介するルールは、設計者の実践経験の集大成であり、PCB設計者にとって必ず有用です。

参考資料

• PCB設計における干渉の克服方法
• PCB設計における耐干渉能力強化手法
• PCB電磁適合性における電源とグランドの議論
• 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