ノートPC PCBにおける最適EMCを実現する3つの重要設計戦略

ノートPCのPCBでは、一般的に6層または8層基板が選択されます。しかし、コストを考慮すると6層PCBがPCB設計者にとって最適な選択となります。残念ながら、6層PCBのEMC（電磁両立性）設計は基板設計者を長年悩ませてきました。

ノートPC開発設計は非常に複雑な手順であり、EMC設計は最初から最後まで慎重に考慮する必要があります。実際、最適なEMC達成は3つの重要な考慮事項に依存しており、これらを本記事で詳細に紹介・議論します。

第一の考慮事項：スキーム設計

ノートPC PCB設計プロセスにおいて、最初のステップはスキーム設計を実施することです。すなわち、実際の開発に先立って、製品の全体配置とマクロ分布を決定する必要があります。これにはチップとホール位置が含まれます。その後、EMCエンジニアがEMC評価を実施し、チップ位置とホール要件を調整して、ブリッジ位置、クロックチップ位置と配線など、EMC要件に適合させます。ノートPC PCBスケッチを描くことで、EMC評価をより良く実施できます。

EMC評価は主に以下の側面をカバーします：

• トレース位置と配線。LCDとマザーボード間の接続配線、またはFFC/FPCコネクタの配線を検査。
• PCB高さ制限検査。高速信号線をゼロ高さエリア（基板と周辺構成を含む）に配置できない。周辺構成にはHDD、ODDなどが含まれる。
• 筐体シールドエリア検査。高速信号線を露出エリアや分割エリアに配置できない。これらはシールド効率を低下させるため（キーボード位置、メモリカバーなど）。
• ノートPCカバー検査。ハードウェアカバーとメモリカバーを含み、グランドポイントを30mmごとに筐体シールドと接続できるようにする。
• 各ユニット内小型PCBのグランド検査。各ユニット内の小型PCBとグランドの間で完全な接続をネジで保証し、大きなグランドインピーダンスを避け、ノイズ信号の空間放射を防止。
• 専用回路のための予約グランドポイントを維持し、低グランドインピーダンスを確保。
• 電源ノイズエリア検査。電源エリアの不安定さは設計全体を失敗させ、各チップに不安定な電源を供給して擾乱を生じさせることでチップを不安定化させる。
• 最も重要なルールの一つは、PCB上の主要チップのレイアウトとその配線傾向を確認・検査すること。

第二の考慮事項：PCB設計

PCB設計はEMC追求において極めて重要なリンクであり、優れたPCB設計は最適EMC達成の前提条件です。EMCを考慮しないPCB設計は、間違いなく金と時間の無駄を招きます。PCB設計が最初に問うべき質問は、電磁妨害（EMI）がどのように生成され、なぜ伝送されるかです。両方の質問に正確に答えない限り、最適なPCB設計は得られません。これらの質問への回答は記事の以下の部分で議論します。理想的なPCB設計ルールは：設計開始からEMCを考慮し、設計合理性を堅持すること。さらに、低コストな配線技術を最適に適用すること。プリント基板の詳細設計ルールには以下が含まれます：

• 高速信号線をコネクタの下に配置せず、電源回路をコネクタから遠ざける。
• 高速信号線をいずれのプレーンでもPCBエッジに配置せず、基板エッジとそれらの線の間隔を少なくとも50mil確保する。
• USB、LAN、PCIカード信号線を高速信号線から可能な限り遠ざけるか、グランド線で保護する。さらにグランドホールを合理的に設計する。
• 高速信号線を内層に配置する。
• MIC/ヘッドホンはアナログ回路なので、他の回路から可能な限り分離する。
• クロック信号線をICから出た後、内層に配置し、I/Oインターフェースの信号線と他のトレースから分離する。クロック信号線を参照グランドプレーン近くに配置し、イメージ効果を改善する。さらに、すべてのクロック信号トレースがクロックソースに近い場合、RC端子接続を利用可能にする。
• 電源とグランドのレイアウトを可能な限りコンパクトにし、ループ問題を縮小する。電源間のモート幅は15mil、トレースを含まない完全なグランドプレーンとする。分割グランドは減らすべきで、過度な分割はグランドインピーダンスを増大させる。
• デカップリングコンデンサの合理的な適用もPCB設計の重要な懸念事項。高速信号線がトップ層からボトム層へ貫通するのを防ぎ、グランドホールを設けてグランドインピーダンスを低減する。さらに、デカップリングコンデンサをIC端子と各電源層に追加する。少なくとも、デカップリングコンデンサ位置を事前に予約しておく。
• アンチEMI部品をその用途と価格に基づいて適切に適用する。

第三の考慮事項：PCB検査

まず、フリースペースにおける高周波インピーダンスが377Ωであるという概念をエンジニアの心に根付かせるべきです。通常のEMI空間放射において、信号ループがスペースインピーダンスと等価な段階に達すると、信号は空間から放射されます。この点を理解するには、信号ループインピーダンスを引き下げることが非常に必要です。

信号ループインピーダンスを制御する主な方法は、信号長の短縮とループ面積の縮小にあります。さらに、適切な端子接続を行ってループ反射を制御します。実際、信号ループを制御する一つの方法はキーサイナルグランドです。トレース自体が高周波でインピーダンスを持つため、グランドまたはグランド線を利用してスルーホールで数回グランドに接続するのが最善です。多くのこのような設計がクロック信号の放射超過回避に成功しています。

また、信号が分割エリアを通過しないよう防止するため、多くのエンジニアが信号でグランドを分割しますが、配線プロセスでそれを忘れてしまいます。その結果、信号ループが広い面積をカバーし、トレース長が増大します。

EMI伝送部分において、バイパスコンデンサとデカップリングコンデンサを合理的に適用することが重要です。バイパスコンデンサはチップ電源ピンとグランド線に最小リードで配置する必要があります。デカップリングコンデンサは電流需要変化が最大の場所に配置し、配線インピーダンスによる電源・グランド線からのノイズ結合を防止します。もちろん、磁性体でノイズを吸収することも可能です。インダクタもノイズフィルタリングに使用できます。ただし、インダクタには周波数応答範囲があり、パッケージもその周波数応答を決定することに注意が必要です。

参考資料

• PCBレイアウトが電子製品EMC性能に与える影響
• PCB EMC設計で初回成功を確実にする
• EMC改善のためのPCBパーティショニング設計ルール
• EMIとEMC自動化ツールの最も包括的な紹介
• ノートPC PCB実装技術
• 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