EMC向上のための効果的なPCB分割ルール

EMC（Electro-Magnetic Compatibility：電磁両立性）とは、電子機器が同じ電磁環境下で互いに干渉することなく、それぞれの機能を正常に発揮できる共存状態を指します。簡単に言えば、EMCは電子機器同士がシステム全体で互換性を持ち、独立して正常に動作できることを意味します。EMCはEMI（Electro-Magnetic Interference：電磁干渉）を制御することで達成されるため、EMIの導入、研究、対策、管理といった一連の研究とともに発展してきました。

EMCの基本原則

デジタル信号とアナログ信号の干渉を低減するには、まずEMCの2つの基本原則を理解する必要があります。
原則1：回路ループ面積を最小化すること。
原則2：システム内では単一の基準プレーンのみを使用すること。

原則1が守られず、信号が大きなループ面積を通過すると、大型ループアンテナが生成されます。一方、原則2が守られず、2つの基準プレーンが存在すると、ダイポールアンテナが形成されます。どちらの結果も望ましくありません。

混在信号PCBの分割ルールと適用

同じ混在信号ボード上のデジタルグランドとアナロググランドを分離してアイソレーションを図ることが推奨されます。この解決策は実現可能ですが、特に大規模システムでは多くの潜在的問題が顕在化します。核心的な問題は、デジタルグランドとアナロググランドの分割境界をまたぐ配線ができない点です。境界をまたぐ配線を行うと、電磁放射と信号クロストークが大幅に増加します。PCB設計で最もよく見られる問題は、信号線が分割されたグランドや電源を横切ることによるEMIの発生です。

図1は上記の状況を示しています。

この分割手法では、信号線がデジタルグランドとアナロググランドの分割境界を横切る必要があります。このとき、信号回路のリターンパスはどうなるでしょうか。2つの分割グランドが1点で接続されていると仮定すると、グランド回路によって大きなループが生成されます。高周波電流がこの大きなループを流れると、高いグランド容量と放射を持つ大型ループが発生します。低レベルのアナログ回路がこの大きなループを流れると、外部信号による干渉を受けやすくなります。最悪の事態は、分割グランドが電源と接続されたときで、極めて大きな回路ループが形成されます。さらに、アナロググランドとデジタルグランドが長いリードで接続されると、ダイポールアンテナが形成されます。したがって、エンジニアは混在信号PCB設計の最適化において、リターン回路の経路と方法を把握する必要があります。しかし、多くのエンジニアは信号電流の流れる経路のみを見て、回路の具体的なパスを考慮しません。グランドプレーンを分割し、分割境界をまたぐ配線が必要な場合、2つの分割グランド間を1点接続し、ブリッジを形成することで、各信号線の直下に直流リターンパスを提供し、小さなループ面積を形成できます。これは図2に示されています。

光アイソレータやトランスの適用でも、信号を分割境界をまたがせることができます。光アイソレータでは光信号が、トランスでは磁界が分割境界を通ります。また、差動信号の適用も有効です。信号が一方のラインを流れ、もう一方のラインから戻るため、グランドをリターンパスとして必要としません。

分割パーティショニングが適用されるのは主に以下の3つのケースです：
ケース1：患者と接続される回路とシステム間で低漏れ電流が求められる医療機器
ケース2：高ノイズ・大電力の電気機械装置と接続される産業用プロセス制御機器の入力
ケース3：PCBレイアウトに特定の制約がある場合

混在信号PCBでは通常、独立したデジタル電源とアナログ電源が用意され、分割電源プレーンが使用されます。しかし、電源プレーンに近接する信号線は電源間の分割を横切ってはならず、分割を横切る全ての信号線は広い面積の導体プレーンに隣接させる必要があります。状況によっては、アナログ電源をプレーンではなくPCB配線パターンとして設計することで、電源プレーンの分割問題を回避できます。

混在信号PCBのグランドプレーンレイアウト手法と適用

デジタル信号がアナログ信号に与える干渉を議論するには、まず高周波電流の特性を理解する必要があります。高周波電流は常にインピーダンスが最小（インダクタンスが最小）の経路、すなわち信号の直下を流れます。したがって、リターンパスは、それが電源プレーンであれグランドプレーンであれ、隣接する回路プレーンを流れます。実際の設計では、グランドプレーンを用いて基板をアナログ領域とデジタル領域に分割します。アナログ信号は全プレーンのアナログ領域に、デジタル信号はデジタル回路領域に配置します。このとき、デジタル信号のリターン電流はアナログ信号のグランドには流れません。しかし、PCB上でデジタル信号の配線がアナログ領域の上を通ったり、アナログ信号の配線がデジタル領域の上を通ったりすると、デジタル信号によるアナログ信号への干渉が発生します。

このような問題の原因は、分割グランドの不在ではなく、デジタル信号の不適切なレイアウトにあります。PCB設計において、グランドプレーンの適用、デジタル/アナログ回路によるパーティショニング、合理的な信号レイアウトにより、レイアウトとパーティショニングの難題を解決でき、分割グランドによる潜在的問題も回避できます。したがって、部品配置とパーティショニングがPCB設計品質を決める鍵となります。レイアウトとパーティショニングが適切であれば、デジタルグランドの電流は基板上のデジタル領域に制限され、アナログ信号への干渉を防止できます。このようなレイアウトは、ルールに完全に準拠しているか慎重に検証・確認する必要があります。さもなければ、たった1本の不適切な信号線レイアウトが基板全体を機能不全に陥れる可能性があります。

A/Dコンバータのアナロググランドピンとデジタルグランドピンを接続する際、ほとんどのA/Dコンバータメーカーは、AGNDとDGNDピンを低インピーダンスの同じグランドで、最短リードで接続することを推奨しています。これは、ほとんどのA/DコンバータIC内部でこれらのピンが接続されておらず、DGNDに接続された外部インピーダンスが寄生容量を通じてデジタルノイズをIC内部のアナログ回路に結合させるためです。したがって、A/DコンバータのAGNDとDGNDピンの両方をアナロググランドに接続すべきです。しかし、ここでデジタル信号のデカップリングコンデンサのグランド端子をアナロググランドとデジタルグランドのどちらに接続すべきかという問題が生じます。

単一のA/Dコンバータを持つシステムでは、この問題は容易に解決できます。グランドを分離し、アナロググランド領域とデジタルグランド領域をA/Dコンバータの下で接続します。この手法を用いる場合、2つのグランド間のブリッジはICの幅と同じくらい広くし、いかなる信号線も分割境界を横切らないようにします。

複数のA/Dコンバータ（例えば10個）を持つシステムでは、どう接続すべきでしょうか。上記と同じ解決策、すなわち各A/Dコンバータの下でアナロググランドとデジタルグランドを接続すると、多点接続となり、アナロググランドとデジタルグランドの分離が無意味になります。このように接続しないと、メーカーの要求を満たせません。最適な解決策は、アナログ領域とデジタル領域に分割された統一グランドを採用することです。このレイアウトは、ICメーカーが要求するAGNDとDGND間の低インピーダンスという要件を満たすとともに、ループアンテナやダイポールアンテナといったEMC上の問題を回避できます。

エンジニアがPCB設計における統一グランドの適用に疑念を持つ場合、分割グランドプレーン手法に基づいてレイアウトを実装できます。設計プロセスでは、0.5インチ未満のジャンパワイヤまたは0Ω抵抗で分割グランドを接続できるように基板を設計すべきです。パーティショニングとレイアウトに細心の注意を払い、デジタル信号線がアナログ領域の上に配置されず、その逆もないことを確認してください。さらに、いかなる信号線もグランド分割や電源分離の境界を横切ってはなりません。PCBの機能とEMCをテストするには、2つのグランドを0Ω抵抗やジャンパワイヤで接続し、再テストします。結果の比較から、機能とEMCの両面において、統一グランド解が分割グランド解より優れていることがすべてのケースで示されます。

混在信号PCB設計は複雑なプロセスです。PCBを独立したアナログ領域とデジタル領域に分割し、A/Dコンバータを領域の境界に配置します。アナログ電源とデジタル電源を分離するため、分離された電源プレーン間の分割を信号線が横切らないようにし、横切らざるを得ない信号線は広い面積の導体層に隣接する層に配置します。リターンパス電流がどこを、どう流れるかを分析し、適切な部品配置と正しいレイアウトルールを遵守すべきです。基板の全層において、デジタル信号はデジタル領域にのみ、アナログ信号はアナログ領域にのみ配置します。

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参考資料
• EMIとEMC自動化ツールの包括的入門
• PCB EMC設計で初回成功を確実にする方法
• PCBレイアウトが電子製品のEMC性能に与える影響
• 電子機器のPCB設計におけるEMC技術適用の問題点と対策