電子機器のPCB設計におけるEMC技術適用の問題点と対策

IC（集積回路）の設計および製造の持続可能な発展において、信号伝送遅延やノイズといったいくつかの問題の顕在化は、信号の完全性に影響を及ぼす要因となる。したがって、その過程におけるこれらの問題には十分な注意を払わなければならない。PCB設計電子製品の試作および製造工程などのプロセスフローは、必ず監督されなければならない。また、従来の設計モジュールにおけるこれらの顕著な問題を解決し、EMC（電磁両立性）技術を合理的に適用するために、PCB設計にはいくつかの改善が施されるべきである。本稿では主に、電子機器のPCB設計におけるEMC技術の適用戦略について論じる。

EMCの概要と問題

EMCとは、機器やシステムが電磁干渉による影響を受けることなく正常に動作でき、かつ回路環境内のいかなる部分にも電磁的な妨害を与えない能力の一種を指します。

デザインする際にPCB電子機器では、信号干渉の問題は通常、信号妨害源の多様性に伴って発生します。したがって、信号伝送の過程において、アイソレーション、フィルタリング、シールドおよびグラウンドの機能を備えたEMC技術は、PCB全体の設計レベルを向上させるのに役立ちます。

EMC技術を適用する過程において、全体的な適用効果を高めるためには、部品の品質を試験しなければならない。具体的には、EMCシステムの構築過程において、EMC技術が関係する部品について、耐電圧性能および容量を実験的手法によって試験する必要がある。同時に、実験検査の過程では、顕在化している問題の完全性と、部品の適用過程における適切な対処に注意を払うべきである。

PCB設計において、主なEMC問題には伝導ノイズ、クロストークノイズ、および放射ノイズが含まれる。

・伝導障害

伝導性干渉は、リードのデカップリングおよびコモンモードインピーダンスのデカップリングによって他の回路に影響を及ぼす。例えば、ノイズが電源回路を通じてシステムに侵入すると、その電源を共有する他の回路はそのノイズの影響を受ける。

図1は、コモンモードインピーダンスによるノイズのデカップリングを示しています。回路1と回路2はどちらも、同じリードを通して電源電圧とグラウンドループを取得します。いずれか一方の回路の電圧を突然高める必要が生じると、共通の電源および2つのループ間のインピーダンスのために、もう一方の回路の電圧は低下します。

・クロストーク干渉

クロストーク干渉隣接する信号線からの干渉を指し、通常は隣接する回路や導体上で発生し、回路と導体の間の相互容量および相互インピーダンスを特徴とする。例えば、PCB 上のストリップラインに低レベル信号があり、平行配線の長さが 10cm を超えると、クロストークが発生する。クロストークは、相互容量を介した電界、相互インピーダンスを介した磁界によって引き起こされるため、まず最優先で解決すべき問題は、どちらの結合が主な役割を果たしているか、すなわち電界（相互容量）結合か磁界（相互インピーダンス）結合かを判定することである。電源インピーダンスと受信側インピーダンスの積は一つの基準とみなすことができ、これは回路間の構成と周波数に依存する。

・放射線干渉

放射干渉とは、自由電磁波によって放射される電磁放射が引き起こす干渉を指す。PCB における放射干渉とは、ケーブルと内部配線との間で生じるコモンモード放射干渉を意味する。電磁波が伝送線路に照射されると、電界から線路へのデカップリング問題が生じ、分布した小さな電圧源として CM（コモンモード）と DM（ディファレンシャルモード）に分類される。CM 電流とは、ほぼ同じ振幅かつ同じ位相位置をもつ 2 本のリードから流れる電流を指し、DM 電流とは、同じ振幅だが逆位相の 2 本のリードから流れる電流を指す。

電子機器のPCB設計におけるEMC適用戦略

・ESD（静電気放電）保護

電子機器のPCBを設計する際、ESDは直接伝導やインダクタンスによるデカップリングを通じて流れる電流の安定性に影響を与えるため、電子製品開発の要求を満たすためにはESD保護が必要となる。電子機器のPCB設計者は、EMC技術が電子機器のPCB設計プロセスに組み込まれていることを確実にしなければならない。つまり、新しい電子製品を開発する過程において、PCB上にスルーホールを配置し、スルーホール設計の過程では、金属シェル上の外部回路を内部回路と接続し、その接続部には固定ネジを取り付ける必要がある。最終的な目的は、優れた内外等電位環境を構築し、回路故障を引き起こすESDの発生を回避することである。例えば、ある種の電子機器はEMC技術の適用を重視しており、内部回路とLCD筐体との優れた接続を確保するために6つのスルーホールを配置し、それによって全体のPCB設計が大幅に改善されている。さらに、この種の電子機器では、信号の入出力部にESD保護部品を配置し、静電リングを取り付けることで、回路動作の安定性を低下させる可能性のあるESDの発生を回避している。

・デカップリングコンデンサの構成

電子機器のPCB設計において、電源系統は信号の完全性に影響を与える重要な役割を果たすため、EMC理論の適用を重視しなければならない。デカップリングコンデンサの配置過程では、回路動作をシミュレーションすることで、ノイズ干渉の現象を把握し、ノイズ問題を効果的に制御できるようにする。同時に、デカップリングコンデンサの配置過程において、技術者は電源フィルタ用コンデンサの入力端子を厳密に検査する必要があり、その値はEMC技術の条件を満たすために10～100Fの範囲に維持しなければならない。さらに、電子機器の適用レベルを高めるために、システム周波数は15MHz未満に制御し、デカップリングコンデンサの配置は集積チップの位置に行うべきである。

・熱設計

熱設計は、電子機器の性能に影響を与える最も重要な要素の一つです。放熱および換気の影響下では、コンポーネントと熱源との距離を規定範囲内に制御し、コンデンサなどの部品実装工程において、部品の発熱度を随時点検しなければなりません。さらに、高電力の部品を実装する際には、最適な熱設計を行ってPCB全体の設計レベルを向上させることができるよう、それらの部品を必ずPCBの上部に配置してください。

・線路長および幅の設計

電子機器のPCBにおけるEMC設計の過程では、配線の幅と長さは信号伝送効率と直接的な関係がある。PCB設計者は、最適な回路設計を実現するために、特に伝送遅延効果を綿密に検討しなければならない。プリント配線のインダクタンス効果は干渉を引き起こし、プリント配線の長さは干渉効果に比例するため、新しい電子機器の開発要件を満たすには、プリント配線を短くかつ太く保つよう制御する必要がある。例えば、ある種の電子機器の開発過程では、配線長と配線幅の設計が十分に考慮されており、EM78860の9番ピンXINは発振器の位置に配置され、DL16521の位置にあるリードは短く保たれている。これらにより、全体としてのEMC設計レベルが向上している。したがって、新しい電子機器の開発要件を十分に満たすためには、配線長および配線幅の科学化と合理化を重視することが極めて重要である。

電子機器の急速な発展に伴い、PCB 設計では高効率性と高い安定性がより重視されるようになり、それにより EMC 技術の役割が強調されるようになっている。EMC 技術に関する顕著な問題は、最良の設計効果を得るために、配線の長さと幅の設計、デカップリングコンデンサの配置、および ESD の観点から対処する必要があり、その結果として電子機器設計の大きな発展が促進される。

役立つリソース:
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