PCB設計における干渉を克服する方法

情報技術の絶え間ない発展に伴い、電子製品はその機能、種類および構造の面でますます複雑になり、推進しているPCB設計多層化および高密度化の方向へと進むにつれて、PCB 設計における EMC（電磁両立性）に多大な注意を払う必要があります。PCB の EMC 設計は、基板上のすべての回路が互いに干渉することなく正常かつ安定して動作することを保証するだけでなく、PCB の放射伝導および伝導エミッションを効果的に低減し、外部からの放射や伝導による回路への干渉を防ぐ役割も果たします。干渉は EMC の最大の敵です。しかしエンジニアの皆さん、この文章を読んだ後は心配するのをやめてください。

PCB干渉の分類

PCBの干渉は、次の3つのカテゴリに分類できます。
1). レイアウト干渉PCB上の不適切な部品配置によって生じる干渉を指す。
2). スタッキング干渉科学的でない設定によって引き起こされるノイズ干渉を指す。
3). ルーティング干渉は、PCBの信号線、電源線および接地線間の距離設定の不適切さ、線幅の不適切さ、または非科学的な設計によって引き起こされる干渉を指すPCB配線メソッド

PCB干渉の分類という観点から、レイアウトルール、スタッキング戦略、および配線ルールの側面からそれぞれいくつかの抑制対策を講じることで、PCB干渉の影響を低減または排除し、EMC設計規格との適合性を確保することができる。

分類に基づくPCB干渉に対する対応抑制対策

・レイアウト干渉の抑制対策

レイアウト干渉を停止する権限は、妥当性にありますPCBレイアウト次の6つの規則に従う必要があります。

1).各機能モジュールの回路上の配置は、信号電流の位置に応じて適切に設定し、その流れる方向が可能な限り同一となるように維持する必要があります。

2).モジュールの回路におけるコア部品は中央に配置し、特に高周波部品については、部品間のリード線をできるだけ短くする必要があります。

3).感熱素子とチップの接続は、発熱体から十分に離れた場所で行う必要があります。

4).コネクタの位置は、基板上の部品配置に従って決定する必要があります。ケーブルが両側から引き出されることを防ぎ、コモンモード（CM）電流の放射を低減するために、コネクタはPCBの片側に配置する必要があります。

5).I/Oドライバは、基板上でI/O信号の長距離配線を防ぐために、コネクタの近くにできるだけ密接に配置する必要があります。

6).感熱素子は互いに近づけて配置してはならず、また入力および出力コンポーネントもそれらから十分に離して配置する必要があります。

・積層干渉の抑制対策

まず、回路機能の実現を確保するために必要な電源および層数を決定するには、信号線の密度、電源とグラウンドの分類などを含む包括的な要素を考慮して、PCB設計情報を十分に把握しておく必要があります。スタッキング戦略の品質は、本質的にグランドプレーンまたはパワープレーンの過渡電圧および電源と信号の電磁シールドと相関しています。実際のスタッキング設計経験に基づくと、スタッキング設計は次のルールに従うべきです。
1).グラウンドプレーンと電源プレーンは互いに隣接させ、その間隔は可能な限り小さくする必要があります。
2).シグナル層は、グランド層または電源層にできるだけ近接させる必要があります。単層でも多層でも問題ありません。

シングル層またはダブル層のPCB設計においては、電源ラインと信号ラインを慎重に設計する必要がある。電源電流のループ面積を小さくするために、グラウンドラインと電源ラインは互いに密接に配置し、かつ平行を保たなければならない。シングル層PCBの場合、重要な信号ラインの両側には保護用グラウンドラインを配置するべきである。一方では信号のループ面積を縮小することを目的とし、他方では信号ライン間のクロストークを回避することができる。

二層基板の場合でも、保護接地線を設けることができ、または重要な信号の画像面に広い面積のグラウンドを実装することができます。ただしPCB製造アセンブリのデバッグは簡単かつ便利ですが、リファレンスプレーンがない場合、ループ面積の増加に伴って放射が増大するため、デジタル回路やデジタル・アナログ回路のような複雑なPCBを直接シミュレーションすることは許容できません。

コストに十分な余裕がある場合は、多層PCBを推奨します。多層PCB設計の過程では、次の3つのルールに従う必要があります。
1).バスラインや強い放射を持つクロックライン、高感度なラインなどの重要な信号線については、2つのグラウンドプレーン間、またはグラウンドプレーンに密接した信号層上で配線を行うべきである。これは、信号ループ面積の縮小、放射強度の低減、および耐干渉性能の強化に有利である。
2).エッジ放射は、効果的に制御されていることを確実にしなければならない。隣接するグラウンドプレーンと比較して、電源プレーンは内側に 5～20H（H は誘電体の厚さを指す）だけ縮小する必要がある。
3).・ボトム層とトップ層の間に高周波信号ラインが存在する場合、高周波信号ラインから空間への放射を防ぐため、それらはトップ層とグラウンドプレーンの間に配置する必要があります。

・ルーティング干渉に対する抑制対策

干渉を防止するため、ルーティングに関しては次の規則を遵守しなければならない。
1).出力端子および入力端子のリード線は、長い距離にわたって平行にならないようにする必要があります。平行によるクロストークは、接地ラインを追加するか、配線間の距離を広げることで低減できます。
2).配線幅は決して急に変更してはなりません。コーナーはアーク状にするか、135°の角度にする必要があります。
3).電流が流れているループからの外部放射は、ループ面積、電流、および信号周波数が増加すると増加し、減少すると減少する。そのため、電流が流れる際にはリードのループ面積を小さくする必要がある。
4).リードのインピーダンスを低減するためには、リードの長さを短くし、幅を広くする必要があります。
5).隣接するライン間のノイズ結合およびクロストークを最小限に抑えるため、配線間にアイソレーション処理を行い、ルーティングの分離を確保してください。
6).シャント絶縁のキ―信号を設定し、キ―信号は保護回路によって保護される必要があります。

さらに、信号線、電源線および接地線を配線する際には、それぞれの特性と機能に応じた配線ルールに従ってください。
a.公共グラウンドラインは、メッシュまたはループパターンでPCBの端部に配置する必要があります。グラウンドラインは可能な限り太くし、シールド効果を強化するために銅箔を多く適用する必要があります。アナロググラウンドはデジタルグラウンドと分離し、アナロググラウンドの低周波グラウンドでは単一点並列接続を適用する必要があります。高周波グラウンドでは多点直列接続を適用する必要があります。実際の配線では、直列接続と並列接続を組み合わせることができます。
b.可能な限り電源ラインの幅を広げ、ループ抵抗を低減して、グランドラインおよび電源ラインの方向とデータ伝送の方向との同期を確保する必要があります。多層PCBの場合、電源ラインとグランドプレーンまたは電源プレーンとの距離を短くするべきです。各機能ユニットには独立して電源を供給し、共通電源から供給される回路同士は互いに近接させ、かつ互換性を持たせる必要があります。
c.干渉信号の結合経路を低減するために、信号線はできるだけ短くする必要があります。クロック信号線および感度の高い信号線を最優先で配線し、その次に高速信号線、最後に重要度の低い信号線を配線します。信号線同士の互換性がない場合は、結合干渉の発生を防ぐためにアイソレーション処理を行う必要があります。重要な信号の配線は、パッドやスルーホールビアによって生じる分離領域やリファレンスプレーンの空隙をまたいではいけません。そうしないと信号ループ面積が増大してしまいます。同時に、エッジ放射を防止するため、重要な信号線とリファレンスプレーンとの距離は、3H（H は重要な信号線とリファレンスプレーン間の高さを指す）未満にしてはなりません。

私たちが恐れなければならない唯一のものは、恐れそのものです。電子エンジニアにとって、PCB設計の過程では、干渉が常にあなたを悩ませるかもしれません。しかし、干渉がどこから生じるのかを理解し、効果的な対策を講じさえすれば、干渉は必ず低減され、PCBの性能は十分に発揮されるでしょう。

電子機器の複雑さが増すにつれて、プリント基板（PCB）設計における良好な電磁両立性（EMC）は、機能を低下させる干渉を防ぐうえで極めて重要になります。レイアウト、層構成、配線手法によってPCBの干渉を把握・低減することで、機器の性能と信頼性を大幅に向上させることができます。適切な対策を講じることで干渉を最小限に抑え、PCBの能力を最大限に引き出し、先進的な電子システムを支障なく動作させることが可能になります。

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