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PCBの電磁両立性における電源とグラウンドに関する検討

電子製品の改良は、電子技術の進歩と密接に関連している。電子技術の高速な発展に伴い、電子製品は小型化および高密度化の方向へと発展しており、それが多くの干渉をもたらしている。PCB電磁両立性(EMC)設計その中で、電源とグラウンドが最も重要な部分となる。したがって、電子製品の開発や電磁設計による干渉に直面した場合、EMC干渉の確実性に基づいて、EMC設計の最適化を実施する必要がある。

電磁両立性における電源およびグラウンドの干渉解析

電源回路は電子回路と電力網を接続する媒体であり、ノイズは電磁両立性設計を妨害する主な原因である。PCB設計の発展に伴い、電磁両立性設計における電圧もまた、回路の不安定性を引き起こす主要な要素となっている。干渉は主に次のような側面に表れる。まず、第1に、電子部品電子製品においては、電子製品の利用に利便性をもたらす一方で、電子製品内部の設計に対してより高度な要求が課される。電子製品の技術的なアップグレード速度が電磁両立性設計と両立しない場合には、最適化が必要となる。このとき、DPS チップや CPU などの電子製品のロジックチップが干渉を受けると、電子製品の性能も低下してしまう。PCB の電磁両立性設計における電磁干渉は、電源ラインおよびグランドラインによって生じる抵抗が原因で発生する。その結果、電磁両立性が悪い状況に直面した場合には、グランドラインおよび電源ラインの両立性設計を分析・最適化し、電磁性能を向上させる必要がある。同時に、高電流速度を有する高速回路には特別な PCB 設計が求められ、急激に変化する電流は電磁両立性設計と整合していなければならない。さらに、複数の回路が同一の電源ラインを同時に使用する場合、回路には大きな干渉と負担が生じる。回路信号も影響を受け、一定の制限を受ける。回路間の相互利用は、共通インピーダンス干渉の発生を招く。一方で、共通インピーダンス干渉は単一ライン干渉よりも顕著な影響を及ぼす。

電磁両立性設計の処理戦略

・電力線の電磁両立性の設計および処理


PCBの電磁両立性設計の重要な一部として、電源ラインの電磁設計および処理はPCB回路の安定化において基礎的な役割を果たしており、以下の側面を含みます。


1).PCB を流れる電流の強さに応じて電源ラインの幅を設定・調整し、電源ライン幅を科学的に設計することで、ループ動作の過程における電流抵抗を大幅に低減することができる。


2).電源ラインとグランドラインの配線方向に十分注意してください。一般的に言えば、電源ラインとグランドラインの配線方向は電流の流れる方向と一致させるべきです。しかし、PCB の電磁両立性(EMC)設計の観点からは、電源ラインとグランドラインの配線方向はデータの流れる方向と一致させる必要があります。これは、その過程でノイズ問題が解決されるためです。


3).ピンの長さは適切に設定すること。実装部品の適用は、ピンの適合性を高めるうえで重要なステップである。実装部品を適用する際には、容量によって形成されるループ面積を小さくする必要があり、実装部品は部品の分布容量が及ぼす悪影響を低減することができる。電磁両立性設計の過程において、部品の分布容量の影響はノイズ発生の主要な要因である。部品の分布インダクタンスのバランスが取れる理由は、ピン長を短縮することにある。

・接地線の電磁両立性設計および処理


グランドラインのEMC設計および処理は、主にグランドループによる干渉を低減し、ノイズがPCBの電磁両立性に及ぼす悪影響を排除することを目的としており、以下の観点から実施することができる。


1).ループ電流の形成は、グラウンドループ干渉の主な原因である。しかし、実際にループ電流の発生を低減するためには、まず電磁両立性の観点からグラウンドラインを設計することが最初の作業となる。具体的には、アイソレータおよびコモンモードチョークの適用こそが、ループ電流を低減するための本質的な対策である。ループ電流が形成される際、共通インピーダンスが主な影響要因となる。ループ電流とループグラウンドライン設計との衝突を避けるためには、ノイズ干渉を引き起こすループ電流の形成を阻止する目的で、グラウンドループに隣接して厚いグラウンドライン層を敷設する必要がある。さらに、極端位置の精度を確保しなければならない。グラウンドラインプレーンにおいては多層PCB特定の設定を行う必要がある。一方、PCB の EMC 設計の過程では、シフタの組み立てを調整することは、実際にはノイズ干渉を調整するための重要な手段であり、つまり、ノイズ干渉がある一定の限度を超えた場合に、シフタの調整によってノイズを低減することが可能であることを意味する。


2).公共部分の抵抗は、EMC設計における干渉を引き起こす主な要因である。しかしながら、接地線のEMC設計を円滑に実施するためには、公共部分の電磁両立性設計が最も重要な作業であり、接地線を太くすることやコーティング処理を施すことによって、公共部分の抵抗を回避することができる。そのため、接地方式を変更することで、並列単一点を処理・最適化することが可能である。同時に、直列および並列設計の過程において、単一点接地を生成することによって、公共抵抗を可能な限り排除することもできる。


3).デジタルグラウンドとアナロググラウンドは互いに独立していなければならない。一方で、デジタルグラウンドとアナロググラウンドは互いに独立しているべきであり、他方で、デジタルグラウンドは独立して設計され、アナロググラウンドはデジタルグラウンドに干渉しないように確保しなければならない。並列および直列の共通グラウンド化の過程では、単一点接地は最も一般的な方式であるが、低周波回路による干渉を抑えるための干渉低減効果は十分ではない。そのため、高周波回路は直列および並列回路と接続する必要がある。

・有害物質検知


電子製品における有害物質の検出は主に、検出方法の適用、検出項目の決定、および廃棄された輸出電子製品のリサイクルから構成される。


a.電子製品における有害物質検出のためのサンプル数量および方法の選定


b.検出項目の決定。市場に出回っている商品と同様に、原材料電子製品にはさまざまな品質と種類があります。原材料は、電子製品のサプライヤーおよび製造業者が、具体的な環境保護プロジェクトに応じて決定すべきであり、これは検出結果の向上にも役立ちます。検出は以下の観点から実施する必要があります。
1).製造工程の特性に合わせて、電子製品の種類、数量およびインデックスが対応する規格に達していることを確保する。
2).あらゆる位置と角度から検出します。検出結果が完全かつ正確であるよう、合法的で権威ある検出を実施しなければなりません。
3).検出環境が電子製品に与える影響を最小限に抑え、測定誤差を減らすためには、物理的および化学的特性を十分に理解する必要があります。異なる特性を持つ電子製品には、それぞれ異なる検出グレードに対応させることが求められ、これにより検出データをより正確かつ科学的なものにすることができます。


c.廃棄された電子製品のリサイクルおよび破棄。


検査後、基準に適合せず人々の健康に害を及ぼす廃棄電子製品は、速やかにリサイクルする必要があります。必要に応じて、悪影響を避けるために廃棄電子製品を処分しなければなりません。

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