電子製品においてその応用が十分に実現される各種コンポーネントのプラットフォームとして、PCB（プリント基板）はコンポーネント間の電気的接続として重要な役割を果たし、電子機器や装置におけるベース部分を構成している。したがって、その性能と品質は電子製品の性能と品質に直結する。マイクロエレクトロニクス技術の急速な発展に伴い、多数の電子製品が同時に動作する傾向が強まり、それらの間の干渉はますます増大している。さらに、PCB の高密度化が進むことで、PCB 設計の品質が干渉の程度および耐干渉性を左右する重要な要因となっている。その結果、コンポーネントの選定や回路設計に加えて、優れた部品配置および配線も、回路に最適な性能が求められる場合の PCB EMC（電磁両立性）設計に大きく寄与する。
EMC とは、電磁環境下で機器やシステムが正常に動作すると同時に、周囲の機器やシステムに対して許容できない電磁妨害を発生させない能力を指します。電磁妨害は、主に異常に高い動作周波数や不適切なレイアウト・配線など、複数の要因によって生じます。避けることのできない高周波（RF）を前提とした状況では、設計者は EMC を考慮して PCB 設計を行う際、部品配置、配線、電源およびグラウンド設計に重点を置く必要があります。さらに、層数の異なる PCB に対しては、最適な性能を実現するために、異なる設計要素を考慮しなければなりません。
・差動モード電流およびコモンモード電流
a. 差動モード伝送およびコモンモード伝送
どのような回路にも、コモンモード（CM）電流とディファレンシャルモード（DM）電流が含まれている。両者はともに、高周波（RF）伝送の程度を決定する。実際のところ、それらの間には大きな差異が存在する。2本のリード線または配線パターンと基準リターン源が与えられると、いずれの種類の電流も生じうる。一般的に言えば、DM 信号はデータや有用な情報を運ぶ。一方、コモンモードは、DM 電流の負の影響として EMC に最も多くの問題を引き起こす。DM 伝送は通常、線間伝送として定義されるのに対し、CM 伝送は通常、線対グラウンド間の伝送として定義される。閉ループによって生成される最大の電界強度は、次の式によって求めることができる。
。E最大電界強度（μV/m）を指します。r閉ループと測定アンテナ間の距離（m）を指す。ｆ周波数（MHz）を指します。私sは電流（mA）を指し、A はループの面積（cm²）を表します。
上記の式に基づくと、電界強度はループ面積に正比例することが明確に示されている。DM伝送レベル（TL）を低減するためには、電流源を低減することに加えて、ループ面積を縮小する必要がある。
CM放射は、電圧降下の結果として、部分的な接地電位が基準接地よりも高くなることで生じる。影響力のある接地システムに接続されたケーブルは、CM放射の構成要素であるアンテナと見なされる。遠方界成分は次の式で表すことができる。
,K透過係数を指す。私CM 電流（A）を指すlケーブル長さ（m）を指しますf送信周波数（MHz）を指します。r距離（m）を指します。
この式は、電界強度がケーブル長に正比例することを明確に示している。CM伝送の低減は、CM電流の減少とケーブル長の短縮に依存する。
b. CM と DM の変換
異なるインピーダンスをもつ2本の信号線が存在する場合、DM と CM は相互に変換され得る。インピーダンスは主に、物理的な配線と相関のあるリード線やくし形コンデンサおよびインダクタによって決定される。大多数の PCB の配線においては、CM と DM が発生しないよう、寄生容量および寄生インダクタンスを十分に抑えて最小化する必要がある。したがって、環境に対して感度の高い回路は、ある手法によってバランスをとり、各導体のリード線またはくし形容量が寄生容量と等価になるようにしなければならない。
c. CMおよびDM干渉を停止する一般的な方法
CM電流およびDM電流、そしてRF干渉を抑制するための基本的な指針は、電流容量の相殺または電流容量の最小化にある。配線パターンに電流が流れると磁力線が発生し、それにより電界が生じる。これら両方の場はRFエネルギーを放射し得る。もし磁力線が相殺されるか、あるいは最小限まで減少すれば、RFエネルギーはもはや存在しなくなり、最終的に干渉は止まる。本稿の後半では、順守できる具体的な対策やルールについて論じる。
・クロストーク
PCB設計における重要な要素として、クロストークはプロセス全体の各段階で慎重に検討する必要があります。クロストークとは、配線、リード線、ケーブル束、部品、またはその他の電子部品間で生じる不要な電磁結合を指し、これらは電磁干渉の影響を受けやすい傾向があります。
主要なEMI（電磁干渉）の伝搬形態として、クロストークは配線同士の干渉を引き起こしやすい。クロストークは、容量結合とインダクタンス結合に分類される。前者は通常、配線が他の配線やリファレンスプレーンの上に位置していることに起因する。後者は通常、物理的に互いに近接した配線に起因する。平行配線の場合、クロストークには順方向と逆方向の2つのモードがある。PCBにおいては、順方向クロストークよりも逆方向クロストークのほうが重要視される。回路においては、電源と干渉を受ける配線との間のインピーダンスが大きいほど、クロストークレベルは高くなる。インダクタンスクロストークは、配線や伝送線路、リード間のエッジ・トゥ・エッジ距離を大きくするか、配線とリファレンスプレーンとの距離を最小化することで抑制できる。
・デジタル信号スペクトル解析
a. デジタル信号
デジタル信号の特性は方形波であり、方形波信号は基本波と多数の高調波正弦波で構成される。フーリエ変換を適用することで、デジタル信号の周波数帯域の波形を捉えることができる。したがって、パルスの繰り返し周期が短いほど、その繰り返し周波数は高くなり、高調波周波数も同様に高くなる。理論的には、方形波の立ち上がり時間はゼロであるため、高調波成分は無限大となる。しかし、実際には立ち上がりエッジと立ち下がりエッジを持つ台形波形となる。
b. パルスの時間領域と周波数領域の変換（フーリエ変換）
フーリエ変換により、矩形パルスは余弦波または正弦波に分解され、次の式に従う
この式では、広告n各コサイン波形それぞれの振幅を指します。n高調波の数を指します。ｗ角周波数を指します。
・デカップリングと接地
a. デカップリング設計
インダクタとコンデンサで構成されるローパスフィルタは、高周波の干渉信号を除去することができる。配線上の寄生インダクタンスは電源の立ち上がりを遅くし、その結果、駆動デバイスの出力電流が低下する。デカップリングコンデンサを適切に配置し、インダクタとコンデンサのエネルギー蓄積機能を利用することで、デバイスのオン・オフの瞬間に電流を供給することが可能になる。直流ループでは、負荷の変動によって電源ノイズが発生する。デカップリングコンデンサの構成により、負荷変動に起因するノイズの発生を抑制することができる。
b. 接地設計
電子機器において、接地は干渉を制御するための重要な手段です。接地をシールド対策と正しく組み合わせれば、ほとんどの干渉問題は解決されます。
・コンポーネントのレイアウトとルーティング
回路レイアウトは、電磁干渉の程度と耐干渉強度を直接左右する。適切なレイアウトは、回路効率を高めるだけでなく、システム全体のEMCも向上させる。単位回路の動作周波数が高くなるほど、動作速度は速くなり、信号スペクトルはより多様化する。その結果、高周波成分の割合が高いほど、干渉は強くなる。周波数の観点から見ると、高周波回路が最優先で、その次に中周波回路、最後に低周波回路となる。一方、論理速度の観点から見ると、高速回路が最優先で、その次に中速回路、最後に低速回路となる。この理論に基づき、回路レイアウトは以下の設計方針に従って実施すべきである。
頻度や速度による分類とは別に、機能や種類も分類基準として用いることができます。取るべき具体的な対策については、本記事の残りの部分で詳しく説明します。読み進めていただければ、それらを詳細に把握することができます。
回路のEMC性能を損なう原因となる干渉源が洗い出されたので、それらの干渉源に対応したEMC対策用の設計ルールを策定する必要があります。以下に、EMCを達成するためのPCB設計ルールを示します。
・サーフェスレイアウト
a.PCBサイズは考慮する必要があります。特別に大きなサイズの基板では、配線が長くなり、インピーダンスが増加し、ノイズ耐性が低下し、製造コストも上昇します。特別に小さなサイズの基板では、放熱に問題が生じ、隣接する配線同士のクロストークが発生しやすくなります。推奨されるPCBサイズは長方形で、長辺と短辺の比率は3:2または4:3とすることです。さらに、基板サイズが200mm×150mmを超える場合は、基板が受ける機械的強度についても考慮しなければなりません。したがって、自分のPCBメーカーが対応可能な基板寸法の上限を把握しておくことが非常に重要です。例えば、PCBCartは最小6×6mm、最大600×700mmのプリント基板を製造できます。確認はそのカスタムPCB製造詳細については、機能をご覧ください。
b.コンポーネントのレイアウト設計においては、パーティショニングを慎重に検討する必要があります。デジタル回路、アナログ回路、およびノイズ源は基板上でそれぞれ独立して配置し、高周波回路は低周波回路から分離するべきです。さらに、強信号と微弱信号を持つ部品の配置および信号伝送方向の問題にも注意を払う必要があります。
c.各機能回路では、レイアウトは中核となるコンポーネントを中心に行い、コンポーネントが同一方向に整然かつコンパクトに配置されるようにする必要があります。信号間の結合が生じるのを防ぐため、干渉の影響を受けやすいコンポーネントは隣接して配置しないようにします。
d.高感度信号部品は、電源および大電力デバイスから十分に離して配置し、高感度信号ラインが大電力デバイスの上を横切ることがないようにしなければなりません。熱に敏感な部品は発熱デバイスから離して配置し、温度に敏感な部品は最も温度の低いエリアに配置する必要があります。
e短絡の発生の可能性を避けるため、高い電位差を有する部品同士の距離は拡大する必要があります。さらに、高電力部品は、試験時に手が触れられない位置に配置するようにし、絶縁保護を施すべきです。
f.スルーホールは約0.5pFの分布容量をもたらすため、スルーホールの削減は動作速度の向上に有利である。
•コンポーネントレイアウト
a.離散部品と比較して、IC部品は優れたパッケージング、はんだ接合部の少なさ、故障率の低さといった利点があるため、優先的に選定すべきである。さらに、信号の立ち上がり／立ち下がりが比較的緩やかなデバイスを選択することで、信号によって生成される高周波成分を低減できる。表面実装デバイスを用いることで、配線長を短縮し、インピーダンスを低減するとともに、EMC を改善することができる。
b.コンポーネントは同じ分類に基づいて配置する必要があります。互換性のないコンポーネントは、空間的に互いに干渉しないよう、個別に配置する必要があります。
c.15g を超える重量のコンポーネントは、サポートによって固定されるまで、はんだ付けを行ってはいけません。大きくて重く、かつ多くの熱を発生するコンポーネントは、基板上に実装すべきではなく、完成品筐体のボトムボードに実装する必要があります。さらに、放熱が確保されなければならず、熱に敏感なコンポーネントは、発熱するコンポーネントから離して配置する必要があります。
d.可変抵抗器、可変インダクタンスコイル、可変コンデンサ、マイクロスイッチなどの可変部品については、システム全体の構造要件を考慮する必要があります。内部調整が必要な場合、これらの部品は回路基板上に配置し、外部調整が必要な場合は、機械フレームと適合する位置に配置しなければなりません。
・ルーティング設計
一般的なルーティングルールは次の順序に従います。
その一般的なルーティング規則とは別に、決して無視してはならないいくつかの詳細があります。
a.放射干渉を最小限に抑えるためには、電源層とグラウンド層を内層に設定した多層PCBを採用する必要があります。これにより、電源回路のインピーダンスを低減でき、信号線用に均一なグラウンドプレーンを形成することで、共通インピーダンスノイズを抑制することができます。これは、信号線とグラウンドプレーン間の分布容量を改善することで放射を抑制するうえで重要な役割を果たします。多層PCBに関するさらなる設計上の注意点については、以下の「PCB層構成およびEMC設計」のセクションで説明します。
b.高周波信号に対しては、電源ライン、グランドライン、および基板上の配線のインピーダンスを低く保つ必要があります。周波数が非常に高くなると、電源ライン、グランドライン、および基板配線はすべて、干渉を受信・送信する小さなアンテナとなってしまいます。このような干渉を抑えるためには、フィルタ用コンデンサを追加することよりも、電源ライン、グランドライン、および基板配線が持つ高周波インピーダンスを低減することの方が重要です。したがって、基板上の配線は短く太くし、かつ均一に配置する必要があります。
c.電源ライン、グラウンドライン、およびプリント配線は、信号線とリターンラインによって形成されるループ面積を最小限に抑えるために、できるだけ短く直線的になるよう適切に配置する必要があります。
d.クロックジェネレータは、可能な限りクロックデバイスの近くに配置する必要があります。
e水晶発振器のシェルはグランドに接続する必要があります。
f.クロックドメインはグラウンドラインで囲み、クロックラインはできるだけ短くする必要があります。
g.高周波信号の伝送および結合を低減するために、回路基板には 90° ではなく 45° の角度を持つ折れ線を適用する必要があります。
h.単層PCBおよび二層PCBでは、電源の単一点接続とグランドの単一点接続を適用する必要があります。電源ラインとグランドラインは、できるだけ太くするべきです。
i.I/O駆動回路は、回路基板の端にあるコネクタの近くに配置する必要があります。
ｊ.主要なラインは太くし、両側にグラウンドガードを追加するようにしてください。高速ラインは短く、まっすぐに配線する必要があります。
k.コンポーネントのリード線はできるだけ短くする必要があり、特にデカップリングコンデンサでは、リード線のない実装コンデンサを使用することで効果を発揮します。
l.A/Dコンポーネントに関しては、デジタル部とアナログ部のグラウンドラインを交差させてはなりません。
m.クロック、バス、およびチップセレクト信号は、I/Oラインやコネクタから十分に離して配置する必要があります。
名詞アナログ電圧入力ラインおよび基準電圧端子は、デジタル回路の信号ライン、特にクロックから十分に離して配置する必要があります。
o.クロックラインが I/O ラインと平行である場合よりも、I/O ラインと直交している場合のほうが干渉は小さくなります。さらに、クロック部品のピンは I/O ケーブルから離して配置する必要があります。
p.トレースは、クォーツクリスタルやノイズに敏感なデバイスの下に配置してはなりません。
q.弱信号回路や低周波回路の周囲には、電流ループを決して形成してはなりません。
r.どの信号もループを形成してはなりません。もしループを設けなければならない場合は、できるだけ小さくする必要があります。
・トレースルーティング
a.同一出力で方向が逆の電流信号については、磁気干渉を除去するために並列配線を行う必要があります。
b.プリント配線の不連続性は可能な限り低減すること。例えば、リード幅を急激に変化させないこと、およびリードのコーナー角度を90°を超えないようにすること。
c.EMIは主にクロック信号ラインによって発生しやすいため、配線の際にはクロック信号ラインをグラウンドループの近くに配置する必要があります。
d.バスドライバは、駆動するバスのそばに配置する必要があります。PCB から離れた配線については、ドライバはコネクタのそばに配置するべきです。
e.クロックリード、行ドライバ、またはバスドライバの信号線は通常、大きな過渡電流を流すため、プリント配線はできるだけ短くする必要があります。離散部品の場合、プリント配線の幅はおよそ 1.5mm までとすることができます。しかし IC の場合、プリント配線の幅は 0.2mm から 1.0mm の範囲としなければなりません。
f.大面積の銅箔は、発熱部品や大電流が流れるリードの周囲では使用を避けるべきです。そうしないと、製品が長時間熱環境にさらされた場合、銅箔の膨れや剥離などの問題が発生する可能性があります。どうしても大面積の銅箔を使用する必要がある場合は、グリッド状にすることが望ましく、これは銅箔と基板との熱圧着によって発生するガスの逃げ道を確保するのに有効です。
g.パッド中央のビア開口部は、部品ピンのそれより適切に大きくする必要があります。パッドが大きすぎると、ドライソルダリングが発生しやすくなります。
・電源設計
不適切な電源設計は大きなノイズを発生させ、最終的に製品の性能を低下させます。不安定な電源を引き起こす主な要因は次の2つです。
#1: 高速スイッチング状態では、一時的な交換電流が大きすぎます。
#2: 電流のリターン側にはインダクタンスが存在する。
その結果、PCB 設計では電源インテグリティを十分に考慮する必要があり、さらに次の規則も順守しなければなりません。
a. 電源デカップリングフィルタ設計
ICチップの電源端子2点間に0.01μF～0.1μFのデカップリングコンデンサをブリッジ接続することで、基板全体のノイズおよびサージ電流を大幅に低減することができます。電流補償が達成されている場合、デカップリング容量は小さいほど望ましいです。リードインダクタンスが低いため、実装コンデンサを最適に活用する必要があります。
電源をフィルタリングする最も効果的な方法は、AC電源ラインへのフィルタの配置にあります。リード線同士の相互結合やループの発生を防ぐために、フィルタの入力線と出力線は基板の両側から引き回し、リード線はできるだけ短くする必要があります。
b. 電源保護設計
電源保護設計には、過電流保護、低電圧アラーム、ソフトスタートおよび過電圧保護が含まれる。過電流保護は、ヒューズを用いることで PCB の電源部で実現できる。ヒューズが溶断する過程で他のモジュールに影響を与えないようにするためには、入力電圧もコンデンサを維持できるように設計しておく必要がある。過電圧によって誤って部品が損傷するのを防ぐために、配電線と接地電位の間に放電管やバリスタなどの保護デバイスを用いて等電位を確立し、過電圧保護を実現する。
・グラウンドデザイン
電位基準点を持つ等電位の装置において、接地線は一定しない電位を示します。接地線上の各点間の電位をメーターで測定すると、比較的大きな差異が観測される場合があり、これが最終的に回路動作時の誤差の原因となります。
グランド線によるEMIの主な原因は、グランド線のインピーダンスにあります。グランド線に電流が流れると電圧が発生し、これが実質的にグランドノイズとなります。この電圧により駆動されて、グランド線上にループ電流が生じ、その結果としてグランドループ干渉が発生します。もし2つの回路が同じグランド線を共用している場合、共通インピーダンス結合が生じます。
グラウンドループ干渉への対策には、グラウンドループの切断、グラウンドループインピーダンスの付加、および平衡回路の適用が含まれる。共通インピーダンス結合を抑制する方法としては、共通グラウンド線のインピーダンスを低減するか、並列単一点接地を行うことが挙げられる。グラウンド線設計に関する具体的な規則は以下のとおりである。
a. デジタルグラウンドとアナロググラウンドの分離
回路基板上にアナログ回路とリニア回路の両方が存在する場合、それらは互いに分離して配置する必要があります。低周波回路では、単一点の並列接地により多く依存すべきです。実際の配線過程で問題が発生した場合には、並列接地の前に一部で直列接地を実装することができます。高周波回路は多点直列接地に依存する傾向があり、接地線は短く太くする必要があります。高周波部品の周囲には、格子状の銅箔を大量に適用するべきです。
b. アース線はできるだけ太くすること
グラウンド配線は、プリント基板の許容電流の2倍の電流が流せるよう、できるだけ太くしてノイズ耐性を高める必要があります。グラウンド配線にベタパターンを適用する場合は、デッドカッパーを避けなければなりません。さらに、同様の機能を持つ銅箔同士は太いリードで相互に接続し、グラウンド配線の品質を確保するとともにノイズを低減するようにします。
c. 接地線によって形成される閉ループ回路
デジタル回路のみを含む回路基板では、接地回路を環状ループ状に設計することで、耐ノイズ性能を高めることができる。
・適切なPCB層数
レイヤー数の観点では、単層PCB、両面PCB、多層PCB。
a.単層PCBおよび両面PCBは、中・低密度の配線や低信頼性の回路に適用されます。製造コストの観点から、多くの民生用電子機器製品は単層PCBまたは両面PCBに依存しています。しかしながら、これらはいずれも構造上の欠点により多くのEMIを発生し、外部からの干渉にも敏感です。
b.多層プリント基板は、高密度配線や高信頼性のチップ回路でより多く用いられる傾向があります。したがって、信号周波数が高く、電子部品が高密度に分布している場合には、少なくとも4層のプリント基板を選択する必要があります。多層プリント基板の設計においては、電源層とグラウンド層を特別に配置し、信号線とグラウンド線の距離を縮めるべきです。その結果、すべての信号のループ面積を大幅に減少させることができます。EMCの観点から、多層プリント基板は放射を効果的に低減し、耐ノイズ性能を向上させることが可能です。
・単層PCB設計
単層PCBは通常、数百kHz程度の低周波で動作します。これは、高周波回路のリターンパスや完全な閉ループが要求する制御条件の欠如、顕著な導体表皮効果、あるいは避けられない磁界およびループアンテナの問題など、低周波による制約のために、多くの高周波設計条件が満たせないからです。したがって、単層PCBは静電気、急峻なパルス、放射、あるいは伝導性RFなどのRF干渉に対して敏感になりがちです。単層PCBの設計では、信号インテグリティや終端マッチングは考慮されません。まず電源線とグラウンド線の設計を行い、その次に、グラウンド線の隣に配置すべき高リスク信号の設計を行います。近ければ近いほど良好です。最後にその他の配線を設計します。具体的な設計手法としては、次のようなものがあります。
a.重要な回路信号ネットワークでは、電源線と接地線が電源ボックスの接地点に沿って配線されていることを確実にしなければならない。
b.サブ機能に従って配線を行い、感度の高いコンポーネントおよびそれに対応する入出力端子やコネクタについては、設計要件を慎重に検討しなければならない。
c.クリティカルな信号ネットワーク内のすべてのコンポーネントは、互いに隣接して配置されるべきです。
d.複数の接地点を必要とするPCBでは、それらの接地点が相互に接続されていることを確認し、接続方法の設計も含めて行ってください。
e他のラインの配線については、より高いRF耐力を有するラインでは、RFリターンパスが経路全体で明確に確保されたミニパス設計手法を採用する必要があります。
・二層／多層PCB設計
a.主要な電源プレーンは、結合容量が生成されるように、対応するグラウンドプレーンに隣接して配置する必要があります。PCB のデカップリングコンデンサと協調することで、主要な電源プレーンは電源プレーンのインピーダンス低減に有利となり、優れたフィルタリング効果が得られます。
b.隣接するプレーン上の主要な信号がスプリットゾーンをまたいで通過することは許可されていません。これは、信号ループの拡大を防ぎ、強い放射を低減し、干渉に対する感度を下げるためです。
c.クロック信号、高周波信号、高速信号などの重要な信号には、隣接するグラウンドプレーンが必要です。たとえば、グラウンドプレーンに隣接する信号層は、信号ループ面積を縮小し、放射ノイズを遮蔽できるため、信号配線に最適な層とみなすことができます。
d.通常、20Hルールに従うため、電源プレーンはグラウンドプレーンより小さくする必要があります。
