EMC向上のためのPCB分割設計ルール

EMC（Electro-Magnetic Compatibility、電磁両立性）とは、同一の電磁環境下において、電子機器がそれぞれの機能を実現できる共存状態を指します。簡単に言えば、EMCとは、電子機器同士が互いに干渉することなく、独立して正常に動作できること、すなわちシステム全体においてそれらの電子機器が互いに両立可能であ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の概要、EMIに関する研究、EMI対策、EMIマネジメントといった一連のEMI関連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間の干渉を低減するには、まずEMCの2つの基本原則を理解しておく必要があります。
原則1：回路のループ面積は最小化すること.
原則2：システムには単一の基準面のみ適用できる。

いったん原則1が守られず、信号が大きなループ領域を通過しなければならなくなると、大きなループアンテナが形成されます。ところが、原則2が守られず、2つのリファレンスプレーンが存在する場合には、ダイポールアンテナが生成されます。どちらの結果も、期待されるものではありません。

ミックスシグナルPCBの分割ルールと応用

同一のミックスドシグナル基板上では、デジタルグラウンドとアナロググラウンドを分離して、それぞれを絶縁することが推奨されている。この方法は実現可能ではあるものの、多くの潜在的な問題が発生し、とりわけ大規模システムにおいて顕在化する。重要な問題は、デジタルグラウンドとアナロググラウンドの分割部をまたいで配線を行えないことにある。もしこの分割部をまたいで配線を行うと、電磁放射と信号クロストークの両方が大幅に増加してしまう。最もPCB設計でよく見られる問題は、分割されたグラウンドまたは電源を信号線が横切ることによって発生するEMIにあります。

下記の図1は、上述の状況を示しています。

この分割方法に基づくと、信号ラインはデジタルグラウンドとアナロググラウンドの分割部分を横切らなければなりません。では、その場合の信号回路のリターンパスはどのようになるのでしょうか。2つの分割されたグラウンドが1点で接続されていると仮定すると、この状況ではグラウンド回路によって大きなループが生成されます。その後、高周波回路大きなループを横切って電流が流れると、高いグランド容量と放射を伴う大きなループが発生する。低レベルのアナログ回路がこの大きなループを横切る場合、外部信号による干渉を受けやすくなる。最悪の状況は、分割グランドが電源と接続されたときに発生し、極めて大きな回路ループが形成されることである。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線で接続されると、ダイポールアンテナが形成される。その結果、エンジニアはミックスドシグナルにおけるリターン回路の経路と方法を理解しておく必要がある。PCB設計の最適化しかし、多くのエンジニアは、信号回路の流れる経路について、回路の具体的な経路を考えずに見てしまう。グラウンドプレーンを分割し、その分割部をまたいで配線を行わなければならない場合には、まず 2 つの分割グラウンド間に単一点接続を設けてブリッジを形成し、各信号線の直下に直流のリターンパスを確保して小さなループ面積を形成することができる。この様子を図 2 に示す。

光アイソレーションデバイスやトランスの適用によっても、分割をまたいで信号を伝送することができます。光アイソレーションデバイスの場合、分割をまたいで伝送されるのは光信号です。トランスの場合、分割をまたいで伝送されるのは磁界です。もう一つの適用可能な方法は、差動信号の利用にあります。信号は一方の線路に流れ込み、別の信号線から戻ってきます。この条件下では、リターンパスとしてグラウンドを必要としません。

スプリットパーティショニングは、次の3つの状況で適用できます。
状況1：一部の医療機器では、患者に接続される回路とシステム間の漏れ電流を低く抑える必要があります。
状況2：一部の産業用プロセス制御装置からの入力は、高いノイズと電力を伴う電気機械式デバイスに接続される場合があります。
状況3：PCBレイアウトいくつかの制限に悩まされている。

ミックスシグナルPCBでは、デジタル電源とアナログ電源を独立させることが一般的であり、分割された電源プレーンは利用でき、また利用すべきである。しかし、電源プレーンに近接する信号線は、電源間の分割部を横切ることができず、この分割部を横切るすべての信号線は、大きな面積を持つ導体プレーンに近接していなければならない。状況によっては、アナログ電源を単なるプレーンではなく、PCB上の配線として設計することで、電源プレーンに関する分割の問題を回避できる場合がある。

ミックスシグナルPCBのグラウンドプレーンレイアウト手法とその応用

デジタル信号がアナログ信号に残す干渉について議論するためには、まず高周波電流の特性を理解しておく必要がある。高周波電流は常に、最小インピーダンス（最小インダクタンス）の経路に依存し、信号の直下を流れる。その結果、リターンパスは、そのプレーンが電源プレーンであれグラウンドプレーンであれ、周囲の回路プレーン全体を流れることになる。実際の運用では、回路基板はアナログ部とデジタル部に分割され、グラウンドプレーンが用いられる傾向がある。アナログ信号はすべてのプレーンのアナログ領域内に配置され、一方デジタル信号はデジタル回路領域内に配置される。このような状況では、デジタル信号のリターン電流がアナログ信号のグラウンドに流れ込むことはない。PCB 上でアナログ領域の上にデジタル信号を配線したり、デジタル領域の上にアナログ信号を配線したりすると、デジタル信号がアナログ信号に与える干渉が発生する。

この種の問題の発生は、グラウンドを分割していないことに起因するのではなく、デジタル信号の不適切なレイアウトに起因する。PCB設計においては、グラウンドプレーンの適用、デジタル回路とアナログ回路による分割、および合理的な信号レイアウトが、レイアウトや分割に関する難しい問題の解決に通常役立つ。さらに、グラウンド分割によって引き起こされる潜在的な問題の一部を回避することもできる。その結果、部品のレイアウトと分割は、PCB設計の品質を左右する重要な要素となる。レイアウトと分割が十分に適切であれば、デジタルグラウンド内の電流は基板上のデジタル領域に限定され、アナログ信号は干渉を受けずに済む。このような状況に対するレイアウトは、レイアウトルールが完全に順守されていることを保証するために、慎重に検証および確認しなければならない。そうでなければ、不適切な信号線レイアウトだけでも、基板全体の故障を引き起こす可能性がある。

A/Dコンバータのアナロググラウンドピンとデジタルグラウンドピンを接続する場合、ほとんどのA/Dコンバータメーカーは、ADNDピンとDGNDピンを、最小限のリード長で低インピーダンスの同一グラウンドに接続することを推奨している。これは、ほとんどのA/DコンバータIC内部では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によって、寄生容量を介してIC内部のアナログ回路により多くのデジタルノイズが結合してしまうためである。そのため、A/DコンバータのAGNDピンとDGNDピンは、いずれもアナロググラウンドに接続すべきである。しかしながら、デジタル信号のデカップリングコンデンサの接地端子を、アナロググラウンドとデジタルグラウンドのどちらに接続すべきかという問題が生じる。

単一のA/Dコンバータを用いるシステムの場合、上で述べた問題は容易に解決できる。グラウンドを分離した状態で、アナロググラウンド部とデジタルグラウンド部はA/Dコンバータの直下で接続される。この方法を用いる場合、2つのグラウンド間のブリッジはICと同じ幅程度にし、いかなる信号線も分割部を横切ってはならない。

A/Dコンバータがいくつかあるシステム、例えば10個ある場合、どのように接続すべきでしょうか。もし前述の方法、すなわちA/Dコンバータの直下でアナロググラウンドとデジタルグラウンドを接続する方式に従うと、多点接続が生じてしまい、アナロググラウンドとデジタルグラウンド間のアイソレーションが無意味になってしまいます。このような接続を行わない場合、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一体のグラウンドを用いることにあります。この種のレイアウトは、アナロググラウンドとデジタルグラウンド間に低インピーダンスを求めるICメーカーの要求を満たすだけでなく、ループアンテナやダイポールアンテナといったEMC上の問題も回避します。

エンジニアが PCB 設計における単一グラウンド方式の適用に疑問を持つ場合、グラウンドプレーン分割方式に基づいてレイアウトを実装することができる。設計の過程では、分割されたグラウンドを接続するために、0.5インチ未満のジャンパワイヤまたは 0Ω抵抗を実装できるようにしておく必要がある。デジタル信号線がアナログ領域の上を通過しないこと、またその逆も起こらないことを確実にするため、分割とレイアウトには十分な注意を払わなければならない。さらに、いかなる信号線も、グラウンドの分割部や分割された電源の絶縁部をまたいではならない。PCB の機能およびその EMC を評価するためには、2 つのグラウンドを 0Ω抵抗またはジャンパワイヤで接続し、その後ボードの機能と EMC を再評価する。結果を比較すると、すべての場合において、機能および EMC の観点から、単一グラウンド方式は分割グラウンド方式より優れていることが示される。

ミックスシグナルPCB設計は複雑なプロセスです。PCB は独立したアナログセクションとデジタルセクションに分割し、A/D コンバータはそれらのセクションにまたがる位置に配置する必要があります。アナログ電源とデジタル電源を分離するために、分割されたアイソレート電源プレーン間の分割線をまたいではならず、どうしても交差させなければならない信号線は、広い面積に隣接する配線層に配置する必要があります。リターンパス電流がどこを流れ、どのように流れるかを解析し、それに基づいて適切な部品配置と正しいレイアウトルールに従わなければなりません。基板のすべての層において、デジタル信号はデジタルセクション内にのみ、アナログ信号はアナログセクション内にのみ配線することができます。

ミックスシグナルPCBのグラウンドプレーンレイアウト手法とその応用

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電磁両立性（EMC）は、電子機器が互いに干渉することなく同期して共存することを可能にするものであり、ミックスドシグナルPCB設計において極めて重要です。回路ループの面積を縮小することや、単一のリファレンスプレーンを用いるといった手法を適用することで、エンジニアは不要な電磁効果を効果的に最小化できます。アナログ部とデジタル部の効果的な分割および適切なグラウンドプレーン設計により、クロストークやノイズ干渉が分離され、信号の完全性とシステム性能が向上します。

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