電子技術の急速な発展により電子部品の高密度化が進み、それに伴いPCB設計者には高い耐干渉能力が求められるようになっている。PCB設計の過程では、設計者は一般的なPCB設計の原則および耐干渉性の要求。PCB設計における耐干渉能力は、電子製品の有効性と安定性に直接関係しており、設計の要点とさえ見なされている。設計の過程で耐干渉性の要求を十分に考慮しておけば、その後に耐干渉対策を講じる必要がなくなるため、時間も節約できる。
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PCB設計における耐干渉能力を強化する方法
PCBにおける干渉発生の原因
PCBにおける干渉発生の原因は、次の要素から生じます。
a. 干渉源リレー、シリコン制御整流器、電動機、高周波クロックなどのように、干渉を発生させる部品、装置または信号を指す。
b. デリケートな部品A/D（D/A）コンバータ、ワンチップマイコン（SCM）、デジタルIC などのように、影響を受けやすい素子を指します。
c. 伝送経路干渉がその発生源から感度の高い部品へ伝わる経路または媒体を指す。干渉の伝搬経路に応じて、干渉は伝導干渉と放射干渉の2種類に分類できる。前者は、リード線を介して感度の高い部品へ伝達される干渉を指す。有用信号の周波数帯とは異なり、高周波干渉ノイズの伝搬は、リード線にフィルタを追加することで抑制でき、場合によってはアイソレーション用のフォトカプラを追加することも有効である。放射干渉は、空間を介して感度の高い部品へ伝達される干渉を指す。一般的な対策としては、干渉源と感度の高い部品との距離を大きく取るか、接地線によって両者を隔離する方法がある。
PCB設計における耐ノイズ設計の原則
一般的な耐干渉の原則には、干渉源を抑制すること、干渉の伝達経路を遮断すること、および感度の高い部品の耐干渉能力を高めることが含まれる。各原則に対する具体的な対策は、以下の内容で示される。
・干渉源を抑制するため
a.リレーに対しては、干渉源を抑制するために2つの対策を講じることができる。干渉源とは、リレー、サイリスタ、電動機、高周波クロックなどのように干渉を発生させる部品、装置または信号を指す。
1). リレーコイルがオフになったときに発生する逆起電力による干渉を除去するために、フライバックダイオードをリレーコイルに追加することができる。
2). スパーク抑制回路は、スパークによる干渉を低減するために、リレーの端子と並列に接続することができます。
b.電気機器にはフィルタ回路を追加することができます。コンデンサおよびインダクタのリード線はできるだけ短くする必要があることに注意してください。
c.シリコン制御整流器の場合、シリコン制御整流器によって発生するノイズを低減するために、RC干渉回路をシリコン制御整流器の端子に接続することができる。
d.各ICが発生する電源への干渉を低減するため、基板上の各ICには 0.01μF から 0.1μF の範囲の高周波コンデンサを接続する必要があります。高周波コンデンサの配線に関しては、電源ラインに近づけ、かつ短く太くする必要があることに注意してください。そうしないと、等価直列抵抗が増加し、フィルタ効果に影響を及ぼします。
・干渉の伝搬経路を短縮するため
具体的には、干渉伝搬経路を削減するための一般的な対策には、次のようなものがあります。
a.電源がマイコンに与える影響は十分に考慮する必要があります。多くのマイコンは電源ノイズに非常に敏感であり、電源ノイズによるマイコンへの干渉を低減するために、フィルタ回路や電圧レギュレータをマイコンの電源に追加する必要があります。
b.SCM の I/O ポートをノイズ部品の制御に使用する場合、I/O ポートとノイズ源の間にアイソレーション（Π型フィルタ波形）を追加する必要があります。
c.水晶発振子の配線には注意が必要です。水晶発振子は、クロック領域をグランド線で隔離したうえで、SCM のピンの近くに配置する必要があります。水晶発振子のシールドケースはグランドに接続して安定化させます。
d.ボードは、強い信号と弱い信号、デジタル信号とアナログ信号に基づいて、適切に分割されている必要があります。電動機やリレーなどの干渉源は、SCM のような高感度なコンポーネントから隔離しなければなりません。
e.デジタルゾーンとアナログゾーンを分離するためにはグランド線を使用し、デジタルグランドとアナロググランドを分離したうえで、一端で電源グランドに接続する必要があります。この原則は、A/D および D/A チップの配線にも適用されます。
f.相互干渉を低減するために、SCM と大電力コンポーネントのグランド線は、それぞれ独立してグランドに接続する必要があります。さらに、大電力コンポーネントはボードの端に配置する必要があります。
g.フェライトビーズ、フェライトチューブ、電源フィルタ、シールドケースなどの耐干渉部品を、SCM の I/O ポート、電源線、PCB 接続ラインといった基板上のいくつかの重要な箇所に使用することで、回路の耐干渉能力を大幅に向上させている。
・高感度部品の耐干渉能力を高めるため
これは、干渉ノイズの拾い上げを感度の高い部品から低減し、異常状態からの迅速な復旧を図るための対策を指す。感度の高い部品の耐干渉能力を高めるための一般的な対策には、次のようなものがある。
a.配線の際には、誘導ノイズを低減するために回路ループの面積を大きくする必要があります。
b.配線の際、電源ラインとグランド線はどちらも可能な限り太くする必要があります。これにより、電圧降下を低減し、ノイズのデカップリングが可能になります。
c.SCM の未使用 I/O ポートはグランドまたは電源に接続する必要があり、システムロジックを変更しない範囲で、他の IC の未使用ポートについても同様に接続する必要があります。
d.SCM には電源モニタおよびウォッチドッグ回路を使用し，全体回路の耐ノイズ性能を大幅に向上させる必要がある。
e.ICコンポーネントは、ICソケットではなく基板に直接はんだ付けする必要があります。
f.現在の速度で要件を満たしているため、マイコンの水晶発振子の周波数を下げ、低速のデジタル回路を採用すべきである。
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