PCBニュース - デジタル回路PCB設計技術

ICデバイスインテグレーションの改善, 装置の小型化とデバイスの高速化, 電子機器のEMI問題は深刻化している. EMCの視点から/システム機器のEMI設計, 適正取扱EMC/年代のEMI問題 PCB設計 装置のステージは、システム機器が電磁両立性標準に達するようにする最も効果的で最も低いコストです. デジタル回路におけるEMI制御技術について PCB設計.

1. EMI発生原理と抑制

EMIの発生は、電磁干渉源が結合経路を通って敏感なシステムにエネルギーを伝送することに起因する。それは、3つの基本的な形を含みます：ワイヤーまたは一般の地面、スペースを通しての放射線または近接場カップリングを経た伝導。EMIの危険性は、送信信号の品質を低下させ、回路又は装置に干渉又は損傷を生じさせ、装置が電磁両立性規格によって特定された技術的指標要求を満たすことができないようにする。

EMIを抑制するためには、デジタル回路のEMI設計を以下の原理に従って行う必要がある。

関連のEMC / EMI技術仕様に従って、指標は単一のボード回路に分解されて、異なるレベルで制御されます。

EMIの3つの要素、すなわち干渉源、エネルギー結合経路、および敏感なシステムからの制御であり、回路は平坦な周波数応答を有し、回路の正常で安定した動作を保証する。

装置のフロントエンド設計から始め、EMC / EMI設計に注目し、設計コストを削減する。

ディジタル回路PCBのEMI制御技術

様々な形式のEMIを扱うとき, 具体的な問題を詳細に分析しなければならない. に PCB設計 デジタル回路, EMIは以下の局面から制御できます.

1 .デバイスの選択

EMIを設計するとき、最初に選択されたデバイスの速度を考慮しなければなりません。いずれの回路においても立ち上がり時間が5 nsのデバイスを2.5 nsの立ち上がり時間の素子に置き換えると、EMIは約4倍増加する。emiの放射強度は周波数の二乗に比例する。最高のEMI周波数（Fknee）もEMI発光帯域幅と呼ばれます。これは、信号周波数よりも信号立ち上がり時間の関数である。

この放射EMIの周波数範囲は30 MHz〜数GHzである. この周波数帯, 波長は非常に短い, そして、非常に短い配線 PCBボード送信アンテナとなる. EMIが高いとき, 回路は容易に正常な機能を失う. したがって, デバイスの選択, 回路性能要件を保証する前提で, 可能な限り低速チップを使用すべきである, 適切な運転/受信回路. 加えて, デバイスのリードピンは全て寄生インダクタンスおよび寄生キャパシタンスを有するので, 高速設計, デバイスパッケージフォームがシグナルに与える影響は無視できません, それはまた、EMI放射線発生の重要な要因である. 一般に, パッチ装置の寄生パラメータは、プラグインデバイス100の寄生パラメータよりも小さい, また，bgaパッケージの寄生パラメータはqfpパッケージのそれよりも小さい.

2 .コネクタ選択と信号端子定義

コネクタは高速信号伝送のキーリンクであり，容易にemiを生成する弱いリンクである。より多くの接地ピンは、信号と接地との間の距離を減少させるために、コネクタの端子設計に配置することができ、コネクタ内の放射線を発生させる効果的な信号ループ領域を減少させ、低インピーダンスリターンパスを提供する。必要に応じて、いくつかのキー信号を接地ピンで分離することを考える。

積層設計

費用許容の前提で, 接地面層の数を増加させ、信号層を接地面層に近接させることによってEMI放射を低減することができる. For 高速PCB, パワープレーンとグランドプレーンは密接に結合している, これは、電源インピーダンスを減らすことができます, EMIを減らす.

レイアウト

信号電流フローによれば、合理的なレイアウトは、信号間の干渉を低減することができる。合理的なレイアウトは、EMIを制御するための鍵です。レイアウトの基本原則は以下の通りです。

アナログ信号はデジタル信号によって容易に干渉され、アナログ回路はデジタル回路から分離されなければならない

クロックラインは、干渉と放射の主な源です。敏感な回路から離れて、クロックラインを短く保つ；

高電流、高電力回路は、基板の中央領域で可能な限り回避しなければならず、放熱及び放射の影響を考慮すべきである

コネクタは、高周波回路から可能な限り遠くに、ボードの一方の側に配置されるべきである

入出力回路は対応するコネクタに近く、デカップリングコンデンサは対応する電源ピンに近接している

完全に電源分割のためのレイアウトの可能性を考慮してください、そして、マルチパワー装置はEMIに関する平面分割の影響を効果的に減らすために電源分割域の境界を横切って置かれなければなりません;

戻り値( path )は分割されません。

配線

.インピーダンス制御：高速信号線は送電線の特性を示す, そして、信号反射を避けるためにインピーダンス制御が必要である, オーバーシュートとリンギング, EMI放射線を減らす.

EMI放射強度と異なる信号（アナログ信号、クロック信号、I／O信号、バス、電源等）の感度に応じて信号を分類し、干渉源と感度系をできるだけ分離し、結合を低減する。

クロック信号のトレース長（特に高速クロック信号）、ビア数、パーティションエリア、終端、配線層、リターンパス等を厳密に制御する。

.シグナルループ, それで, 信号が流れ込む信号によって形成されるループ, EMIコントロールのキーです PCB設計 配線中に制御しなければならない. 各キー信号のフロー方向を理解するには, キー信号は、そのループ領域が最も小さいことを保証するために、リターンパスの近くに発送されるべきです.

低周波信号については、最小抵抗を有する経路を通って電流を流す高周波信号については、最小抵抗を有する経路ではなく、少なくともインダクタンスの経路を通って高周波電流を流す（図1参照）。微分モード放射については、EMI放射強度（E）は、電流、電流ループの面積、および周波数の二乗に比例する。（ここでiは電流、aはループ面積、fは周波数、rはループの中心までの距離、kは定数である。）

したがって、最小インダクタンスリターンパスが信号線のすぐ下にあるときには、電流ループ面積を小さくすることができ、それによってEMI放射エネルギーを低減することができる。

キー信号はセグメント化領域を越えてはならない。

高速差動信号配線は、できるだけきつく結合しなければならない。

ストリップライン、マイクロストリップラインおよびその基準面が要件を満たすことを保証する。

デカップリングコンデンサのリード線は短くて広いべきです。

すべての信号トレースは、可能な限りボードの端から遠く離れている必要があります。

マルチポイント接続ネットワークでは、適切なトポロジを選択して信号反射を減らし、EMI放射を低減する。

パワープレーンの分割処理

パワーレイヤの分割

つのサブ電源が主パワープレーン上にある場合、各電源供給エリアと十分な銅箔幅の連続性を確保する。分割線はあまり広くない必要がなく、一般的に20～50ミルライン幅がギャップ放射を低減するのに十分である。

下地層の剥離

グランドプレーンは分割を避けるためにそのまま保たなければならない。分割しなければならない場合は、デジタルグランドとアナロググランドとノイズグランドとを区別し、出口の共通接地点を介して外部接地に接続する必要がある。

電源のエッジ放射を低減するために、パワー／グランドプレーンは、20 H設計原理に従うべきである。すなわち、接地面の大きさは、パワープレーン（図2参照）のサイズよりも20 H大きいので、フリンジ場放射強度を70 %低減することができる。

EMIの他の制御方法

1. 電力系統設計

fkneeより低い周波数範囲の配電システムのインピーダンスが目標インピーダンスより低いことを保証する低インピーダンス電力システムを設計する。

フィルタを使用して干渉を制御します。

パワーデカップリングEMI設計では、適切なデカップリングコンデンサを設けることにより、チップの動作を確実にし、電源の高周波ノイズを低減し、EMIを低減することができる。ワイヤインダクタンスや他の寄生パラメータの影響により、電源と電源線の応答速度が遅くなり、高速回路のドライバが必要とする瞬時電流が不十分となる。コンデンサのエネルギー蓄積効果が、電源が応答する前に装置に迅速に電流を供給するために使用できるように、バイパスまたはデカップリングコンデンサおよび電源層の分散コンデンサを合理的に設計する。適切な容量性デカップリングは、低インピーダンス電力経路を提供することができ、これはコモンモードEMIを低減するための鍵である。

接地

接地設計は、ボード全体のEMIを減らすための鍵です。

つのポイント接地、多点接地または混合接地を使用してください。

デジタルグランド、アナロググランド、ノイズグラウンドを分離し、適切な共通接地点を決定する。

ダブルパネル設計が接地線層を持たない場合、接地線グリッドを合理的に設計し、接地線幅＞パワーワイヤ幅＞信号線幅を確保することが重要である。大面積舗装工法を用いることも可能であるが、大面積土地の連続性に注目する必要がある。

多層基板設計のために、共通接地インピーダンスを減らすためにグランドプレーン層があることを確実にする。

3 .ダンピング抵抗を直列に接続する

回路シーケンス要件が許容されるという前提の下で、干渉源を抑制する基本技術は、小さな信号抵抗端に直列に小さな抵抗抵抗器を接続することである。これらの出力の小さな抵抗器は、立ち上がり／立ち下がり時間を遅くし、オーバーシュート及びアンダーシュート信号を滑らかにすることができ、出力波形の高周波数高調波の振幅を低減し、効果的にEMIを抑制する目的を達成することができる。

シールド

キーコンポーネントは、EMIシールド材料やシールドネットを使用することができます。

キー信号の遮蔽は、ストリップラインとして設計されたり、キー信号の両側に接地線で分離されたりすることができる。

スペクトラム拡散

スペクトル拡散（スペクトル拡散）法はemiを減らす新しい効果的な方法である。スペクトル拡散は、信号を変調し、信号エネルギーを比較的広い周波数範囲に拡大することである。実際、この方法はクロック信号の制御変調であり、この方法はクロック信号のジッタを著しく増加させない。実用化はスペクトル拡散技術が有効であり，放射線を7〜20 db低減できることを示した。

EMIの分析と試験

シミュレーション解析

PCB配線が完了した後、EM Iシミュレーションソフトウェアとエキスパートシステムを使用して、EMC / EMI環境をシミュレートして、製品が関連する電磁両立性基準の要件を満たしているかどうかを評価するシミュレーション解析に使用することができる。

スキャンテスト

電磁放射スキャナーを使用して、アセンブリおよび電源の後にマシンディスクを走査し、PCB内の電磁界分布マップを取得する（図3に示すように、図中の赤、緑、および青の白色領域は、ローからハイへの電磁放射エネルギーを示す）、結果としてPCB設計が改善される。

第四に、結論

新しい高速チップの連続開発と応用, 信号周波数が高くなってきている, と PCBボード that carry them may become smaller and smaller. PCB設計 より厳しいEMI挑戦に直面する. 連続探査と連続革新だけがEMCを作ることができる/EMIデザイン PCBボード succeed.