PCBニュース - プリント基板のEMC設計

電磁的適合性は、デバイスまたはシステムがその電磁環境において正常に動作し、環境における何かに耐え難い電磁干渉を引き起こさない能力を指す。電磁両立性設計の目的は，電子機器があらゆる種類の外部干渉を抑制することを可能にすることであり，電子機器は特定の電磁環境で正常に動作し，電子機器自身の電磁干渉を他の電子機器に低減することができる。

電子機器の感度が高くなるにつれて, 弱い信号を受け取る能力は強くなる, また、電子製品の周波数帯域は広く、より小さくなる, そして、電子機器は、より強い干渉防止能力を必要とされる. いくつかの電子デバイスによって生成された電磁波は、それらの周囲の他の電子デバイスに容易に電磁干渉を引き起こすことがある, 信号伝達に機能不全または影響を及ぼす. 加えて, 過度の電磁干渉が電磁界汚染を引き起こす, 人々の健康を危険にさらす, 生態環境を破壊する. 本稿では、2000年における電磁両立性の主要技術を分析する PCB設計(printed circuit board, also called printed circuit board).

電源設計

電子機器の電源は他の機能単位に広く接続されている。一方、電源に発生する不要信号は、各機能単位に容易に結合することができる。他方、単位の不必要なシグナルは、電源の一般インピーダンスに連結されることができる。他のユニットに行け。従って、電源設計においては以下のような対策を講じるべきである。

(1) According to the current size of the printed circuit board, できるだけ電力線の幅を大きくしようとする, ループ抵抗を減らす, そして、送電線と接地線の方向をデータ伝送の方向と一致させること同時に, パワーレイヤーとグランドレイヤーを使用します 多層PCB, 電力線から電力層または接地層までの線長を減らす. これは、反雑音能力を強化するのを助けます；

（2）可能であれば、各機能ユニットに電源を個別に供給し、共通電源を用いた全ての回路は互いに可能な限り近接し、互いに互換性がある。

（3）ACおよびDC本線に電力フィルタを使用して、外部からの干渉が電源を通じて機器に入るのを防止し、装置内で発生したスイッチング過渡現象および他の信号が主電源に入るのを防止し、電源および入力および出力ラインの入力および出力線を効果的に分離する。

（4）電源に対して効果的な電磁界遮蔽を行い、高感度の回路から高電圧電源をできるだけ隔離し、特に高周波放射線や伝導妨害を引き起こすスイッチング電源を分離する。電力線干渉に関するコモンモードを抑制するために、静電遮蔽された電力変圧器を使用することで、複数のシールド絶縁変圧器は、より良い性能を有する

（5）電源は全ての回路機能状態に対して低出力インピーダンスを維持しなければならない。無線周波数範囲においても、出力コンデンサは、低インピーダンスを示すはずであり、一方、レギュレータは、高周波リプル及び過渡現象を抑制するのに十分な応答時間を有する。エフェクト読み込み

（6）整流ダイオードは、ツェナーダイオードのための十分なRFバイパスを提供するために最も低い電流密度で動作しなければならない。

（7）パワートランスは、パワーバランストランスではなく、対称的にバランスをとらなければならず、使用されるコア材料は飽和磁気誘導（BM）の下限でなければならない。いずれの場合も、鉄芯が飽和状態に駆動されないことが保証されなければならない。変圧器のコア構造はd型，c型，e型は2である。

2 .接地線設計

接地ノイズ、すなわち、接地インピーダンスが存在することに起因するシステムの各部の接地線またはグラウンドノイズ間の電位差。接地系は接地電位差の問題を有しているため、製品の接地設計の過程でPCBの特性に応じて接地方法を選択する必要がある。電子製品の設計において，接地は干渉を制御する重要な方法である。接地と遮蔽を適切に組み合わせることができれば，ほとんどの干渉問題を解決できる。電子製品の接地線構造は、システムグランド、シャシーグラウンド、デジタルグラウンドおよびアナロググラウンドを大まかに含んでいる。接地線設計には以下の点が注目される。

（1）接地線はできるだけ厚くなければならない。接地線が非常に薄い場合、電流の変化によって接地電位が変動し、電子製品のタイミング信号レベルが不安定になり、耐雑音性能が低下する。したがって、グランド配線は、設計上可能な限り厚くすることができ、プリント回路基板の許容電流の3倍を通過することができる。できれば、接地線の幅を3 mmより大きくする。

(2) Correctly choose the grounding method. 単一点接地設定の目的は、2つの異なる基準レベルのサブシステムからの電流と無線周波電流が同じリターン経路を通過し、共通インピーダンス結合を生じるのを防止することである. この接地方法は低周波PCBに適している, 分散伝送インピーダンスの影響を低減できる. しかし, イン 高周波PCB, 帰還経路のインダクタンスは高周波数でのインピーダンスの主な部分となる. したがって, Aの接地インピーダンスを最小にするために 高周波PCB, 多点接地方式. 多点接地のために最も重要なことは接地リードの最小長さを必要とすることである, より長いリードがより大きいインダクタンスを意味するので, それによって、接地インピーダンスを増加させて、接地電位差. 混合接地構造は、単一点接地と多点接地の組合せである. この種の構造は、PCBの中の高い周波数と低い混合周波数があるときに一般的に使用される, それで, 単一周波数接地は低周波数で存在する, そして、多点接地は高周波数に存在する.

（3）デジタルグランドをアナロググランドから分離する。回路基板上には高速論理回路と線形回路がある。彼らはできるだけ大きく分けなければならない。2つの接地線は混合してはならず、電源端子の接地線に接続する必要がある。低周波回路の接地線は、できるだけ単一点で並列に接地する必要がある。実際の配線が困難な場合は、部分的に直列に接続し、並列に接地することができる。高周波回路は、複数の点で接地され、接地線は短く、厚くなければならず、グリッド状の大面積の接地箔は、できるだけ高周波成分の周囲で使用されるべきである。リニア回路の接地面積をできるだけ大きくする。

（4）接地線は閉ループを形成する。デジタル回路だけで構成されたプリント配線板の接地系を設計する場合、接地線を閉じた回路にすることで、アンチノイズ能力を大幅に改善することができる。プリント配線板には集積回路素子が多く存在するため、特に電力を消費する部品が存在する場合には、接地線の厚さの制限によりグランド配線上に大きな電位差が発生し、ノイズ耐性が低下する。接地線はループを形成し，電位差を低減し，電子機器の耐雑音性を向上させる。

（5）光アイソレータを用いてグランドループ干渉を遮断する。光接続は光カプラと光ファイバ接続を用いる。オプトカプラの寄生容量は一般に2 pFであり、これは高周波に対して良好な分離を提供することができる。光ファイバ接続はほとんど寄生容量でないが、それは高価で、インストールと維持に不便です。

バイパスとデカップリング設計

バイパスは、コンポーネントまたはケーブルから不要なコモンモードのRFエネルギーを転送することである。バイパスコンデンサの主な機能は、影響を受けやすい領域に入る不要エネルギーを除去するAC成分を生成することである。デカップリングコンデンサの主な機能を除去することは、ボード上のスイッチングノイズの伝搬を低減し、グランドにノイズを導くために、ローカルDC電源を構成要素に供給することである。

コンデンサの3.1の選択

バイパスおよびデカップリングコンデンサを選択することによって、必要なコンデンサの自己共振周波数は、論理シリーズおよび使用されるクロック速度を通して計算されることができて、コンデンサ値は回路の周波数および容量リアクタンスに従って選択されることができる。パッケージサイズのために、スルーホールコンデンサの代わりにより低いリードインダクタンスを有するSMTコンデンサを選ぶようにしてください。加えて、製品設計は、より大きな動作周波数帯域を提供し、接地不均衡を低減するために、並列デカップリングコンデンサを使用することが多い。並列コンデンサシステムは、動作周波数が自己共振周波数より高い場合、大きなキャパシタは誘導インピーダンスを示し、周波数の増加に伴って増加する小さいコンデンサは、容量インピーダンスを示し、周波数の増加に伴って減少するが、このとき、キャパシタ回路全体のキャパシタンスは、単一のキャパシタのインピーダンスよりも小さい。

3.2バイパスコンデンサ構成

バイパスコンデンサは、一般に、パワーモジュールの過渡的電力要求を低減する高周波バイパス装置として使用される。一般に、バイパスコンデンサにはアルミニウム電解コンデンサやタンタルコンデンサが適している。静電容量値は、PCB上の過渡電流要求に依存する。10〜470 lFの範囲において、PCB上に多数の集積回路、高速スイッチング回路及び長いリード線を有する電源があれば、大容量コンデンサを選択すべきである。

3.3のデカップリングコンデンサ構成

（1）電力入力端子に10〜100 LFの電解コンデンサを接続する。可能であれば、100 LF以上に接続する方がよい

（2）原則として、集積回路チップは0.01 pFのセラミックコンデンサを備える。プリント基板ギャップが十分でない場合、1～10 pFのタンタルコンデンサを4～8チップ毎に配置することができる

（3）RAMやROMの記憶装置などのシャットダウン時に、反雑音能力が弱く、大きな電力が変化するデバイスでは、デカップリングコンデンサをチップの電源ラインと接地線との間に直接接続する必要がある。

（4）コンデンサリードは、特に高周波バイパスコンデンサのために特に長くはならない。

（5）プリント基板にコンタクタ、リレー、ボタン等の部品があるため、動作中に大きなスパーク放電が発生し、放電電流を吸収するためにRC回路を使用しなければならない。一般的に、Rは1〜2 Kであり、Cは2.2〜47 lFである

（6）CMOSの入力インピーダンスは非常に高く、誘導を受けやすいので、使用時には接地端子を接地したり、正の電源に接続する必要がある。

混合信号回路基板の設計

電流への電流リターンの経路と方法を知ることは、混合信号回路基板設計を最適化するための鍵である。信号電流がどこに流れているかを考えることができず、電流の特定の経路を無視することができます。グランド層が分割されなければならず、配線が分割間のギャップを通してルーティングされなければならない場合、分割されたグラウンドの間に単一点接続を行い、2つのグラウンドの間に接続ブリッジを形成し、接続ブリッジを通して配線することができる。これにより、各信号線の下に直流帰還経路を設けることができ、形成されるループ面積が小さくなる。混合信号PCB設計プロセスで以下の点に注意してください。

（1）PCBを独立したアナログ及びディジタル部品に分割し、アナログ及びデジタル電力の分割を実現し、A／D変換器を分割する。

（2）地面を分割しない。回路基板のアナログ部分とデジタル部分の下に均一なグラウンドを置く；

（3）回路基板の全ての層において、デジタル信号は、回路基板のデジタル部分に配線され、アナログ信号は、回路基板のアナログ部分にのみ配線され得る。

（4）配線は、分割された電源プレーン間のギャップを越えることができず、分割電源間のギャップを横断しなければならない信号線は、大面積グラウンドに近い配線層上に位置しなければならない。

（5）実リターン接地電流の経路及び方法を解析すること。

（6）正しいレイアウトと配線ルールを採用する。

要するに, 電子製品がより複雑になるにつれて, 高速, 濃厚な, 設計要件 PCBボード 高くなっている, 特に電磁両立性の設計問題はますます顕著になってきている., バイパス, デカップリングと混合信号回路と他の合理的設計.