PCBニュース - 電磁互換技術に基づく配線設計

電磁適合技術に基づく多層回路基板配線PCB設計方法電磁適合（Electro-Magnetic compatibility、EMCと略称する）は新興の総合性学科であり、主に電磁干渉と耐干渉問題を研究している。電磁互換性とは、電子機器またはシステムが規定された電磁環境レベルで、電磁干渉によって性能指標を低下させず、その発生する電磁放射は限定された限界レベルを超えず、他のシステムの正常な運行に影響を与えないことを指す。そして、設備と設備、システムとシステムが互いに干渉せず、信頼性のある共同作業の目的を達成する。電磁干渉（EMI）は、結合経路を介して電磁干渉源がエネルギーを感受性システムに伝達することによって引き起こされる。これには、3つの基本的な形式が含まれています。ワイヤと共通のアース線の伝導、空間放射線または近接場結合を介した伝導です。回路原理図の設計が正しく、プリント基板の設計が不適切であっても、電子機器の信頼性に悪影響を与えることが実証されている。したがって、プリント基板の電磁互換性を確保することがシステム設計全体の鍵となる。本文は主に電磁互換技術及び多層プリント基板（PCBと略称する）設計における応用を論述した。文章は深セン宏励傑電子から引用した！

PCBボードは、電子製品における回路部品の支持である。回路部品と機器との電気的接続を提供し、さまざまな電子機器の最も基本的な部品です。現在、大規模で非常に大規模な集積回路は電子機器に広く応用されており、プリント基板への素子の実装密度が高くなり、信号伝送速度が速くなっている。EMCの問題はますます浮き彫りになっている。PCBには、単板（単層板）、二層板（二層板）、多層板がある。単板と二板は一般的に中低密度配線回路と低集積回路に用いられ、多層板は高密度配線と高集積回路を使用する。電磁互換性の観点から、片面と2面パネルは高速回路には適していない。片面および両面配線では、高性能回路の要件を満たすことができなくなっています。多層配線回路の発展は、上記の問題を解決する可能性を提供する。応用はますます広がっている。

1多層配線の特徴

PCBは多層構造の有機及び無誘電体材料からなる。層間の接続は貫通孔によって実現される。貫通孔は、層間の電気信号伝導を実現するために金属材料でメッキされているか、または充填されている。多層配線が広く使用されている理由は、次のような特徴があります。

（1）多層板内部には専用の電源層と接地層が設けられている。電力層はノイズループとして使用して干渉を低減することができ、同時に、電力層は、共通インピーダンス結合干渉を除去するために、システム内のすべての信号にループを提供する。電源ケーブルのインピーダンスを低減し、共通インピーダンス干渉を低減します。

（2）多層板は特殊な接地層を採用し、すべての信号線に特殊な接地線がある。信号線の特徴：インピーダンスが安定し、整合しやすく、反射による波形歪みを減少し、同時に、特殊接地層の使用は信号線と接地線の間の分布容量を増加させ、クロストークを減少させた。

2プリント基板の積層設計

2.1 PCB配線規則

多層回路基板の電磁互換性解析は、電磁誘導のキールホーフ法則とファラデー法則に基づくことができる。キールホフの法則によれば、ソースから負荷までの時間領域信号は最小インピーダンスの経路を持たなければならない。

多層PCBは、一般に、直流（DC）電源または接地基準平面に多層が使用される高速で高性能なシステムに使用される。これらの平面は通常、電力供給や接地に十分な層があるため、同じ層に異なる直流電圧を印加する必要はありません。レイヤは、隣接する伝送路上の信号の電流リターン経路として使用されます。低インピーダンス電流リターンパスを構築することは、これらの平面層の最も重要なEMC目標である。

信号層は物理基準平面層の間に分布し、対称帯状線と非対称帯状線であってもよい。多層板の構造とレイアウトを12層板を例に説明する。階層構造はT-P-S-P-S-P-S-S-P-Bで、「T」は最上階、「P」は基準平面層、「S」は信号層である。「B」は最下位です。最上階から最上階までは第1階、第2階、第12階です。上部と下部がコンポーネントとして使用されるパッド。信号は、トレースからの直接放射線を低減するために、最上層と下層との間で長時間送信してはならない。互換性のない信号線は互いに分離しなければならない。このようにする目的は、相互間の結合干渉を回避することです。高周波と低周波、大電流と小電流、デジタルとアナログ信号線は互換性がありません。アセンブリレイアウトでは、互換性のないアセンブリはプリントボード上の異なる位置に配置されている必要があります。信号線のレイアウトは依然として必要です。注意して隔離してください。次の3つの問題に注意して設計してください。

（1）異なるDC電圧のための複数の電源領域を含む基準平面層を決定する。レイヤ11に複数の直流電圧があると仮定すると、設計者は、リターン電流がレイヤ10の上の基準平面を流れることができず、コンデンサを結合する必要があるため、高速信号をレイヤ10と下層からできるだけ遠ざけなければならないことを意味します。レイヤ5、7、9は、高速信号のための信号レイヤである。重要な信号のトレースは、可能なトレースチャネルの数を最適化するために、できるだけ1つの方向に配置されなければならない。異なる層に分布する信号トレースは互いに垂直であるべきであり、これは線間の電場と磁場の結合干渉を減らすことができる。レイヤー3とレイヤー7は「東西」方向、レイヤー5とレイヤー9は「南北」方向に設定できます。布層は布が目的地に到着する方向に依存する。

（2）高速信号ルーティング中のレイヤの変化、およびどの異なるレイヤが独立したルーティングのために使用されるかによって、リターン電流が必要に応じて基準平面から新しい基準平面に流れることを保証する。これは、信号ループ面積を低減し、ループの差動モード電流放射とコモンモード電流放射を低減するためである。回路放射は電流強度と回路面積に比例する。実際、最良の設計では、基準平面を変更するために電流を戻す必要はなく、単純に基準平面の片側から他方側に変更することができる。例えば、信号層の組み合わせは、層3と層5、層5と層7、層7と層9の信号層ペアとして使用することができ、これにより東西方向と南北方向の配線組み合わせを形成することができる。しかし、層4から層8に戻る電流を流す必要があるため、層3と層9の組み合わせは使用すべきではない。デカップリングキャパシタはビアの近くに置くことができるが、高周波ではリード線とビアインダクタンスの存在によりキャパシタは不要である。また、この配線は信号回路の面積を増加させ、電流放射を減少させるのに不利である。

（3）参照平面レイヤーの直流電圧を選択する。この例では、プロセッサ内部の信号処理速度が高いため、電源/接地参照ピンに多くのノイズが発生しています。したがって、デカップリングキャパシタを用いて同じ直流電圧をプロセッサに供給し、できるだけ効率的にデカップリングキャパシタを使用することが重要である。これらの素子インダクタンスを低減する最良の方法は、トレースをできるだけ短く広く接続し、ビアをできるだけ短く厚くすることである。

レイヤ2が「接地」に割り当てられ、レイヤ4がプロセッサの電源として割り当てられている場合は、できるだけプロセッサとデカップリングキャパシタを配置する最上階よりも短い穴が必要です。プレートの底部まで延びる残りの空間には重要な電流は含まれておらず、短距離でもアンテナ効果はありません。表1に、スタック設計レイアウトの参照構成を示します。

2.2 20-H規則と3-W規則

多層PCB基板の電磁互換性設計では、多層基板のパワー層とエッジとの距離を決定することと、印刷テープ間の距離を解決することには、20-H規則と3-W規則の2つの基本原則がある。

20−H原理：磁束間のつながりにより、無線周波数電流は通常、電力平面のエッジに存在する。この層間結合をエッジ効果と呼ぶ。高速デジタル論理とクロック信号を使用すると、電力平面は相互作用する。図1に示すように、結合無線周波数電流。この影響を低減するために、電源平面の物理的寸法は、最も地表面に近い物理的寸法よりも少なくとも20 H小さくなければならない（Hは電源平面と地表面の間の距離である）。電源のエッジ効果は通常10 H、20 H前後で発生します。約10%の磁束が遮断されている場合、98%の磁束を達成するには、図1に示すように100%の境界値が必要です。20−H規則は、電源平面と最も近い地表面との間の物理的距離を決定する。この距離には、銅の厚さ、予備充填、絶縁分離層が含まれる。20−Hを用いるとPCB自体の共振周波数を高めることができる。3-W規則：2本の印刷線路間の距離が非常に小さい場合、2本の線路間に電磁クロストークが発生し、これにより関連回路が故障する。この干渉を回避するために、印刷線幅の3倍以上、すなわち3 W以上（Wは印刷線幅）の行間を維持します。印刷線路の幅は線路インピーダンスの要求に依存する。幅を広げすぎると配線密度に影響し、狭すぎると端子に伝達される信号の完全性と強度に影響します。クロック回路、差動ペア、I/Oポートの配線は、3-W原理の基本的な応用対象である。3−W原理は、クロストークエネルギーが70%減衰する電磁束線の境界のみを表す。クロストークエネルギー減衰減衰減衰98%の電磁流束境界線など、より高い必要がある場合は、10 Wの間隔を使用する必要があります。

2.3接地線の配置

まず、分散パラメータの概念を構築しなければなりません。周波数がある周波数より高い場合、どのワイヤも抵抗とインダクタンスからなるデバイスと見なされなければなりません。したがって、接地リードは一定のインピーダンスを有し、電気回路を構成する。単一点接地でも多点接地でも、真の接地やラックに入るには低インピーダンス回路を形成しなければならない。長さ25 mmの典型的な印刷ラインは、約15 ~ 20 nHのインダクタンスを示します。分布容量の存在に加え、接地板と設備フレームとの間に共振回路が形成される。次に、ローカル電流がアース線を流れると、伝送線効果とアンテナ効果が発生します。回線長が1/4波長の場合、高インピーダンスを示し、接地線は実際には開路であり、接地線は外部に放射するアンテナになっています。最後に、接地板は高周波電流と摂動によって形成された渦に満ちている。そのため、接地点の間には多くの回路が形成される。これらのループの直径（または接地点間の距離）は、最高周波数波長の1／20未満でなければならない。適切な設備を選択することは設計成功の重要な要素である。特に、論理デバイスを選択する際には、立ち上がり時間が5 nsより大きい論理デバイスを選択するようにしてください。回路要求よりも早いタイミングの論理デバイスを選択しないでください。

2.4電源ケーブルの配置

多層板の場合、電源層接地層構造は電力供給に使用されます。このような構造の特性インピーダンスは軌道対の特性インピーダンスよりずっと小さく、軌道対のインピーダンスは1より小さくてもよい。この構造は一定の容量を有し、各集積チップの隣に高周波デカップリングキャパシタを追加する必要はない。層キャパシタの容量が足りなくても、外部デカップリングキャパシタが必要な場合は、集積チップのそばに追加するのではなく、プリント基板上のどこにでも追加することができます。集積チップの電源ピンと接地ピンは、金属化された貫通孔を介して電源層と接地層に直接接続できるため、電源ループは常に最小である。「電流は常に最小インピーダンスの経路を行く」という原理のため、障害物が地面を遮らない限り、地上の高周波還流は常に軌道に近く、信号回路は常に最小である。トラックの電源に比べて、パワーレイヤー地層構造はレイアウトが簡単で柔軟で、電磁互換性が良いという利点があることがわかります。