PCB技術 - PCB設計におけるEMCの考慮事項

PCB設計におけるEMCの考慮事項

電気時代の発展に伴い、無線放送、テレビ、マイクロ波通信などの人間の生活環境にはますます多くの電磁波源が存在している。家電製品送電線の周波数電磁場、高周波電磁場など。これらの電磁場の磁場強度が一定の限度を超え、かつ作用時間が十分に長い場合、人体の健康を害する可能性がある、同時に、他の電子機器や通信にも干渉します。この点では、保護が必要です。電子製品の開発、生産、使用の過程で、電磁妨害や遮蔽などの概念がよく提案されている。電子製品の正常な運行過程における核心は回路基板と回路基板に取り付けられた部品との協調作業過程である。電子製品の性能指標を高め、電磁干渉の影響を減らすことは非常に重要である。

1 PCBボード設計

プリント基板は、電子製品における回路素子及びデバイスの支持である。回路アセンブリとデバイス間の電気的接続を提供します。さまざまな電子機器の中で最も基本的な部品です。PCBの性能は電子デバイスの性能に直接関係する。設備の品質と性能は良いか悪いか。集積回路、SMT技術とマイクロ組立技術の発展に伴い、高密度、多機能の電子製品がますます多くなり、PCB上の配線が複雑になり、部品が多く、設置が密集し、それらの間により多くの干渉が生じることは避けられない。電磁干渉の問題はますます深刻になり、電磁干渉の抑制は電子システムが正常に動作するかどうかの鍵となっている。同様に、電気技術の発展に伴い、PCBの密度はますます高くなり、PCB設計の品質は回路の干渉と耐干渉能力にも大きな影響を与える。最適な電子回路性能を得るためには、素子の選択と回路設計のほか、良好なPCB設計も電磁互換性の非常に重要な要素である。

1.1合理的なPCB層設計

回路の複雑性に基づいて、PCBの層数を合理的に選択することは電磁干渉を効果的に減少させ、PCBのサイズ及び電流回路と分岐配線の長さを大幅に減少させ、信号間の交差干渉を大幅に減少させることができる。実験により、同じ材料を使用する場合、4層板のノイズは2層板より20 dB低いことが明らかになった。しかし、層数が高いほど製造プロセスが複雑になり、製造コストも高くなります。多層板配線では、隣接層間に「井戸」形のメッシュ配線構造、すなわち隣接層のそれぞれの配線の方向が互いに垂直であることが好ましい。例えば、プリント基板の上側水平配線、下側垂直配線、そしてビアを介して接続する。

1.2合理的なPCBサイズ設計

PCB板のサイズが大きすぎると、プリント配線が増加し、インピーダンスが増加し、ノイズ耐性が低下し、設備の体積が増加し、コストも増加する。サイズが小さすぎて放熱が悪いと、隣接する線路が邪魔になりやすい。一般的に、機械層（mechanical layer）は物理フレーム、すなわちPCBの外形寸法を決定し、Keeping layer（Keeping layer）を使用してレイアウトと配線の有効面積を決定することを禁止した。通常、回路の機能ユニット数、集積回路のすべてのコンポーネントに基づいて、最終的にPCBボードの最適な形状と寸法を決定する。通常は3:2のアスペクト比を持つ長方形を選択します。回路基板のサイズが150 mmx 200 mmより大きい場合は、回路基板の機械的強度を考慮する必要があります。

2 PCBレイアウト

PCB設計では、製品デザイナーは密度の増加、占有空間の減少、単純化、あるいは美観と配置の均一性を追求することだけを重視し、回路配置が電磁互換性に与える影響を無視し、大量の信号が空間に放射されて相互干渉を形成することを招く。不良なPCBレイアウトは、これらの問題を解消するのではなく、より多くの電磁互換性の問題を引き起こす可能性があります。

電子機器におけるデジタル回路、アナログ回路及び電源回路の素子レイアウト及び配線特性は異なり、それらが発生する干渉及び干渉を抑制する方法も異なる。高周波と低周波回路の周波数が異なるため、それらの干渉と干渉を抑制する方法も異なる。そのため、素子レイアウトでは、デジタル回路、アナログ回路と電源回路は別々に配置され、高周波回路と低周波回路は別々に配置されなければならない。可能であれば、それらは隔離されているか、単独で回路基板を作らなければならない。レイアウトでは、強弱信号のデバイス分布と信号伝送方向に特に注意しなければならない。

2.1 PCBコンポーネントのレイアウト

PCB素子のレイアウトは他の論理回路のレイアウトと同じで、互いに関連する素子はできるだけ近くにあるべきで、それによってより良いノイズ防止効果を得ることができる。プリント基板上の素子の位置は、電磁干渉防止の問題を十分に考慮しなければならない。1つの原則は、部品間のリード線をできるだけ短くすることです。レイアウトでは、アナログ信号部、高速デジタル回路部、およびノイズ源部（リレー、大電流スイッチなど）は、互いに信号結合を最小限に抑えるために合理的に分離されなければならない。

クロックジェネレータ、水晶発振器、CPUクロック入力端子はいずれもノイズを発生しやすいので、より近くにあるべきです。ノイズの影響を受けやすい機器、低電流回路、高電流回路はできるだけ論理回路から離れなければならない。可能であれば、別の回路基板を作るべきですが、これは非常に重要です。

PCBコンポーネントの全体的なレイアウト要件：回路コンポーネントと信号経路のレイアウトは、不要な信号の結合を最小限に抑える必要があります。

1）ローレベル信号チャネルは、過渡的プロセスを生成する可能性のある回路を含む、ハイレベル信号チャネルとフィルタされていない電源ラインに近接することができない。

2）アナログ回路、デジタル回路、電源共通回路間の共通インピーダンス結合を回避するために、低レベルアナログ回路とデジタル回路を分離する。

3）高、中、低速の論理回路はPCB上で異なる領域を使用する。

4）回路を配置する時、信号線の長さは最小にすべきである。

5）隣接板間、同一板の隣接層間及び同一層上の隣接配線間に長すぎる平行信号線がないことを確保する。

6）電磁干渉（EMI）フィルタはできるだけ電磁干渉源に近づき、同じ回路基板上に置くべきである。

7）DC/DCコンバータ、スイッチング素子、整流器はできるだけ変圧器に近づき、その電線の長さをできるだけ短くするべきである。

8）電圧調整部とフィルタコンデンサをできるだけ整流ダイオードに近づける。

9）プリント基板は周波数と電流切替特性に基づいて区分され、ノイズ成分と非ノイズ成分の間の距離はより遠くなるべきである。

10）ノイズに敏感な配線は、高電流、高速スイッチング回路と平行であるべきではない。

11）部品レイアウトは特に放熱問題に注意しなければならない。大電力回路には、放熱を容易にするために、できるだけ電力管や変圧器などの加熱部品を置く必要があります。電解質を早期に老化させないように、1つの場所に集中したり、高容量に近づきすぎたりしないでください。

2.2 PCB配線

PCBの組成は垂直積層上の一連の積層、配線、プリプレグの多層構造である。多層PCBでは、デバッグを容易にするために、信号線が最外層に配置される。

高周波の場合、プリント基板上の配線、ビア、抵抗器、コンデンサ及びコネクタの分布インダクタンス及び分布容量を無視することはできない。抵抗は高周波信号の反射と吸収を引き起こす。トレースの分布容量も機能します。トレースの長さがノイズ周波数の対応する波長の1／20より大きい場合、アンテナ効果が発生し、トレースを介してノイズが送信される。

プリント基板の配線の大部分は穴を通して完成している。1つのビアは約0.5 pFの分散容量をもたらし、ビアの数を減らすことで速度を大幅に向上させることができる。

集積回路のパッケージ材料自体には2 ~ 6 pFの容量が導入されている。基板上のコネクタは520 nHの分散インダクタンスを持っている。デュアルオンライン24ピン集積回路ソケットは、4〜18 nHの分散インダクタンスを導入する。

PCB配線分布パラメータの影響を回避するために従うべき一般的な要件は次のとおりです。

1）トレースの間隔を増やして容量結合のクロストークを減らす。

2）二重パネル配線において、両側の導線は垂直、傾斜または湾曲し、相互に平行にならないようにして、寄生結合を減少する。回路の入出力としてプリント配線を使用することはできるだけ避けなければならない。フィードバックを避けるためには、これらのワイヤの間に接地線を1本加えることが望ましい。

3）相互結合を低減するために、高ノイズ電源線から敏感な高周波回路を遠ざける、高周波デジタル回路のトレースは、より薄く、より短くなければならない。

4）電源線と接地線を広くして、電源線と接地線のインピーダンスを下げる。

5）高周波信号の外部送信と結合を低減するために、90°の折れ線ではなくできるだけ45°の折れ線を使用する。

6）アドレス線またはデータ線の長さはあまり差がないようにしてください。そうしないと、短線部分は補償のために人為的に曲げなければなりません。

7）大電流信号、高電圧信号と小信号の間の隔離に注意する（隔離距離は受ける耐圧と関係がある。通常、2 kVの時、板の間の距離は2 mmで、この比率は上記の計算に基づいて得られる。例えば、3 kVの耐圧電圧試験を受けるために、高電圧線と低電圧線の間の距離は3.5 mm以上でなければならない。多くの場合、這電を避けるために、プリント基板の高電圧線は開くべきである。溝）。

3 PCBにおける回路設計

電子回路を設計する際には、製品の電磁互換性特性や電磁干渉抑制や電磁干渉防止特性を考慮しすぎるのではなく、製品の実際の性能を考慮する必要があります。回路原理図を用いてPCBレイアウトを行う場合、電磁互換性を達成するためには、回路原理図に必要な追加回路を追加して、その製品の電磁互換性性能を向上させる必要がある。次の回路対策は、実際のPCB設計に使用できます。

1）抵抗器をPCBトレース線に直列接続して、制御信号線の下端の遷移率を低減することができる。

2）リレーなどに何らかの形の減衰（高周波キャパシタ、逆方向ダイオードなど）を提供してみる。

3）プリント基板に入った信号をフィルタリングし、高ノイズ領域から低ノイズ領域に信号をフィルタリングする。同時に、一連の終端抵抗器を用いて信号反射を低減する。

4）MCUの不要端は、対応する整合抵抗を介して電源または接地に接続されるか、出力端として定義されるべきである。電源と接地に接続すべき集積回路端子は接続しなければならず、フローティング状態を維持してはならない。

5）未使用のゲート回路の入力端子から離れず、対応する整合抵抗器を介して電源または接地に接続する。未使用のオペアンプの正入力端子は接地され、負入力端子は出力端子に接続されている。

6）集積回路ごとに高周波デカップリングキャパシタを設置する。各電解コンデンサには、小さな高周波バイパスコンデンサを追加する必要があります。

7）電解コンデンサの代わりに大容量タンタルコンデンサまたはポリエステルコンデンサを回路基板上の充放電貯蔵コンデンサとして使用する。チューブコンデンサを使用する場合は、ハウジングは接地されます。

4結論

科学技術の発展に伴い、各種電子機器の小型化とインテリジェント化が主流となっている。同時に、電子製品やデバイスの動作環境はますます複雑になります。耐干渉技術と電磁互換技術も絶えず発展し、成熟する必要がある。PCB設計者と回路基板メーカーは、実用化に十分な関心を持たなければならない。