高速 PCB 設計における EMI: 信号の立ち上がり時間を理解する

最近の子供たちは、近くの回路間で電磁信号の結合が「クロストーク」と呼ばれる理由がわからないでしょう。電話が壁に差し込まれ、タッチスクリーンやインターネットアクセスが含まれていなかった時代には、他の会話のかすかな囁きが電話回線を通じて聞こえることがありました。高速PCBは、基板内のトレース上でデジタル信号が伝播する際の振る舞いに関連して、同じタイプのクロストークの問題を経験します。

クロストークや一般的なEMIを理解するには、PCB内部または外部の何らかの源から、一つのトレース内の信号が別のトレースとどのように相互作用するかを理解する必要があります。実際の高速設計でクロストークを評価できれば、EMIとクロストークを減らすために設計をどのように変更すべきかを簡単に判断できます。中速度の設計ではうまく機能するいくつかの経験則がありますが、ボードスピンを行う前に、高速設計がクロストークをどのように経験するかをよりよく理解するためにシミュレーションを使用すると役立ちます。

「高速設計」という用語の解説

このブログの他の場所でも指摘しましたが、ここでも再度述べる価値があります。高速設計とは、高いクロック周波数や高いデータレートを意味するわけではありません。高速信号は、2つの電圧レベル間の迅速な遷移、つまり速い立ち上がり時間を持っています。これは、様々な信号レベル間で非常に速い遷移がある多レベル信号にも当てはまります。信号の立ち上がり/立ち下がり時間が速いほど、特にクロストークといった、PCBの様々な部分でより強いEMI問題を引き起こす可能性があります。これは、システムクロック周波数が非常に低い場合でも真です。クロック周波数が速いということは、EMIによる障害がより頻繁に発生することを意味します。

高速設計における主なEMI問題には以下が含まれます：

• クロストークは、主に低周波数での誘導結合により、また非常に高い周波数では容量結合により発生します
• 放射EMIは、デジタル信号からのEMIがDCからシステムクロックの複数の倍音にわたる広範囲の周波数で放射される場合です
• 電源バスのグリッチには、電源バウンスと電力バウンスが含まれ、電源レールとグラウンドの間で測定されるDCリップルにリップルを作り出します
• 伝導EMIは、ある相互接続上のノイズが他のコンポーネント、回路、または相互接続に接続される場合ですが、これはデジタルコンポーネントではあまり問題になりません

差動ペアルーティングでも同じ効果が生じ、差動モードのクロストークとEMIにつながります。これらの高速デジタルPCBのEMIの側面はすべて、信号遷移の立ち上がり/立ち下がり時間に関連しています。

EMIとスイッチング速度

これらはすべて、PCB内の信号切替速度に関連しています。これらのEMIの側面は、典型的なデジタル信号の帯域幅のために、高速設計では挑戦的になります。デジタル信号の電力は、DCから非常に高い（技術的には無限の）周波数まで集中しています。特に、大まかな近似として、電力の70%がDCから膝周波数まで集中しており、これは信号の立ち上がり/立ち下がり時間（10%から90%まで）の逆数の約三分の一に相当します。

あるデジタル信号の電力スペクトル密度の例。

これはすべて、立ち上がり時間が速いほど、EMIがより強烈になることを意味します。一般的に、どんな状況でも単に遅いコンポーネントを選択することはできないため、設計者は高速設計でEMIを抑制するためにいくつかの簡単な手順を踏む必要があります。

高周波アナログ対高速デジタル信号

過去に教えた多くのエンジニアは、デジタル信号を波としてではなく、オンかオフとして捉えており、デジタル信号を運ぶインターコネクト全体に電場が存在すると考えています。非常に短いインターコネクト長では、これは技術的に正しいですが、短いインターコネクトがEMI（電磁干渉）をより多くまたは少なく発生させるというわけではありません。信号の立ち上がり遷移は、単一の周波数ではなく、一連の周波数でEMIを発生させます。

デジタル信号と比較して、アナログ信号は単純です。主に考慮すべき要因は、信号の周波数と、電磁波の有限の速度による伝播遅延です。振動周期（つまり、信号周波数の逆数）と特定のインターコネクトにおける伝播遅延との比較が、伝送線路の挙動を心配する必要があるかどうか、およびトレースの終端が重要になるかどうかを決定します。

潜在的な解決策: 魔法の弾丸はない

高速デジタル信号におけるEMIを完全に取り除くことはできませんが、いくつかの方法を使用して抑制することができます：

• トレースサイジング： グラウンドプレーンの直上に重要なトレースをルーティングし、やや幅広のトレースを使用することで、ループインダクタンスが減少し、生成されるクロストークと受信されるクロストークの量が減少します。
• 接地された銅： PCB上で攻撃者トレースと被害者トレースの間に接地トレースをルーティングすることができ、これによりクロストークが約20 dB減少します。このグラウンドトレースは、攻撃者トレースと被害者トレースの両方のグラウンド基準に対応している必要があります。接地されたポリゴンプアも使用して、トレースや異なる回路ブロック間のスペースを埋めることができます。
• 隔離構造： PCBの表面層にあるいくつかのユニークな構造は、非常に高い周波数で隔離を提供することができます。これらの構造は、重要な回路ブロックの周りに接地された銅壁として単純なものから、現代のスマートフォンで使用される複雑な電磁バンドギャップ構造まで様々です。
• 内部層： 内部層でのルーティングを恐れないでくださいが、内部ストリップラインが正しいインピーダンスを持つように、インピーダンス制御設計ルールを適用することが重要です。

密集したトレースを持つ青いPCB

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