2層PCB設計でデジタル信号をルーティングできますか？

2層PCBは趣味人の最良の友です。設計ソフトウェアで定義しやすく、ネット数が十分に少なければルーティングも簡単です。通常、2層だけで済むようなものには取り組まないですが、これらのボードを適切に使用する方法を知っておくことは重要です。賢く使えば、これらのボードを使って高速インターフェースのルーティングも可能です。

この記事では、高速シリアルインターフェースを使用する2層PCBを設計する際の重要なルールについて見ていきたいと思います。USBやSPIのようなものは、基本的なルーティングルールに従えば、2層の回路基板上で簡単に実現できます。以下に示す内容は、2層PCBレイアウトでデジタル信号をルーティングするための出発点となるべきです。

注意点が一つあります：このような2層プロジェクトに取り組む際には、この基板がEMCテストを通過するという期待を持ってはいけません。EMCを確保することは、電力、接地、筐体、基板上のコンポーネントや回路、その他多くの要因に関連する多くの要因に依存します。この情報が、信号整合性の問題を作り出さずに2層PCBのレイアウトルーティング部分をどのように達成できるかについての良い導入となることを願っています。

2層デジタルボードの始め方

2層PCBのレイアウトは、通常、ほとんどの設計者にとって入門レベルであるため、興味深いものです。中速度のMCU（おそらく5-10 nsの立ち上がり時間）、SPIのような一般的なシリアルバス、そしてよりシンプルな高速デジタルインターフェースを含むほとんどの設計は、それらがあまり密集していない限り、基本的なルーティングルールを破らなければ2層ボード上で十分に機能します。しかし、これらの設計はしばしば多くの信号整合性のルールを破り、過剰なEMIを発生させたり受けたりします。その結果、基板は技術的には意図した通りに機能するかもしれませんが、EMCテストを通過することはなく、そのため販売することはできないでしょう。

まず最初に、デジタル信号を使用する2層ボード設計において考えるべきいくつかのポイントがあります：

• インピーダンス制御： あなたのインターフェースにインピーダンス制御が必要ですか？もしそうなら、単終端信号に対して標準的なPCB厚でインピーダンス要件を満たすのは難しいことを覚えておいてください。
• トレース長： 2層ボードではインピーダンス制御要件を満たすことができないため、トレース長をある臨界長以下に保つ必要があります。インピーダンスに寛容で臨界長が長いインターフェースもありますが、長さの限界を計算する必要があります。
• グラウンドへのアクセス： デジタル配線におけるクロストークとEMIを低減するためには、明確なリターンパスを提供することでグラウンドへのアクセスを確保する必要があります。
• 部品/ネット数： 2層基板では、ルーティングのためのスペースが限られているため、多くの部品を配置することはできません。多くの部品を含めようとしてルーティングに多くの交差が生じると、4層基板に移行するか、2層基板を大きくする必要があります。

デジタル信号とインピーダンス

2層基板でデジタルロジックを扱う場合、すべてのデジタル信号にインピーダンス要件があるわけではないことに注意することが重要です。時には、インピーダンス要件があってもそれを破ってもインターフェースが正常に動作することがあります。これは、マイクロストリップをルーティングしたいだけの場合、トレースの幅が特定の値でなければならないため、2層基板では重要です。

通常、デジタル信号に対して見られるインピーダンス目標は以下の通りです：

• 信号が単独で取り扱われる場合の単端インピーダンス要件
• 信号が一緒にルーティングされなければならない差動ペアのための差動インピーダンス要件

例として、標準厚さ62ミルのコア（Dk = 4.8）を持つ2層ボードを考えてみましょう。標準の50オームのインピーダンス目標を達成したい場合、トレース幅をほぼ110ミルにする必要があります！これは非常に大きなトレース幅であり、実際のボードに配置する任意のデジタルコンポーネントのパッドサイズよりもはるかに大きいです。これを決定するために、IPC 2141の公式に基づいたオンラインのマイクロストリップインピーダンス計算機を使用しました。

オンライン計算機は最も正確な結果を提供しませんが、上記の結果は重要な点を示しています：2層PCBで孤立した単線トレースのインピーダンス制御を行い、レイアウトにすべてを収めることは不可能です。明らかに、これはメモリー用のDDRの使用を排除することになります。これには、高速信号と非常に小さい電気長を持つ単線トレースが含まれます。

これは、制御インピーダンスインターフェースを使用している場合にトレースの長さ制限を設定する必要がある場所です。信号の立ち上がり時間中に信号が移動する距離がトレースの長さよりもはるかに長い場合、トレースのインピーダンスは関係ありません。この場合、信号は伝播中に負荷のインピーダンスのみを見ます。正確な長さ制限は複数の要因に依存しますが、非常に保守的なルールは、信号が移動する距離の1/10のトレース長さ制限を設定することです。

例として、上の画像での伝播遅延を使用し、5 nsの立ち上がり時間の信号を使用しましょう。上記のケースでは、伝播速度は約6.8インチ/nsです。つまり、5 nsの立ち上がり時間の信号がある場合、信号は立ち上がり時間中に34インチ移動するので、最大トレース長はこれの1/10、つまり3.4インチになります。実際には、1/10の長さ制限よりも少し保守的でなくても大丈夫です。1/4の長さ制限を設定した場合、トレースのインピーダンスを心配する前に最大トレース長は8.5インチになります。

受信側のチャネルで許容できるインピーダンス違反の量によって、典型的なデジタルプロトコルを使用して2層ボードを実装する自由度が確実にあります。ただし、長さが短い限りです。

差動インピーダンスについてはどうでしょうか？

読者の皆さんがご存知の通り、ほとんどの高速インターフェースは単一終端のインピーダンスではなく、差動インピーダンスを気にします。上で見たように、単一のトレースが50オームのインピーダンス値を達成するためには受け入れがたいほど大きくなければなりません。特性インピーダンスのトレース幅要件が非常に大きい場合、2層ボードでどのように差動インピーダンス値を達成できるでしょうか？

実際には、いくつかのインターフェースは長さが一致した単一終端のトレースとして、または密接に結合された差動ペアとしてルーティングできます！USBは完璧な例です：終端方式はペアの各端を単一終端のトレースとして個別に扱うので、依然として単一終端のインピーダンス仕様を満たす必要があります。これをどうやって達成できるでしょうか？

この場合、差動インピーダンスを得るために計算機を活用し、その返された幅とクリアランス値を使用して、単線スペックを満たしていることを確認する必要があります。2層ボードでは、上で見つけた幅をそのまま差動インピーダンス計算機に入力することはできません。そうした場合、必要なトレース間隔が約10インチになることがわかります！明らかに、これは現実的ではありません。実際には、目標インピーダンスに必要なトレース幅と間隔を計算すると、共面マイクロストリップ配置で10ミル幅と6ミル間隔に近いものになります。これははるかに現実的です。

これが意味することは：

• 差動ペアで必要なトレース幅は、単一トレースの特性インピーダンスを達成するために必要なトレース幅と等しくなくてもよいということです。差動ペアでは、単線トレース幅が奇数モードインピーダンスを定義し、これは差動インピーダンス目標の半分です。奇数モードインピーダンス値は、特性インピーダンス値とは異なります。

これは重要な区別です。これは、差動インターフェースにおいて、上記で示された特性インピーダンスのトレース幅をただ差動インピーダンス計算機に入力して間隔を得るべきではないことを意味します。差動ペアのトレースが互いに近づけられると、それらの間の結合が単一エンド信号インピーダンスを減少させ、2層PCBであっても必要なトレース幅を小さくします。このトピックに関して、2層ボード上でのUSBの使用を例に挙げて詳しく説明する2つの今後の記事で、これについてさらに議論します。

デジタル信号用のいくつかの2層ルーティングガイドライン

これらの基本的なガイドラインの目標は、2層ボードの構造を考えると難しいですが、デジタル設計が可能な限り低ノイズであることを確実にすることです。

1. 下層にグラウンドプレーンを配置し、その上にデジタルコンポーネントとルーティングを配置します。これはルーティング時のインピーダンス制御には役立ちませんが、ノイズ制御に役立ち、ビアを通じてグラウンドに簡単にアクセスできるようにするために、これを行うべきです。
2. 電源と信号のルーティングには固定トレース幅を使用してください。デジタル信号のルーティングには8-10ミルのトレースで十分ですし、信号がグラウンドプレーンに戻る際の12-14ミルのビアも問題ありません。高電流を扱う場合はポリゴンで電源をルーティングすることができますが、ほとんどの場合、より広いトレースで問題ないでしょう。
3. 安定した電源と低いグラウンドバウンスを確保するために、デカップリング/バイパスコンデンサを使用してください。2層ボードはグラウンドバウンスを示すことがあり、電源レールに多少のノイズが生じる可能性がありますが、デカップリング/バイパスコンデンサはこのノイズを減衰させます。

次回の2層ボードシリーズでは、USBにこれらの設計ガイドラインを実装する方法を紹介します。USBは間違いなく高速デジタルインターフェースとして数えられます。USBに詳しい方なら、高速インターフェースであり、しばしばインピーダンス制御ルーティングが必要であることをご存じでしょう。しかし、上記のガイドラインを使用することで、このインターフェースを使用した機能的な2層ボードを実現できます。ただし、完全にノイズのないボードになるわけではないので、このレイアウトが自動的にEMCテストに合格すると期待しないでください。しかし、お気に入りのマイクロコントローラー用の開発ボードとしては問題なく機能し、バックレイヤーに一貫したグラウンドプレーンを持ち、ビアを通じてレイヤー変更を制限する場合、信号を正しくルーティングすると幸運にもうまくいくかもしれません。

デジタル信号をサポートできる2層ボードを設計する必要がある場合は、CircuitMakerのPCB設計ツールを使用してください。CircuitMakerの全ユーザーは、アイデアから製造までの設計を進めるために必要な回路図、PCBレイアウト、製造文書を作成できます。また、ユーザーはAltium 365プラットフォーム上に個人ワークスペースへのアクセス権を持ち、設計データをクラウドにアップロードして保存し、安全なプラットフォームでウェブブラウザを通じてプロジェクトを簡単に閲覧できます。

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