EMI制御の習得：EMCのためのPCB設計における部品配置

このPCB設計におけるEMI制御をマスターするシリーズの第2記事では、電磁干渉（EMI）の低レベルを維持するための重要な概念の1つについてさらに詳しく掘り下げます。

ボードの分離、またはボードのパーティショニングとしても知られているこの方法は、プリント回路基板（PCB）の異なる回路部分を整理して分けるために使用されます。これにより、特にEMIの観点から、ボードの全体的な性能が向上します。この技術は、電磁干渉を減少させるだけでなく、PCB設計の信号整合性を向上させるのにも役立ちます。

これらの技術の背後にある原則には、次のものが含まれます：

1. 高周波デジタル信号の高エネルギー内容を含有する。
2. ボード内の異なるタイプの回路間での共通インピーダンス結合を避ける。
3. 外部干渉への免疫を向上させ、放射を減少させるために電流ループ領域を減少させる。

高速信号と低速信号及びその高調波

最初の概念は、急速に切り替わる信号によって生じる高エネルギー高調波の内容を制御し、その電流が時間とともにどれだけ迅速に変化するかについてです。電流の変化率が高いほど、信号の高調波エネルギーが増加し、放射の可能性が高くなります。

第二の概念は、信号のリターン電流が信号の周波数によって変化するということです。これは、信号が伝播中に遭遇するインピーダンスが、導体の抵抗だけでなく、その容量と、最も重要な、そのループインダクタンスも含むためです。信号の周波数が増加するにつれて、周波数に依存するインダクタンス成分（インピーダンスの一部）が大きくなります。

リターンパスの違い

電流は常に最小のインピーダンスの経路を求めるため、信号の周波数が増加すると、リターン電流はインダクティブループを最小限に抑えるために信号電流に密接に従うことが重要です。逆に、信号の周波数が低い場合、インダクタンスが小さくなり、インピーダンスの抵抗成分が支配的になります。

この段階では、リターン電流は最小の抵抗の経路を見つけるために導体の表面全体に広がります。PCB設計者にとって重要な点は、リターン電流の源への戻り経路が信号の周波数に依存するということです。

図1 - Altium Designerにおける周波数に基づく異なるリターン電流経路の例

PCB設計者としての私たちの仕事は、これらのリターン電流間の干渉を最小限に抑え、共通インピーダンス結合を避けることです。これにより、電磁放射を引き起こす可能性があります。これを実現するために、PCB内に特定のゾーンやセクションを作成し、それぞれを特定のタイプの回路に専用することができます。これにより、電流ループも減少し、差動モード電流からの放射が少なくなります。

異なる回路のリターン電流経路をさらに隔離するためにリターンリファレンスプレーン（RRP）に分割を作成することは魅力的に思えるかもしれません。しかし、このアプローチは、2つの金属領域間に電圧差を生じさせ、電磁放射を引き起こす可能性のあるアンテナ構造を形成するため、EMCのベストプラクティスには従いません。

図2 - Altium Designerでの誤ったプレーン分割の例

解決策は、リターン電流がソースに戻る優先経路を見つけることができる、固体で低インピーダンスのリターンリファレンスプレーンを実装することです。このプレーンには、共通モードノイズの源となる切断、分割、または大きな隙間がないようにする必要があります。その後、コンポーネントの配置は、回路のタイプと機能に基づいてコンポーネントを分配することにより、明確なセクションに分けられるべきです。

混合信号ボードでは、一般的な分離は、ボードをデジタルセクション、電源セクション、アナログセクション、入出力セクション、必要に応じてフィルタリングセクションに分けることです。例えば、デジタルセクションは他のコンポーネントから遠ざけて配置するべきです。リターン電流は信号トレースに密接に従いますが、信号の高エネルギー調和成分はより効果的に放射し、ボードの他のセクションと結合する可能性があります。

これの一例は、クロック信号がボードの他の部分の他のネット、例えば電源セクションやアナログセクションに結合し、それらに接続されたケーブルがアンテナとして機能し、放射を促進する場合です。

ケーブルを持つアンテナ構造

入出力セクションは、ケーブルへのノイズ注入を限定するだけでなく、フィルタリング技術やシールドを通じてさらなる隔離を可能にし、外部からの干渉を減らすか、ボードからのノイズ放射を限定するためにも重要です。レイアウトは、ケーブルや周囲のデバイスや構造を考慮する必要があります。デジタルセクションは、この入出力エリアから遠く、理想的にはボードの内部に配置し、エッジから遠ざけて、ケーブルへの高エネルギー調和成分の結合やエッジからの放射を避けるべきです。

図3 - Altium Designerでの不正確なプレーン分割の例

さらに、入出力ケーブルをボードの一辺にのみ配置し、複数のエッジに配置するのを避けることが推奨されます。これにより、ケーブル間の電圧差を防ぎ、デジタル信号やノイズの放射を促進するアンテナのような構造の形成を避けることができます。

結論

これらの推奨事項に従うことで、放射される電磁波を効果的に減少させ、外部からの干渉の結合を制限することができます。

次の記事では、EMI性能を向上させ、リスクを減少させるための最適なPCBスタックアップの選択方法について探求します。さらなる洞察を得るために、私たちのページやソーシャルメディアをフォローしてください。

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