PCB設計におけるEMI制御の習得：より良いEMIのためのクロストーク防止

シリーズの第6回目へようこそ、PCBデザインにおけるEMI制御の習得です。この記事では、クロストークが信号の整合性とEMIにどのように影響を与えるかを探り、デザインでこれにどう対処するかについて議論します。

図1 - Altium Designer^®でのPCBデザインの例

クロストークは、現代のプリント基板（PCB）デザインで最も頻繁に遭遇する問題の一つです。PCBの密度が増し続けるにつれて、この現象はさらに一般的になっています。より多くの高速インターフェースを、より小さなボードのエリアに統合するという傾向は、この課題を悪化させます。コンパクトなレイアウトはトレース間の近接を引き起こし、クロストークの可能性を大幅に高めます。

本質的に、信号のクロストークは、あるネット（またはトレース）から別のネットへの電気信号の意図しない転送を指します。これは、あるトレースを伝わる信号が生成する電磁場が隣接するトレースと相互作用するときに発生します。この文脈では、元の信号を運ぶトレースは一般に「アグレッサー」と呼ばれ、望ましくない信号を受け取るトレースは「ビクティム」として知られています。

図2 - クロストークが回路でどのように現れるかの例

電磁干渉（EMI）の分野では、クロストークは非常に重要です。これは、システム内の干渉の原因となるだけでなく、他のデバイスを乱す電磁放射の源にもなり得るからです。クロストークに関して重要なのは、信号電流が伝播する信号トレース間だけでなく、リターン電流がその源へ戻るリターン参照導体でも発生するということです。ここでは、「グラウンドバウンス」といった現象が発生しますが、これもリターン参照導体で起こるクロストークの一例です。

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クロストークとその影響を理解する

クロストークの現象は主に2つの理由で発生します：導体間の静電容量結合と誘導結合です。2つ以上のトレースが非常に近くに配置され、信号の電圧と電流が時間とともに変化すると、信号トレースの端（アグレッサーと呼ばれる）のフリンジフィールド（電場と磁場）が近くのトレース（被害者）に結合し、これら近くのトレースに望ましくないノイズを引き起こします。

PCB設計者の仕事は、EMIを効果的に減少させるために、これらのフリンジフィールドが他の導体に与える影響を最小限に抑えることで、ノイズが一つのトレースから別のトレースへ伝播しないようにすることです。

図3 - 信号トレース間の誘導性および容量性結合の例

EMIの観点から、この問題は、PCBトレースから、またはこれらのトレースに接続されたワイヤーから、あるいは導体からノイズが発生し放射される場合に発生します。

クロストークの種類

クロストークを扱う際には、2つのタイプを区別することも重要です：近端クロストーク（NEXT）および遠端クロストーク（FEXT）。

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近端クロストーク、またはNEXTは、信号が送信される伝送線の同じ端で発生するクロストークのタイプです。基本的に、回路の送信端で近くの導体によって拾われる干渉です。

遠端クロストーク、またはFEXTは、信号が送信される伝送線の反対側の端で発生するクロストークを指します。これは、回路の受信端で近くの導体によって拾われる干渉です。主な違いは、NEXTはソース端の近くで発生するのに対し、FEXTは目的地端の近くで発生するということです。NEXTは信号伝播の逆方向（後方向）で発生し、FEXTは信号伝播の方向（前方向）で発生します。

Altium Designer^®

での実践例とレイアウト戦略 シグナルクロストークの複雑さに深く踏み込むことなく、その影響を減らす方法はいくつかあります。これらの技術のほとんどは、PCBレイアウトの設計方法に依存しており、PCBを幾何学的に設計する方法が非常に重要になります。クロストークを減らす最も効果的な方法は、実際には、PCB上で導体を相互に配置する方法に関連しています。

最初に使用できる戦略の1つは、導体間のスペースを増やして、電気および磁場が互いに結合しないようにすることです。

図4 - 改善前後のシグナルトレース間隔の例

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もう1つの技術は、シグナルトレースとリターン参照平面との間のスペースを減らすことです。これにより、シグナルフィールドがリターン参照平面と密接に結合し、これらのフィールドが他の導体に広がるのを減らします。

また、シグナル導体とリターン参照導体の両方の長さを短くすることで、異なるネット間の結合量を減らすことができます。これも直感的で、導体が露出するほど、ノイズが他の導体と結合するチャンスが少なくなります。

図5 - Altium Designer^®

を使用した密接に結合された信号とリターン参照平面の3Dビュークロストークを減らすもう一つの一般的な方法は、IC、コネクタ、PCBトレースに複数の導体をリターンパスとして提供することです。

これは、例えば、リボンケーブルやその他のコネクタを使用する際に、複数の信号ネットのために一つのリターン導体を使用するのではなく、複数のリターンパスを使用することを意味します。

Altium Designer^®

を使用したシミュレーション戦略回路レイアウトにおけるクロストークについての教育的な推測に頼るのではなく、正確な計算のための高度なツールを使用することが重要です。

Altium Designer^®に組み込まれているSignal Integrity機能は、この目的のための強力なツールです。この機能により、PCBトレースを通じたクロストークをシミュレートして分析することができ、正確な予測とクロストークレベルの深い理解を可能にします。このツールを使用することで、より高い精度で設計を洗練させ、最適化することができます。

図6 - Altium Designer^®

を使用したクロストークシミュレーションの例シグナルインテグリティツールは、さまざまな設計のトレードオフを評価するのに役立つ詳細なシミュレーションを提供します。これらのトレードオフを理解することは、干渉を最小限に抑え、最適な性能を実現するために不可欠です。このツールから得られる洞察は、単なる推測だけでは得られないものです。

図7 - Altium Designer^®でのシグナルインテグリティツールを使用したクロストーク評価の例

この高度なツールを活用することで、パフォーマンスのニーズとレイアウトの制約をバランス良く考慮した情報に基づいた決定を行うことができます。このアプローチは、回路の信頼性と機能性を向上させ、シグナルインテグリティとEMI性能を改善し、全体的な設計効率を高めます。

結論

結論として、PCボードのシグナルクロストークを効果的に減少させ、EMI性能を改善するためには、いくつかの戦略が利用可能です。Altium Designerの組み込みシグナルインテグリティツールの使用は、PCBレイアウト内のクロストークを正確に予測し、軽減するために不可欠です。このツールは、データに基づいた決定を下すことを可能にし、設計が必要な仕様を満たし、さまざまな条件下で信頼性を持って動作することを保証します。

「PCB設計におけるEMI制御の習得」シリーズの以前の記事を見逃してしまった場合は、すべての洞察に富んだコンテンツをキャッチアップするためにAltiumのページを訪れることを強くお勧めします。

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