EMI/EMC設計: AC信号およびDC信号の絶縁によるPCBノイズリダクション

高校で、物理の先生がいつもEdisonとTeslaの「電流戦争」について話してくれたものです。当時は、Edisonが直流送電（DC）を好んで使用し、Teslaが交流電力（AC）を好んだ理由など、全く関心がありませんでした。それが、PCBのACシステムとDCシステムの間で起きる「電流戦争」を直接体験するようになって変わりました。今日、多くのPCBはACとDCの両方の回路を使用します。ACとDCがぶつかると、多くの場合電磁妨害（EMI）という形で問題が起きます。幸い、「電流戦争」と同じように事態は治まります。最新のPCBでは、ACとDCの信号は協調的に共存できます。カギは絶縁です。

電磁妨害からの絶縁

AC回路とDC回路の間の干渉を管理する簡単な解決策がいくつかあります。主に、コンポーネントの遮蔽、システムの隔離、専用電源、十分な基礎知識、非橋絡絶縁などです。

遮蔽: ご存知のとおり、EMIを放射する可能性のあるコンポーネントはPCBに多数あります。電源、ICクロック、オシレーターなど、いずれもACコンポーネントと干渉する可能性があります。「ノイズを発する」DCコンポーネントからのEMIを制限する、あるいは影響されるACコンポーネントを保護する方法の1つとして、ノイズの単純な遮蔽があります。遮蔽は基本的に、筐体内の空気を通じて放射されているEMIが遮蔽された回路を妨害しないことを保証します。したがって、保護や制約が必要なものがある場合は、人類が何百年も行ってきたことを行い、金属ボックス内に配置します。マルチレイヤー基板がある場合は、シールドとしてグランドプレーン層を使用することもできます。効果的である一方、遮蔽は基板の重量とコストが増加するので、EMIの低減と他の問題とを注意深く比較検討してください。

基板が単純でも複雑でも、AC/DCの隔離によるメリットはあります

隔離: EdisonとTeslaが同じ部屋にいたら、お互いに聞きたいことが必ずあったはずです。ないとすると、より物理的な妨げによるものでしょう。幸い、この2人は通常離れていたので、ACコンポーネントとDCコンポーネントはそれぞれの導線につながっていたはずです。チップでもトレースでもACシステムとDCシステムをPCB上に相互に離して配置すると、システム間に「クロストーク」がない状態を確保できます。ACとDCのシステム間に物理的な距離をとる十分なスペースが基板上にない場合は、隔離が必要なコンポーネント間のグランドプレーンにギャップを設けることもできます。グランドプレーンのギャップは、プレーンを流れる電流を強制的にギャップの周りに流します。この方法は、戦略的に使用して、反応しやすいシステムの周りに電流を経路変更できます。要するに、配線を交差しないということです。単純な回路では簡単にうまく隔離できますが、より複雑な回路ではかなり難しくなります。ACとDCの隔離のために最善を尽くしてください。ただし、最適な結果を得るのは難しい場合があることを覚えておいてください。

電源: 各AC/DC PCBでは、ACコンポーネントとDCコンポーネントに別々のパワーレールが必要です。DCコンポーネントは、電源からスパイクを引き起こし、電圧過渡になる可能性があります。ACコンポーネントはこの電圧過渡で動作する（あるいは動作しない）場合がある一方で、このとき最高能力で動作することはありません。電圧過渡が極端な場合、ACコンポーネントはエラーを発生するか、完全に動作を停止します。電源を別にすることは不便かもしれませんが、チップが動作しないよりはましです。

接地: ご存知のように、AC/DC回路の接地は複雑な問題です。あまりにも複雑なため、この記事では完全に掘り下げて考えることができません。しかしながら、アドバイスを提供することは可能です。接地グリッドまたはプレーンの電流のリターンパスを確認してください。DC電流は、最小の抵抗性インピーダンスパスに流れる一方で、ACのリターン電流は最小のリアクタンス性インピーダンスパスに流れます。ACのリターン電流では、最小リアクタンス性インピーダンスのパスは常にトレースの下にあります。リターンパスは忘れがちですので注意してください。グランドプレーンをチェックして、電流のリターンパスをトレースしてください。前の「隔離」の推奨事項も適用して、配線が見えない場合も、配線を交差しないようにしましょう。

橋絡（しない）: 読者の皆様は、私が提供した（すばらしい）全てのアドバイスに従った場合、2つの適正に隔離されたACシステムとDCシステムを持っているはずです。プレーンにギャップがあり、それらの橋絡を考えているなら、お止めください。この記事全体は、AC/DCの隔離について書いていますので、橋絡を行うと、これまでのアドバイスは全く意味がなくなります。

PCB設計ソフトウェアが、AC信号とDC信号が隔離された基板の設計をサポートします

ソフトウェアによりACとDCを隔離する方法

経験に基づくこれらの方法は、よいアドバイスかもしれませんが、実施計画なしに活用することはできません。ここでPCB基板設計ソフトウェアの出番です。隔離は、PCB設計を色分けすることで完了できます。ACおよびDCシステムは、それぞれに異なる色を割り当てることにより、トラッキングできます。両システムが物理的にも電気的にも相互に隔離されていることを確証できます。方法については、AltiumのCircuit Studioのマニュアルを参照してください。Altium Designerは、上級ユーザー向けにカラーコードも提供しています。

かつての古き良き時代を振り返り、どちらの電流が優勢かで天才発明家たちがしのぎを削ったことを思い出し、PCB上のAC/DC信号も同じことをしていることを忘れないでください。ただし、一方がこの戦いに勝つのではなく、PCB上の平和のために行動しましょう。

これらの問題についてのサポートやさらなる明確化が必要ですか? Altiumのサポートまでご相談ください。