マルチボードシステムにおけるフレックスPCBケーブルからのEMI

フレックスプリント回路ケーブルは、電子機器でのスペース節約や折りたたみ応用を可能にするために非常に役立ちます。フレックスプリント回路ケーブルは、一部の回路を搭載することも可能であり、スティフナーや取り付け穴を取り入れることによって、独特の固定をエンクロージャに可能にします。フレキシブルプリント回路は標準的な有線ケーブルオプションよりもコストがかかるかもしれませんが、設計および製造コストを確実に相殺する高価値アプリケーションを可能にすることができます。

他のボード間接続と同様に、フレックスPCBはEMIの問題を経験することがあります。これには、フレックスインターコネクト上の信号用コネクタからのEMIの放射、または外部ソースからのケーブルが含まれます。フレックスケーブルのユニークな構造は、非常に頑丈な軍事および航空宇宙システムを含む多くの設計で検討すべき興味深い解決策を提供します。この記事では、フレキシブルプリント回路ケーブルのEMIの課題に対処する設計要因についていくつか説明します。

フレックスプリント回路ケーブルの使用がEMIを引き起こす

フレックスプリント回路ケーブルを使用するデバイスは、超コンパクトなデジタルデバイスから、自動車、軍事、航空宇宙用の高度に頑丈なシステムまで、幅広い用途にわたります。フレックスプリント回路ケーブルは、ほとんどの場合、デバイスのエンクロージャ内部にあり、外部環境にさらされることはありません。一部の製品、たとえばモジュラー製品では、フレックスケーブルがエンクロージャの外部に露出しており、異なるEMI耐性特性を持つことがあります。

ZIFコネクタ/エッジコネクタ用の金指で終端される代わりに、フレックスプリント回路は標準のボード間コネクタで終端されることがあり、そのコネクタ終端は、ESDパルスなどのEMIがシステムに入る可能性のある点になり得ます。 EMIに対するこれらのリスク要因を認識した後、フレックスプリント回路内でEMIを抑制または防止するために使用できるいくつかの設計実践があります。

ハッチンググラウンドとハッチ密度

高速または高電力をサポートするフレックス回路基板の主な課題の一つは、固定されたプレーンを使用できないことです。電力をルーティングするフレックスケーブルの場合、これはしばしばハッチングされた銅層を複数使用することを意味します。これにより、フレックスケーブルを必要に応じて形成し、曲げることができる一方で、必要な電流運搬能力を提供することができます。信号ルーティングの場合、トレースインピーダンスを定義し、信号線からの放射される放射を減少させるために、ハッチングされたグラウンドプレーンが必要です。

フレックスケーブルが過度のクロストークを経験している場合や、外部からのEMIを多く拾っている場合は、より密なハッチングされたグラウンディングが必要になるかもしれません。ハッチ開口部を縮小すると、単位面積あたりの銅の量が増加し、これによりプレーン層の遮蔽能力が向上します。残念ながら、高速信号の電力要件とチャネル帯域幅要件が非常に高くなりすぎると、フレックスケーブルはもはや役に立たず、標準の有線ケーブルが必要になるかもしれません。

ハッチングされたプレーンで使用される銅の充填率とハッチ開口部の比率はどのようにすべきか？これはハッチングの使用方法によって異なるため、一般的な声明を出すことは非常に難しいです。ハッチングはデジタル信号のグラウンドとして使用されたり、インピーダンス制御を提供するために使用される場合があります。その場合、ハッチングされたグラウンドの開口部は、信号の立ち上がり時間中の伝播距離の一部よりも小さくすべきです。電源とグラウンドの場合、ハッチ開口部が大きすぎてフレックスケーブルの電流容量が大幅に低下することはありません。シミュレーションはしばしば、インピーダンスを特性化する、直流抵抗、およびハッチングされたプレーンの熱処理を必要とします。

ハッチングされたプレーンのインピーダンスシミュレーションは、ハッチングの周期性を示し、これにより高周波EMIがフレックスPCBケーブルによって受信されたり、放出されたりすることができます。

接続コネクタからの放射

接続されるコネクタを通る信号の遷移は、表面実装コネクタ、メッキされた指のためのZIFコネクタ、およびスルーホールピンコネクタで発生する可能性のある放射性放出の源となることがあります。高速デジタル相互接続用に使用されるフレックスケーブルは、接続されるコネクタからの放射性放出に確実に問題を抱えている可能性があり、主にコネクタのピン配置に十分なグラウンドがないためです。電力を運ぶフレックス相互接続も、複数の理由で放射源となることがあります。接続されるコネクタが放射を引き起こす一般的な理由は次のとおりです：

• 非常に高速な信号によって見られるインピーダンスの不一致
• フレックスケーブルから放射されるトレース上の共通モードノイズ
• スイッチングノイズをケーブルに許容する不十分なフィルタリング
• コネクタのピン配置におけるグラウンドの欠如
• シールドされたコネクタにおけるケーブルシールドの誤用
• コネクタシールドをシステムグラウンドではなくシャーシリンググラウンドに接続する

このフレックスケーブル用の接続コネクタは、通常、グラウンドの欠如や信号の反射により、放射性放出の源となることがあります。

信号と電力の良好な結合を維持するために、接続するインターフェースの両側でグラウンドに割り当てられるピンをいくつか確保します。これにより、フレックスインターコネクトを介してグラウンドが橋渡しされ、信号が参照導体の分割を横切ることがないようにします。コネクタのシールドに関しては、これらはしばしば外部環境にさらされることはなく、したがって、エンクロージャ内でシールドされたコネクタを使用しても、フレックスケーブル設計に利益をもたらすことはありません。

フレックスケーブルの信号線と電力線のフィルタリング

剛性PCBとケーブルのシステムの場合と同様に、入出力にフィルタリングを使用して放射されたEMIと伝導されたEMIに対処できます。フレックスケーブル上で伝導される放射を減少させることにより、ノイズが不十分に接地されたマッチングインターフェースに伝播すると、放射されたEMIも減少することができます。フィルタリングのオプションは、フレックスケーブル上またはスティフナーを備えた剛性セクション上で利用可能です：

• SMDチョークでの共通モードノイズ
• 高次フィルターモジュール
• 離散コンポーネントから構築されたRCまたはLCフィルター
• DC電源線またはDC信号上のフェライト

特にフィルターモジュールのオプションが気に入っています。特にフレックスケーブルの入力または出力で提供される電力に対してです。これらのモジュールは、キロヘルツ範囲で急激なロールオフを持つ高次フィルタリングを提供でき、DC電力からノイズを除去するのに非常に役立ちます。フライバックコンバータープロジェクトの一例として、Altium Designerからのムラタが以下に示されています。

DC電力接続用に主に高次ローパスフィルタリングを提供するムラタフィルターモジュール（PN：BNX026H01L）。

ハッチドプレーンを持つストリップライン

ハッチドプレーンの開口部のため、構造はEMIに対して非常に高い遮蔽効果を持つわけではありません。信号が過度に感受性が高い場合や、エッジレートが速すぎてハッチプレーンが電磁場を含むのに苦労する場合、ハッチドプレーンを用いたストリップライン構成を作成することが解決策になります。信号層の上下にハッチドプレーンを配置して、ストリップライン構造を作成します。遮蔽効果を最大化する最良の方法は、片方のハッチドプレーンの固体銅が他方のプレーンのハッチ開口部と重なるように、ハッチ構造をわずかにオフセットすることです。

ある時点で、エッジレートが1ナノ秒未満の信号は非常に速くなり、ハッチ構造では信号の整合性を維持できず、放射されるEMIが多すぎるようになります。この時点で、ケーブルがより良い選択肢となります。これらの相互接続は、ノイズを抑えるのに役立つ差動信号であることが多いです。コネクタのベンダーは、コネクタの接合面でのインピーダンスマッチングを提供する、高帯域幅の差動信号伝播をサポートするいくつかのオプションを提供しています。信号の整合性とEMCのニーズをサポートするために、接合コネクタのデータレート仕様を確認してください。

Samtec AcceleRate^®高速ケーブルは、データレートとチャネル帯域幅の要件が大きくなりすぎると必要になります。

最後に、フレックスケーブルは、信号が速すぎない限り、EMIの観点から有線ケーブルと同じ性能で動作できます。これには、すべての接合面およびフレックスケーブル全体で一貫した参照導体の接続性を確保するための適切なピン配置設計も必要です。フィルターも、特定のノイズ源、DC電源、および共通モードノイズを伴う可能性のある一部の信号に対しても有用です。

インピーダンス制御が必要な高速単終端信号は、フレックスケーブルでの使用に最適な選択肢ではないかもしれません。しかし、放射される電磁波が少ないため、グラウンドが希薄な場合（例えばハッチングされたグラウンドプレーンの場合）でも、差動ペアは有用です。この場合、差動ペアは、ハッチングされたグラウンド上でのインピーダンスの変動を減らすために、通常のリジッドPCBで使用されるよりも密接な間隔が必要になるかもしれません。

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