EMIを防ぐために、マルチレイヤーグラウンドリターンパスをたどりましょう

複雑な多層PCBでは、グラウンドへの戻り経路をたどることがすぐに複雑になります。PCBが少ない層数を持つ場合（例えば、2つのプレーン層を持つ4層ボード）、戻り経路を特定し、EMIを防ぐために意図的に設計することは比較的簡単です。しかし、層数が多い場合には状況がより複雑になります。複数のプレーン層と導体がグラウンド戻り経路を形成することがあり、その導体がグラウンドに接続されていない場合でもです。ここで、グラウンドプレーンと参照プレーンを区別することが役立ちます。なぜなら、両方ともPCB内の戻り経路の一部を形成することができるからです。

グラウンド戻り経路対参照プレーン

参照プレーンは、信号伝送経路の固有の部分です。それらがボード内に意図的に配置されているか（例えば、信号トレースのためのグラウンドプレーン）、または信号トレースに近接している意図しない参照プレーンであるかは、ボード全体の信号トレースの位置を慎重に追跡しない限り、判断が難しいかもしれません。信号のグラウンド戻り経路は、実際にはグラウンドを通過しないかもしれません。それはシャーシ、電源プレーン、または他の接地された導体を通過する可能性があります。

リターンパスが基板内のどこを通っても、常に基板上の低電位点、つまり電源に戻るグラウンドリターンポイントに戻ろうとします。リターン信号がシャーシ、電力平面、または他の導体に誘導された場合でも、グラウンド導体とより高い電位を持つ導体との間の電位差により、グラウンドに引き戻されます。

信号が伝播する際のリンギングの特性であるだけでなく、信号のリターンパスは以下の振る舞いを決定します：

• EMIの感受性。 リターンパスによって作られるループのインダクタンスは、回路のEMIへの感受性を決定します。大きな電流ループを持つ回路は、より大きな寄生インダクタンスを持ち、放射されたEMIに対してより感受性が高くなります。ループがタイトな場合、ループのインダクタンスは低くなります。これは、高速信号トレースを隣接層の基準平面に近づけて配線する理由の一つです。

• 混合信号基板における干渉。信号を運ぶ導体と最も近い基準導体との間の寄生容量、および回路によって作られるループは、スイッチング信号によって見られるリアクタンスを決定します。リアクタンスは信号の周波数成分の関数であるため、信号の戻り経路は中程度の周波数で予測しにくくなります。このガイドを読んで、単一の平面層に対する混合信号の戻り経路を設計する方法についてもっと学びましょう。

• コモンモードノイズ経路。一度特定のトレースに誘導されたコモンモードノイズは、信号がグラウンドに戻るのと同じ経路をたどろうとします。コモンモードノイズによってたどられる正確なグラウンド戻り経路は、信号によって見られるリアクタンスを決定するその周波数成分に依存します。

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複数の平面層を持つ多層スタックアップで配線している場合、状況はさらに複雑になります。信号経路に沿って基準導体が変わる可能性があります。初期の基準平面を決定する主要な量は、信号トレースと近くの導体との間の寄生容量と回路のインダクタンスです。寄生インピーダンスは、インダクタンスのおかげで隣接する導体に局所化されていないことに注意してください。これは、多層基板において複雑なグラウンド戻り経路を作り出す可能性があります。

これらのトレースのグラウンドリターンパスを追跡できますか？

確かなグラウンドリターンパスへの回帰

上記の内容を読んでまだ、複雑なPCBでのリターン電流がどうなるのか疑問に思っているなら、電流がグラウンドプレーンや他の接地された導体に結合されるのはなぜか、そしてそもそもそれが起こる理由は何か、と自問自答しているかもしれません。これらはどちらも妥当な質問です。

隣接する導体間の寄生

まず二番目の質問に答えることで、最初の質問への答えを説明するのに役立ちます。リターンパスが導入される場所は、信号トレースと隣接する導体間の容量と、信号トレースと該当する導体によって形成される回路の自己インダクタンスに依存します。これらの量が合わさって、信号によって見られるインピーダンスを決定します。

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最も低いインピーダンスを持つパス（このパスは基板を通ることも空気を通ることもあります！）が、リターン電流が従う方向です。ちょうど、信号トレースと候補となる導体間で最も低いインピーダンス（つまり、最も強い結合）を提示するパスは、通常、最大の容量と最小のインダクタンスを提供する最も近い導体であることが多いのです。

電源プレーンをグラウンドリターンパスとして使用する

これは、ある信号トレースに最も近いグラウンドプレーンよりも電源プレーンが近い場合、電源プレーンが参照導体として機能する理由を説明しています。電源プレーンと信号トレース間の静電容量/誘導インピーダンスは、トレースと最も近いグラウンドプレーン間のそれらの値よりもはるかに大きくなる可能性があります。ここで語られた話は、信号が多層PCBの複数の層を横断する際に、参照プレーンを変更する方法を効果的に説明しています。

多層PCB内の電源プレーンを横断する信号の例示されたリターンパス。

さて、三つ目の質問です：電源プレーンに結合されたリターン信号はどのようにしてグラウンドリターンパスに戻るのでしょうか？電源プレーンとグラウンドプレーン層はある程度の層間静電容量を持ち、これによりリターン電流がグラウンドプレーンにカップリングされます。電源ポートとグラウンドプレーンの間にバイパスコンデンサが接続されている場合、それらは電源プレーンで誘導されたリターン信号のためにいくらかの静電容量と誘導インピーダンスを提供することになります。

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洞察力のある設計者は、一般に、GNDへの復帰経路に低インピーダンス結合を確保できる場合を除き、電源プレーン上をルーティングすべきではないことを認識すべきです。特に高速/高周波のボードでは、EMIを減らすために復帰経路を念頭に置いてボードを設計するべきです。通常、PWRプレーン上をルーティングする際の復帰経路は、近くのデキャップ、グラウンド領域を橋渡しするビア、またはPWRプレーンからGNDプレーンへの静電容量結合による変位電流によって提供されます。ここでの危険は、特に4層スタックアップでは、ボードを通じて復帰経路を追跡することが困難または不可能であり、大きな電流ループの生成や高インピーダンス復帰経路によって強力なEMIの源となることです。

Altium Designer^®の強力なPCB設計ツールには、現在、DRCエンジンに組み込まれたグラウンド復帰経路チェックツールが含まれています。これにより、トレースと最も近い基準平面との間の偏差に対する制限を設計ルールとして定義できます。これは、レイヤーを作成する際にAltium Designerのルーティング機能によって自動的にチェックされます。また、信号の整合性を分析し、製造業者に提出するための完全なツールセットも利用できます。

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