高速PCB設計における考慮事項：バイパスコンデンサの配置と配線のヒント

投稿日 2017/10/3 火曜日
更新日 2020/12/1 火曜日

数年前、私が関わっていた基板設計の大半はシンプルなデジタル設計でした。そのような設計では、バイパスコンデンサの配置と配線は非常に簡単で、回路が十分に遅かったため、セラミックコンデンサを必要としないことが多かったです。ほとんどの場合、バイパスコンデンサの配置と配線を主要な設計考慮事項としてではなく、後から考えるべきこととして扱っていました。いくつか使うべきか、どこに配置すべきか、どのように接続すべきかについては、あまり気にされないようで、エンジニアの中には、まるでケーキの上の飾りのように、「ここかしこにバイパスコンデンサを撒いて」と指示する人もいました。

後になって、設計の複雑さと速度が増すにつれて、より洗練された電力分配ネットワーク(PDN)の設計の必要性も高まりました。今では、高速設計の信号整合性要件を満たすために、正確に設計されたPDNが基板の最高の性能を発揮するために不可欠となっています。

高速PCB設計のヒントと、高速設計の文脈でのバイパスコンデンサの配置要件、およびそのグラウンドプレーンで最適に支援する配置と配線戦略について見てみましょう。

BW picture of capacitor against a schematic background
このコンデンサは何をしているのか？

バイパスコンデンサは何をしているのか？

高速PCB上のプロセッサやその他のICは、電源が供給できない急激な電流のスパイクを要求します。電源は、短いバーストではなく、PCBレイアウト全体にわたって一定量の電力を供給するように設計されています。この問題を解決するために、ICの近くにバイパスコンデンサを配置して、これらの急激なスパイクに必要な電流を供給することができます。バイパスコンデンサは、電力を蓄えてから、ICが余分な電流を必要とするときにそれを放電することによってこれを実現します。これにより、電源が反応する時間を確保します。スパイクの後、バイパスコンデンサは再充電され、次のサイクルの準備が整います。

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バイパスコンデンサは、高速で切り替えるデジタルデバイスから生じるグラウンドバウンスを減少させるためにも重要です。バイパスコンデンサは、電源によって引き起こされる低周波ノイズをフィルタリングするためにも使用され、信号の整合性やEMIの問題にも役立ちます。

バイパスコンデンサはいくつ使用すべきですか？

バイパスコンデンサが設計に必要な量は、それらが割り当てられているデバイスと、使用されているデバイスの数に依存します。一般的に、回路基板上の各電圧降下に対して、10uF範囲のバルクコンデンサが使用されます。これらは電圧が発生する場所や回路基板に入る場所に配置するべきです。一部のデバイスでは、高速バイパスコンデンサと共に使用されます。

一般的に、各ICには少なくとも0.1uF範囲の高速バイパスコンデンサを1つ配置するべきです。これらは、直ちに電流を供給できるように、対応するICに可能な限り近くに配置するべきです。複数の電源ピンを持つデバイスには、電源ピンごとに少なくとも1つのバイパスコンデンサを持つことをお勧めします。これにより回路基板のスペースをより多く使用しますが、グラウンドバウンスを大幅に減少させるのに役立ちます。

Picture of capacitors and other placed on a PCB
PCB上でのコンデンサとその他の作業

バイパスコンデンサの配置とルーティングのベストプラクティス

先に述べたように、バイパスコンデンサはそれが割り当てられているデバイスに可能な限り近くに配置するべきです。これは、PCBレイアウトの反対側にあるデバイスの下側、またはバイパスコンデンサが接続されているピンのすぐそば、同じ側の基板上に配置することができます。

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特定のデバイスの電源ピンの近くに複数のバイパスコンデンサを配置する必要がある回路では、コンデンサはそのピンの隣に値の昇順で配置する必要があります。例えば、特定のデバイスに.01uFと10uFのコンデンサが指定されている場合、.01uFをデバイスに最も近くに配置し、その外側に10uFを配置します。この方法により、大きなバルクコンデンサがデバイスピンに最も近い高周波コンデンサを再充電します。

バイパスコンデンサを配線する場合は、デバイスの電源ピンまたはグラウンドピンから始めて直接コンデンサのピンに向かいます。そこから、経路は電源プレーンまたはグラウンドプレーンに接続するビアに続くことができます。また、バイパスコンデンサを接続するためにできるだけ短く幅広いPCBトレースを使用し、電源プレーンまたはグラウンドプレーンに接続するためにできるだけ多くのビアを使用するべきです。

バイパスコンデンサの配置と配線を最適な電力分配ネットワークで行うことは、高速PCB設計において重要な部分です。ここで議論されたヒントは良いスタートを切るのに役立ちますし、他にも利用可能なリソースがあります。Altium Designer^®のようなPCBソフトウェアには、PDN Analyzer^™ のようなDC分析ツールがあります。これらは、実際のボードを構築する前に、PCBレイアウトのレイアウト中に電力分配ネットワークの問題を分析し、解決することを可能にします。

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