PCB設計におけるEMI制御の習得：PCB内での信号の伝播方法

電磁干渉（EMC）に対応するためのプリント基板（PCB）の設計には、電磁場と電流の観点から信号の伝播をしっかりと理解することが求められます。これらの概念は、電磁場の放出レベルを低く抑え、外部からの放出や干渉に対する感受性を低くするPCBの設計に役立つため、重要です。

このPCB設計におけるEMI制御のマスターシリーズの最初の記事では、これらの概念をより深く掘り下げ、プリント基板設計にどのように適用するかを見ていきます。

伝送線路における信号の伝播の概念

PCBにおける信号の伝播について考える際には、水がパイプを流れるという類似から、電磁場と伝送線路の観点にシフトすることが重要です。伝送線路は、含まれた電磁場の形でエネルギーを一地点から別の地点へ転送するように設計された構造です。プリント基板の文脈では、伝送線路は少なくとも2つの導体によって形成されます。これらの導体は、電磁場を含むことと、それらを回路内の別の地点に導くことにおいて同じくらい重要です。2つの導体のうち1つが欠けていると、信号を構成する電磁場は未含有のままとなり、これらの場の拡大によりEMC試験に失敗する可能性があります。

ここから浮かび上がる非常に重要な概念は、電磁信号は導体の内部ではなく、2つの導体の間の空間、すなわち誘電体の中に含まれているということです。EMCの観点からの私たちの目標は、2つの導体の間に含まれる電磁場を最大化し、その周囲にある電磁場を減少させることです。

図1 - PCBにおけるデジタル信号伝播の表現

PCBでは、信号伝播に使用される2つの導体は、信号ポテンシャル導体と戻りおよび参照ポテンシャル導体です。これをイメージする最も簡単な方法は、信号源に接続された上層が信号トレースをルーティングするために使用され、下層が信号源に接続された固体銅層であり、信号ポテンシャル参照にも接続されている二層基板です（図1参照）。私たちが信号と呼ぶものは、これら2つの導体の間に含まれる電磁場です。これは、信号が単一の導体に含まれているのではなく、これら2つの導体の間の誘電体に含まれる電磁エネルギーであることを意味します。また、これは誘電体の特性が信号の伝播に影響を与え、特に信号（またはEM波）が伝播する速度に影響を与えることを意味します。信号の速度は誘電体内の光速です。2つの導体の間には信号が存在するポイントと、まだ信号に達していないポイントがあります。デジタル信号において、これら2つの領域の間に完全な信号があり、まだ信号が存在しないポイントを信号エッジまたは信号波面と呼びます。これはデジタル信号における低レベル論理から高レベル論理への遷移ポイントです。

EMCの観点から、このポイントは非常に重要です。なぜなら、これは導体間で電場と磁場が低から高に遷移する場所だからです。このエネルギー状態が変化する速度が速いほど、すなわち信号が低レベルから高レベル論理に遷移する速度が速いほど、短時間でエネルギーの変化が圧縮されます。信号が伝送線路内でその源から目的地に伝播する際、信号波面または信号エッジが信号の伝播をリードします。

前方電流、戻り電流、及び変位電流

もう一つの重要な概念は、信号エッジが伝播するのを追うと、先端が電磁場の変化であるため、これが2つの導体の間の誘電体内に変位電流を生成することがわかるということです。この現象は、オリバー・ヘビサイドによってまとめられたマクスウェルの四つの方程式、特にアンペール-マクスウェルの法則によって説明されます。これをイメージする最も簡単な方法は、AC源が適用されたときのコンデンサーを考えることです（図2参照）。

図2 - Eフィールドが適用されていないコンデンサー（a）、正のEフィールドが適用されたコンデンサー（b）、負のEフィールドが適用されたコンデンサー（c）

実際には、コンデンサーのプレートとその誘電体の間に導電電流はありませんが、誘電体に含まれる束縛電荷は、コンデンサーのプレートの適用された電場に従って単に極性を持ちます（変位します）。これは、導電電流がコンデンサーのプレートを流れているかのように見えます。変位電流の概念は、信号伝播中に電流が形成される可能性があることを理解するために重要です。特に信号が負荷に達する前にです。古典回路理論の授業で教えられるように、電流は常にループで流れます。では、どうして信号が負荷に達する前、つまり、信号が源から負荷に向かい、再び源に戻って電流ループを形成するために連続的な導電電流を確立する前に電流が存在するのか ？これは変位電流のおかげで可能です。変位電流は、信号が伝播する際に電流がループ内で流れ続けることを可能にします。変位電流がない場合、導電電流だけがあれば、信号の伝播は起こりません。導電電流だけで作られた電流ループは、負荷に達する前にループを閉じることができないからです。これは、導電電流を通して誘電体を流れる電流が必要であることを意味しますが、定義上、これは不可能です。しかし、この見かけ上の電流、変位電流により、信号が伝播する際にループが瞬時に閉じます。

導電電流と変位電流の組み合わせは、信号エッジに従って伝播する電流ループを生じます。この電流ループは、図3に示すように3つの部分に分けることができます：

図3 - 電流ループと変位電流

• 前方電流：信号の方向に沿って上層の導体から負荷へ流れる電流。
• 戻り電流：信号の反対方向、下側の導体から源に戻る電流。
• 変位電流：導体間の誘電体を「流れ」、信号エッジに従って他の2つの部分を接続する電流。

EMIを制御するための信号エネルギーの保持

導体間の電磁場の保持を管理し、電流の流れを制御することは、EMCと信号整合性を兼ね備えた高性能なPCBを設計するために極めて重要です（図4参照）。

図4 - Altium Designer® 3Dビューワーによる高度なPCB設計の例

このアプローチにより、発生源での放出を制御し、外部干渉の結合を許すPCB構造の設計を避けることが可能になります。

シリーズの次の記事では、EMIを効果的に低減するためのコンポーネント配置の改善方法について議論します。見逃さないように、私たちのページやソーシャルメディアをフォローしてお待ちください。

結論

これらの高い基準を満たすPCBを設計するには、設計のすべての側面を精密に制御できる高度なツールが必要です。Altium Designer®は、すべての設計要件を満たすためのPCB設計レイアウトとシミュレーション機能を提供します。統合された設計ルールエンジンとオンラインシミュレーションツールは、PCBの配線を行う際に設計仕様への準拠を検証するのに役立ちます。

設計が完了したら、Altium 365™プラットフォームを使用して、ファイルを製造業者にシームレスにリリースできます。これにより、コラボレーションとプロジェクト共有が簡素化されます。

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