EMI制御をマスターするPCB設計：EMC設計のためのスタックアップの選び方

電磁両立性（EMC）の面で優れた性能を発揮するPCBを設計する際に習得する最も重要な概念の一つは、PCBのレイヤースタックアップの選択です。

図1 - Altium Designerのレイヤースタックマネージャーツール

これは、電磁場をPCB設計内で適切に保持することと密接に関連しているため、最も重要な側面の一つとなります。

この「PCB設計におけるEMI制御の習得」シリーズの第3記事では、これらの概念をさらに探求し、他の重要なEMCの概念についても見ていきます。

信号が回路内で伝播するためには、完全な電流ループを形成するために2つの導体が必要です。一方の導体が信号を運び、もう一方が復帰経路を提供し、電流が流れ、信号が効果的に伝送されることを保証します。導体の一方を信号導体と呼び、もう一方を信号復帰および参照導体と呼びます。復帰参照導体という名前は、その仕事が信号の参照（またはゼロボルト）だけでなく、信号電流が発生源に戻るための最小インピーダンスの経路を提供する必要があるためです。最小インピーダンスの経路を実現するために、トレースではなく平面を選択し、この平面は信号のインピーダンス不連続を作り出す可能性のある分割、切断、またはその他のセグメンテーションを持たないべきです。

この基本的な概念から、信号を持つ各層には、復帰および参照経路を提供する第二の導体、復帰参照平面が必要であることがわかります。このシンプルなルールに従うことで、隣接する復帰参照平面（RRP）と各信号層をマッチングすることによって、スタックアップの設計方法を決定できます。

Easy, Powerful, Modern

The world’s most trusted PCB design system.

Explore Solutions

以下は、電磁干渉を最小限に抑えるためのスタックアップの例です。

2層スタックアップの例

2層スタックアップでは、1層を信号と電力トレースに専用し、2層目をソリッドなリターン参照平面とする構成が可能です。

図2 - Altium DesignerのLayer Stack Visualizerツールを使用した2層スタックアップの例

平面には分割や他の大きな隙間があってはなりません。これは、隙間を越えて信号をルーティングすることを避けることも重要で、インピーダンスの不連続を生じさせ、電流ループの経路を拡大し、結果として放射される電磁波を増加させる可能性があります。層をまたいでトレースを渡す必要がある場合は、交差ができるだけ短く、他の信号トレースの下で行わないようにしたいと考えます。

SPICE: Certainty for All Decisions

Design, validate, and verify the most advanced schematics.

Learn More

4層スタックアップの例

4層スタックアップにも同じアプローチを使用できます。このスタックアップは、コンポーネントとトレースの密度が増加し、信号トレースのルーティングに2層目が必要な場合に適しています。3層スタックアップでも同様の構成を実現できますが、製造上の目的で通常は最適なオプションではありません。なぜなら、製造業者は通常、層のスタックアップをペアで提供するからです。

4層スタックアップには、2つの効率的な構成があります：

1. 最初の構成では、リターンリファレンスプレーンがスタックアップ内に埋め込まれたプレーンとして配置されます。これは、第1層と第4層が信号層であり、第2層と第3層がそれぞれ第1層と第4層の信号のリターンとリファレンスを提供することを意味します。

2. 2つ目の構成では、リターンリファレンスプレーンが第1層と第4層に配置され、回路の一種のシールドとして機能し、信号層はスタックアップ内に埋め込まれた第2層と第3層にあります。この構成では、第2層と第3層の間の空間を増やして、両方の信号のフィールドが互いに干渉しないようにしたいと考えます。代わりに、各信号層はリターンリファレンスプレーンと結合します。

どちらの構成でも、リターンリファレンスプレーン間にステッチングビアを実装するべきです。これの主な目的は：

• ファラデーシールドの一種を作り、放射を減少させ外部干渉を低減すること；

• プレーンを可能な限り等電位に保ち、共通モード電圧を減少させること；

• 一層から別の層へ垂直に移行する信号のリターンとリファレンスを提供すること。

この場合、電力も信号層上で配線されます。

図3 - Altium DesignerのLayer Stack Visualizerツールを使用した4層スタックアップの例

4層スタックアップで1層を完全に電源に割り当てるケースは、正しく実行されない場合に共通モード電圧ノイズを発生させる可能性があるため、EMC設計の目的では推奨されません。このトピックには、より深い技術的な詳細が必要ですが、それはまた別の機会に譲ります。

6層スタックアップの例

6層スタックアップは、信号層と電源層の割り当て方において、より高い自由度を提供します。

図4 - Altium DesignerのLayer Stack Visualizerツールを使用した6層スタックアップの例

EMCの観点から優れた性能を提供できる非常に効果的なスタックアップが2つあります：

1. スタックアップ1：信号はレイヤー1と6でルーティングされ、レイヤー2と5にはリターン参照プレーンがあり、さらにレイヤー3と4には追加の信号レイヤーがあります。この構成により、レイヤー2と5が4つの信号レイヤーすべてのリターンおよび参照プレーンとして機能することができ、ただ2つの場合とは異なります。これはスキン効果によって可能になります。スキン効果とは、交流（AC）が導体内で分布する傾向であり、電流密度が導体の表面近くで最大となり、中心に向かって減少する現象です。この現象は、ACによって生成される変化する磁場が導体の中心での電流の流れに反対する渦電流を誘導するために発生し、電流が周辺でより多く流れるように強制します。このタイプのスタックアップでは、電源ネットを信号レイヤーと一緒にルーティングすることができます。

2. スタックアップ2：信号はレイヤー1と6でルーティングされ、レイヤー2と5がリターン参照レイヤーとして機能します。この構成では、レイヤー3と4が電源プレーンとして使用されます。このスタックアップは、特により多くの電力が必要な場合や低インピーダンスの電力供給ネットワークが必要な場合に非常に効果的です。リターン参照レイヤーと電源レイヤーの両方に対して、均一な固体プレーンの使用を推奨します。単一のレイヤー上で異なるポリゴンを使用することは、共通モードノイズを発生させ、ケーブルが接続されたときに放射される電磁波を引き起こす可能性があるため、お勧めできません。これらの問題を避け、基板の電力供給ネットワーク（PDN）を改善するために、電圧ごとに1つのプレーンを専用にしてください。

4層スタックアップと同様に、内部の信号層と電源層の間に十分な距離を確保し、それらの間の結合を避けつつ、リターン参照レイヤーとの結合を最大化することが重要です。また、可能な場合にはリターン参照プレーン間でステッチングビアを実装するべきです。

Altium Designerを使用したシンプルなマルチレイヤースタックアップの例

幸いなことに、Altium Designer^®を使用すると、PCBスタックアップの選択が容易になります。

統合されたレイヤースタックマネージャーツールを使用すると、PCB用のカスタムスタックアップを作成することも、プリセットのスタックアップを使用することもでき、PCBデザイナーの作業を大幅に簡単にします。レイヤースタックマネージャーツールでは、特性インピーダンスをサードパーティの計算機を使用せずに計算できる、より高度なタイプのスタックアップも作成できます。

これは、Altium Designer^®が提供する多くの機能の一つであり、シームレスで正確なPCBプロジェクトの作成を可能にし、設計プロセスをより簡単で楽しいものにします。

次の記事では、低EMIのためのPCBの設計と最適化について探求します。私たちのページやソーシャルメディアをフォローして、見逃さないようにしてください。

その間、Altium Designer^® + Altium 365^™の無料トライアルを今すぐ始めて、PCB設計プロジェクトを次のレベルに引き上げましょう。