メッキPCB取り付け穴のPCB接地手法

基板を筐体に配置するときは、何らかの方法でその筐体に取り付ける必要があります。PCBの表面をネジで傷つけずに確実に取り付けるには、通常はメッキスルーホールをただコーナーに配置します。このPCB取り付け穴は通常、ソルダーマスクの下にパッドが露出しているため、必要に応じて取り付けポイントをネットの1つに電気的に接続できます。この場合によく発生する問題の1つは、接地とPCB取り付け穴です。取り付け穴を設計で接地する必要がある場合、どのように接地する必要があるのか？筐体に接続するのか、内部接地のみに接続するのか、それとも別の場所に接続するのか？

これは楽しい質問で、答えは通常、「必ずすべき/絶対にすべきではない」という具合になります。取り付け穴は必ず筐体に接地しているという人もいれば、設計が台無しになるので絶対に接地すべきではないという人もいます。このように定められたほとんどの設計ルールと同様に、実際の答えはより複雑で、入力電力から接地系の構造に至るまで、設計の多くの側面が関わります。PCBへの入力で電源と接地がどのように定義されているかを理解していれば、接地を適切に考慮した取り付け方法を設計することが容易になります。

PCB取り付け穴の設計方法

名前が示すように、PCB取り付け穴は、回路基板を筐体に固定するために使用されます。PCB取り付け穴に関しては、誰もが同意するいくつかのポイントがあります。

• 金属ネジで取り付けることができるように、取り付け穴は一般的にメッキされている必要がある。
• 浮遊する金属片はEMIの発生源となるため、取り付け穴は何らかのGNDネット（アース(PE)、信号GND (SGND)、接地済み筐体など）に接続する必要がある。
• 取り付け穴は、標準サイズの留め具に対応するサイズにする必要がある。
• 取り付け穴はメッキなしでもかまわないが、設計でプラスチック製のネジやスタンドオフを使用する場合以外は望ましいやり方ではない。

これについては、位置決め穴に関する以前の記事で少し詳しく説明しました。というのは、一部の有名企業では取り付け穴と位置決め穴を区別していないからです。設計者にとって、このように区別することは重要です。取り付け穴はほぼ確実に基板の接地系の一部になるし、設計におけるEMIと安全性にこの相違がどのように影響するかを正確に考慮する必要があるからです。

メッキした取り付け穴を筐体に接続することはベストプラクティスであり、そのような接続が可能な場合は、筐体の接地をアース接地に接続することができます。ただし、筐体内に金属元素があるバッテリー駆動システムなどでは、必ずしもそうとは限りません。PCBの取り付け穴、筐体、およびアースの接続方法によっては、デバイスでEMIが発生したり、ユーザーが感電したりする可能性があります。後者のケースは、電源の筐体がアースに十分に接地されていないか（プラグを差し込んだとき）、マイナス電源端子が十分に接地されていない場合に（プラグを抜いたとき）、コンピューターの電源で発生するおそれがある問題の1つです。適切なアース接地接続を含め、PCBの接地手法を適切に行えば、フローティング接地をなくすことができます。それが、金属筐体の接地したPCB取り付け穴の主な用途の1つです。

PCBの接地手法と取り付け穴

上の画像は、過度に一般化したものではありません。場合によっては、取り付け穴を基板に接地する必要がまったくなく、代わりに筐体に接地する必要があります。それ以外の場合、選択の余地はありません。接地する場所が他にないため、取り付け穴を内部接続に接地する必要があります。取り付け穴に適用するPCB接地手法では、対処の必要な電流、その電流の周波数、ESDなどの安全性の問題を考慮する必要があります。残念ながら、考えられるあらゆる状況に対応できる単独のアプローチはありませんが、PCBの取り付け時に生じる接地接続をどのように考えたらいいのかは、以下のポイントを参考にしていただければと思います。

ケース1: 低電流DC、ガルバニック絶縁なし

以下の表は、標準的なPCB接地手法の一環として、メッキPCB取り付け穴をどのように扱うのかという状況をいくつか示しています。ここでは、3線式DC（POS、NEG、アースGND接続）、2線式DC（POSとNEGのみ）、3 線式ACをDCに整流した場合を検討します。

低電流でGNDの定義に対処しなければならない状況はもちろん、これらだけではありません。このガイドラインは、筐体とPCB接地を同じ電位に設定することで、金属筐体（または金属元素があるプラスチック筐体）からのEMIを抑制することを主な目的としています。

3線式および3線式AC/2線式DCシステムで、システム内部にPEと負電源GNDを接続する必要がある場合は、入力点で接続してください。こうすると、GNDループが防止され、筐体内の金属元素がシールド効果を発揮し、浮き上がりません。これは住宅用配線に似ています。回路接地とシステム接地間の接続はシステム入力（ブレーカーなど）のみで行われ、電力がGNDに戻される点では行われません。ただし、この接続は通常、壁のコンセント/ブレーカーのプラグで行われ、基板から筐体に追加接続すると、入力ケーブルを介して小さなGNDループができる場合があります。

金属製筐体のケース1の問題

アース/筐体が接続された3線式DC: PCB取り付け穴がPCB GNDと筐体を1点でブリッジする場合、コードの上流部分がアースに接続されているときに、コードにGNDループが生じる可能性があります。複数のポイントで接続すると、GNDへの安全な接続が増え、迷走電流やESDなどのアースへの良好な経路が得られますが、筐体を介して基板周囲にDC GNDループができるリスクがあります（このようなリスクは、安定した低インピーダンス接続で防止します）。メッキPCB取り付け穴が1つある場合でも、高周波ノイズの容量結合電流が発生し、同相モードノイズが入力に戻る可能性があります。安全性、EMI抑制、低ノイズの最適なバランスを考えると、取り付け穴をメッキして金属筐体に接続しながら、PCBのシグナルグランドとは切り離すのがベストです。必要に応じて、抑制回路を使用して、ESD用の経路をいつでも作ることができます。

これにはいくつかの潜在的な問題があります。安全効果が必要な場合は、アースへの低インピーダンス接続を確保する必要があります。

2線式に整流された3線式電源: 筐体が金属化されている場合、PCB GNDと筐体のみをメッキ取り付け穴を通してブリッジします。この方法は、ケーブルがシールドされておらず、2本のワイヤのみを介して供給される場合に使用します。ただし、すべて（整流器 + DC出力）が1枚の基板にある場合は、前述の一般的な3線式のガイドラインに従う必要があります。ここでは、GNDループの可能性に注意してください。GNDへの取り付け穴の接続が複数ある場合、筐体/GNDプレーンを介してDCにループの問題が生じるおそれがあります。その問題が高周波ノイズであるか、基板上の複数のポイントに複数のESD源が存在する可能性がある場合は、一般に複数の接続が推奨されます。解決したい具体的な問題について考えてください

2線式DC: このケースは、バッテリーまたは卓上電源がある場合に発生し、前のケースに相当することがあります。繰り返しになりますが、この方法を取る前に、解決したい具体的な問題を考えてください。すべての問題を解決してくれる単一の接地方法は存在しないため、解決したい問題を考慮した接地方法を取ることをお勧めします。というのは、今日のエレクトロニクス分野の多くのデバイスはまさにこの2線式構成を採用しており、RFノイズに対する安全性と同相モードノイズの抑制を両立しようとするからです。

バッテリーを扱っている場合、一般に電流は十分低いため、電源入力で非常に低いインピーダンス接続を使用していれば、メッキPCB取り付け穴を介して筐体を基板GNDにブリッジできます。接地同士をつなぎ合わせて、何も浮かないようにしたい場合は、あるポイント（電源入力）でこれを行うのは理想的です。複数のポイントでこれを行うと、様々な箇所、特にコネクタの近くのESD/迷走電流に対する安全性が向上します（例として産業用イーサネットを参照）。これは基本的に、プラグを抜いたときにノートパソコンがその金属ケースに対して行っていることです。ただし、電流がケース内を流れ（場合によってはユーザーを流れ）GNDループが発生する可能性があり、いずれもユーザーの安全と高精度測定アプリケーションに悪影響を及ぼします。

私が説明する3線式DC電源システム、3線式/2線式整流DC電源システムの理想的な状況は、アースと筐体を電源入力部の1つの取り付け穴で接続し、取り付け穴のみをPCB接地に接地することです。筐体とアース間のインピーダンスはできるだけ低くする必要があり、一般には大きなネジか接地ラグが必要です。

残念なことに、入力側の1つのメッキPCB取り付け穴ですべてを接地することは、必ずしも実用的ではありません。取り付け穴が1つのPCBでは、その穴が基板の中央に配置されている場合がありますが、これは必ずしも電源入力ではありません。通常、取り付け穴は複数あります。これらは普通、基板の角にありますが、大きな基板では、構造的に支え、振動を防ぐために、PCBの周囲に分散して配置されていることがあります。すべての取り付け穴がメッキされていて、基板と筐体を同じように接続している場合、GNDループが生じる可能性があります。また、高周波ノイズの容量結合がある程度常に存在し、基板のI/O側に戻る同相モードノイズ、つまり、高周波ノイズの容量結合GNDループが生成されます。

「複数のメッキ取り付け穴を使ってESDの安全性を最大限に高める」「メッキ取り付け穴を1個使用し、他はメッキなしにしてGNDループやノイズを防ぐ」「低EMIと高シールドのためにケースを確実に接地する」の間でバランスをとる必要があることは明らかです。メッキ取り付け穴を使ってPCB GNDを筐体とアースにブリッジする前に、設計要件を慎重に検討してください。

ケース2: ガルバニック絶縁による高電流

ここではノイズが必ずしも大きな問題であるとは限らず、安全性の問題であるため、このケースは注意が必要です。この種のシステムは、電源では一般的であり、ガルバニック絶縁を行う目標の1つは、一時側からのショックが出力側に到達するのを防ぐことです。さらに、システムの入力側と出力側を筐体への接続でブリッジすることで絶縁を破壊したくはありません。そのため、筐体でアース接続を使用し、メッキ取り付け穴のあるPCBを筐体だけに接続します。

この場合、筐体をアースに接地し、PCB GNDとアース間の接続を電源入力のみで行い、メッキ取り付け穴を使って筐体だけに接続することを強くお勧めします。上の画像でこの接続を図示します。絶縁システムの二次側/出力側でも同じことを行います。メッキ取り付け穴だけを筐体に接続し、二次側のPCB GNDには接続しません。二次GNDリジョンからのノイズの多い放射放出を防止するには、一次および二次GNDリジョンをクラスYコンデンサーでブリッジします。そうすることで、DC電流のガルバニック絶縁が確保されますが、すべてのGNDリジョンがAC電流に対して確実に同じ電位になります。

PCB取り付け穴を設計するための基本的なヒント

PCB取り付け穴は、実際には、設計ではあって当然と思われている電気的機能です。機械的な観点から、必要に応じて筐体への低インピーダンスの電気接続を可能にしながら、留め具に対応できる十分な大きさの穴とパッドのサイズにしてください。これらの点は別として、すべての取り付け穴を金属筐体に接地するだけではすべての問題が解決しないことを覚えておくことが重要です。取り付け穴を使って行うPCB接地手法では、EMIや安全性の問題がすべて解決されるわけではないため、システム内の具体的な問題に対処する接地方法を必ず考案してください。

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