パワープレーンとグラウンドプレーン：PCBのパワープレーンをリターンパスとして使用すべきですか？

電源プレーン（電源層とも呼ばれる）とグラウンドプレーンは、電力供給の配布以上の重要性を持っています。インピーダンス制御ルーティングでの基準プレーンの定義や、リターンパスの管理においても、スタックアップはリターン電流がPCBの電源プレーンに入り、その後グラウンド層に再結合されるよう強制することがあります。インピーダンス制御トレース幅の基礎としてGND基準層を定義しても、設計内の電源層の長さに沿った明確なリターンパスを定義する必要があります。電源層をリターンパスとして使用するPCB内でのリターンパスを制御するための良い実践をいくつか見てみましょう。

PCBの電源プレーンをリターンパスとする場合の信号挙動

「リターンパス」と言うとき、設計内でリターン電流が自然に従うパスのことを指します。このパスにより、電流はPCBアセンブリの入力側の低電位端子に戻ることができます。伝送線上で移動する信号にとって、リターンパスは線とその基準プレーンの間の容量によって決まります。容量が大きい、周波数が高い、またはその両方である場合、リターン電流は変位電流として容易にグラウンド層に入ることができます。

これは、伝送線とその参照平面との距離が、その参照平面のタイプが何であれ、実際の設計においていくつかの重要な電気的振る舞いを決定することを意味します。そのような振る舞いには、

• 外部ソースからのEMI感受性があり、これは大きな電流ループを介して誘導的に、または電場を介して静電容量的に受信されることがあります
• 不一致のインピーダンスは、平面領域間、ギャップを越えて、またはインターコネクトに沿ってトレース幅が変化する場合に生じます
• 他のトレースからのクロストークは、設計が
• 伝播中の損失は、伝送線と近くの参照平面または他の導体の間の場の線の集中によって発生します

返り経路または信号参照を提供する隣接層としてパワープレーンまたはグラウンドプレーンのどちらを使用するか選択できる場合は、常にPCBグラウンドプレーンを選択するべきです。これには2つの理由があり、以下で詳しく説明します。

静電容量結合

電力プレーンがどのようにして（あるいはしないで）任意の種類のリターンパスとして機能するかを議論する前に、我々は次の質問をしなければなりません。伝送線から電力プレーンPCBへの電流はどのようにして入るのでしょうか。答えは、容量性結合です！上述のように、リターンパスは伝送線と近くの導体の間で誘導されることが記されています。近くのプレーン層については、線とプレーンの間に電気ポテンシャルが変化するたびにこれが発生します。したがって、プレーンの隣でトレースが配線され、デジタル信号がそのトレースを通過するとき、我々は今、プレーン層で変位電流が駆動されていることになります。

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近くのプレーンが、電力入力時の低ポテンシャル点と同じポテンシャルのグラウンドプレーンであれば、全てがうまくいくでしょう。これの問題点は、電流が電力プレーンから近くのグラウンド層へと移動する必要があるとき、電流は別の誘電体層を通ってPCBグラウンドプレーンに到達する必要があるということです。

スタックアップの設計方法や信号が誘導される基板の領域によって、2つの層の間のキャパシタンスは、電源プレーンとグラウンドプレーンの間に非常に高いインピーダンスの経路を形成する可能性があります。スタックアップによっては、以下に示すような単純な4層スタックアップの場合、電源層とPCBグラウンドプレーン層の間のプレーンキャパシタンスは非常に小さく（平方ミリメートルあたりフェムトファラドのオーダー）、非常に高速なデジタル信号や非常に高周波のRF信号を除いて、極めて高いインピーダンスのリターンパスを作り出します。この電源プレーンとグラウンドプレーンの間の旅の中での唯一の他の選択肢は、以下に示すように、最も近いデカップリングキャパシタを通ることです。どちらの場合でも、基板のどこかでEMI問題が発生する可能性があります。

通常の低速シングルエンド信号（たとえば、立ち上がり時間が制限されたI2CやSPI信号など）の場合、このGNDへの結合から発生するEMIが最大の問題ではないかもしれません。これは、純粋なDCや低周波アナログデバイスではまったく発生しません。しかし、今日の標準CMOSコンポーネントでは、一般的なデジタルコンポーネントのシングルエンドバスでもこの問題が発生する可能性があります。では、解決策は何でしょうか？

解決策は、PCBスタックアップの再設計にあります。最も簡単な方法は、グラウンドリターンを提供するレイヤーを追加することです。一般的に、すべてのGNDプレーンが適切に間隔を置いてステッチングビアで繋がれている限り、他の設計変更は必要ありません。設計の観点からより時間がかかるものとして、上記の4層スタックアップのように、PWRとシグナルを同じレイヤーに配置し、その上にPWRをプアとして同じレイヤーに追加することが挙げられます。

4層例

上記の例の4層ボードでは、連続したビットストリームを提供する必要があるバスとラインを、GNDの直上のトップレイヤーに配置するのが最適です。RCやシリーズ終端で遅延させることができる制御信号などの他の信号は、バックレイヤーに配置することができますし、その他のサポートコンポーネントも同様です。しかし、両方の表面レイヤーにデジタルバスを持つ4層PCBが必要な場合、最良の実践は代替スタックアップを使用することです。

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このスタックアップは、ノイズを抑制し、どこでもクリアなリターンパスを提供する最良の代替手段と言えるでしょう。これはSIG+PWR/GND/GND/SIG+PWRスタックアップで、信号と電力は上層でルーティングされます。これにより、電力レールは隣接するGNDプレーンに近接して配置されるべきであるため、非常に強力なデカップリングが提供されます。

• この代替4層スタックアップについてもっと学ぶ

このボードには、複数の電力レールがある場合に生じる可能性のある難しさが一つあります。4層ボードが両層に高速信号を必要とし、複数の電力レールと強力な電力整合性が必要な場合、標準のSIG/GND/PWR/SIGスタックアップは機能しません。ここで、2層を追加して6層スタックアップを構築することが最良の選択です。

6層の例

ほとんどの配線およびレイアウトの問題と同様に、それによってEMIの問題が発生する場合、問題の原因は通常、グラウンドの定義、またはPCBスタックアップ内の誤ったレイヤー配置にあります。電力プレーンをインピーダンスの参照および信号のリターンパスとして使用できますが、下に示すタイプのレイヤースタックで層間の結合を防ぐために、近くにPCBグラウンドプレーンを配置する必要があります。

密度の高い設計で時々使用されるスタックアップの一つが、下に示す6層スタックアップです。トップとボトムの信号層は直接グラウンドに結合されていますが、L3にある青色の電力プレーン（L2のグラウンドへの高いプレーン容量を持つ可能性がある、層の厚さに依存します）がまだあります。

• 6層スタックアップガイドラインについてもっと学ぶ

内部層での高速配線には理想的ではない別のレイヤー配置は、L2に電力を持ち、2つの隣接する信号層を持つことです。これにより、内部のクロストークが発生し、PCB内の異なる領域に信号がセグメント化されていない場合、リターン電流をグラウンドに戻すのが問題になる可能性があります。より良い配置は、上に示した6層ボードを使用することです。

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トレースに直接結合するとどうなるでしょうか？通常、隣接する層間の寄生容量は、信号トレースの小さな寸法のためにかなり小さくなり、L3の電源プレーンとL5のグラウンドプレーン間の任意のリターン電流に対して、やや高インピーダンスのリターンパスを作り出します。電源層とグラウンドプレーン間の任意のリターン電流に対して低インピーダンスのリターンパスを提供する通常の方法は、電源/グラウンドプレーン間にデカップリング/バイパスコンデンサを配置することです。上記の例では、電源プレーンに誘導された任意のリターン電流に対する好ましい低インピーダンスパスは、L5ではなく、直接L2のグラウンドに入ることです。

持ち帰りポイント：リターンパスを設計する

信号が電源プレーンに戻ってから最も近いPCBグラウンドプレーンに容量結合するか、あるいは直接グラウンドプレーンに戻るかにかかわらず、任意のリターン信号間の望ましくない結合を防ぐために、リターンパスを慎重に設計する必要があります。ここで重要な点は、この結合が直接であるか、デカップリング/バイパスコンデンサを介しているか、または層間容量のおかげであるかにかかわらず、ボード内の任意の回路がPCBグラウンドプレーンに戻るときに完了するということです。これが、現代のPCBでは常にグラウンドプレーンに隣接してルーティングするように言われる理由です：これにより、バイパスキャップ、銅の注ぎ込みを伴うステッチングビア、またはスタックアップによって作成された問題を解決しない他の対策を使用せずに、リターンパスを直接グラウンドプレーンに送ることができます。

技術的には、電源プレーンをシールド層およびPCBリファレンスプレーンとして利用することができます（信号トラックと電源プレーンの間の電位差が0Vでない場合を想定）。しかし、一般にリターンパスを制御することが難しくなります。これは、高速/高周波のボードでは特に真実です。より高度な設計で低信号レベルで動作する場合、差動ペアを使用しているかもしれません。その場合、リターンパスは差動駆動によって提供され、つまり、HIGH信号トレースに平行して流れます。ボード内のリターンパスを追跡する方法についてもっと学びたい場合は、Francesco Podericoのこの記事をご覧ください。

Altium Designer^®の最新のPCBレイアウトおよびルーティングツールには、DRCエンジンとインターフェースするグラウンドリターンパス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PCBリファレンスプレーンとの偏差に対する制限を設計ルールとして定義できます。このルールは、ボードを作成する際にインタラクティブルーティングツールによって自動的にチェックされます。また、信号整合性を分析し、製造業者向けの納品物を準備するための完全なツールセットも提供されます。

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