エレクトロニクス設計におけるグラウンドリファレンスとシャーシグラウンドについて

アース接続技術、接地、PCBのグラウンド接続、PCBシャーシグラウンドの概念は、国際基準が概念と用語を分離しようと試みても、電子工学においては非常に複雑です。グラウンディングは、電子設計、電気作業、もちろんPCB設計のすべての側面で重要です。すべての回路には、私たちがグラウンドと呼ぶ参照接続が必要ですが、正確な参照はさまざまなシステムで異なる方法で定義されます。

さまざまなタイプの電子機器でPCBグラウンドがどのように機能し、グラウンド接続をどのように使用するか不確かな場合、すべてのシステムに適用される単純な答えはありません。異なるタイプの電子機器は、それぞれのポテンシャル参照を異なる方法で定義し、すべてのグラウンドが同じポテンシャルにあるわけではないことが、入門電子工学のクラスで学んだこととは対照的です。この記事では、デジタルグラウンド、アナロググラウンド、シャーシグラウンド、そして最終的にアースグラウンド接続を定義し統合するためのシステムレベルのアプローチを取ります。グラウンドが最終的にPCBにどのように接続され、最終的にシステム内のすべてのコンポーネントに接続されるかを学ぶために読み続けてください。

回路におけるグラウンド参照とは何か、そしてそれは何をするのか？

地面を定義する方法はいくつかありますが、誰に尋ねるかによって異なります。物理学者は特定の方法（主に理論的に）で定義する一方で、電気技師や電気工学者は文字通りあなたの足元の地面（アースグラウンド）を指しているかもしれません。電子工学では、地面をさまざまな機能を交換可能に実行するものとして参照することがあります。ここでは、電子工学における地面の主な機能をいくつか紹介します：

• 地面は電圧を測定するために使用される基準点を提供します。すべての電圧は、2点間の電場（および位置エネルギー）の観点から定義されます。これらの点の1つを「0V」と定義することができ、この0Vの基準を「地面」と呼ぶことがあります。これが、PCB内のグラウンドプレーンを「基準平面」と言う理由の1つです。
• 地面は電源への帰還電流の経路を提供するために使用でき、これにより回路が完成します。
• 概念的には、地面は大きな電荷の貯蔵庫として機能し、電流の流れの方向も定義します。地面を0Vの基準として取るため、この値（正または負）より上または下の電圧は、地面の位置に対して異なる方向に電流の流れを駆動します。
• グラウンドは電場が終了する点を提供します。これは本当に最初のポイントの変形です。もし電磁気学のクラスで画像法の問題を解決しなければならなかったことがあれば、グラウンドは特に0Vで保持される等電位面として定義されることを覚えているはずです。この定義は、特定の電圧で保持される任意の導体（例えば、PCBの電源プレーン）にも適用されることに注意してください。
• 完全なグラウンド導体を通る電圧降下は0Vです。言い換えると、グラウンド参照内の任意の2点間の電圧を測定すると、常に0Vを測定するはずです。これは上記のポイント2の再述です。

PCB設計では、電源がコンポーネントに供給される方法と、設計内でデジタル/アナログ信号がどのように測定されるかを定義するため、ポイント1と3についてよく話します。EMI/EMCの専門家は時々、ポイント4の観点からグラウンドについて話します。これは基本的にシールド材料の機能を説明します。誰もがポイント5を福音として受け入れますが、ポイント5は現実には起こりません。

これらのポイントをカバーした今、電子機器におけるグラウンディングとさまざまなタイプのグラウンドについて認識すべきいくつかのことがあります。

全てのグラウンドは不完全です

全てのグラウンド領域は上記の特性を持つことが意図されていますが、導体の実際の性質により、グラウンド基準として使用された場合には異なる機能を果たします。さらに、グラウンド領域の幾何学的形状は、電場および磁場との相互作用の仕方を決定し、それがグラウンド領域へのおよびグラウンド領域内の電流の動き方に影響を与えます。これが、異なる信号がその周波数内容に依存した特定のリターンパスを持つ理由です。さらに、全てのグラウンドは非ゼロの抵抗を持っており、これが実際のグラウンドに関する次のポイントにつながります。

全てのグラウンドが0Vであるわけではない

浮遊している導体や、異なる電源を参照するシステム内の導体は、同じ0Vの電位を持っているとは限りません。言い換えると、異なる機器の2つのグラウンド参照が同じ参照に接続されている場合でも、それらの間の電位を測定すると、非ゼロの電圧を測定することになります。

これは、2つのデバイスが同じ導体をグラウンド接続として参照している場合にも発生することがあります。長い導体（例えば、マルチメーターで）を測定すると、電位差がゼロでない可能性があり、これは導体に沿って一定の電流が流れていることを意味します。大きなグラウンドや2つのグラウンド接続間のこの電位差は「グラウンドオフセット」と呼ばれます。大規模なマルチボードシステムや、産業用およびネットワーク機器のような分野では、グラウンドオフセットは差動信号を使用する理由の1つです（例：CANバス、イーサネットなど）。差動プロトコルは2本のワイヤー間の電圧差を使用するため、それぞれのグラウンド参照は関係なく、信号は依然として解釈できます。

電子機器におけるグラウンドの種類

電子機器では、PCB設計に関わるさまざまな用語で新しい設計者が混乱しやすいです：デジタル、アナログ、システム、信号、シャーシ、およびアースグラウンド。それに、グラウンドを表すシンボルが混在しており、しばしば誤用されることがありますが、私も便宜上そうしてしまうことが確かにあります。とはいえ、電気および電子工学で使用されるいくつかの標準的なグラウンドシンボルがあり、それらは電子回路図にも使用されます。

IEC 60417基準で定義されたシンボルを使用して、回路図で呼び出される接地の異なるタイプがあります。PCB設計で通常使用される一般的なシンボルは以下の通りです：

信号接地シンボルは、デジタルまたはアナログ接地に使用できますが、正しいネット名を適用することを確認してください（私は時々、アナログ接地にはAGND、デジタル接地にはDGNDを使用します）。PCBシャーシ接地は、システムの構造や電力の受け取り方によって、時にはアース接地に戻されることがあります。最後に、安全接地は、中性線を介して直接アースに接続されることがあるか、シャーシに接続されるか、または低インダクタンスのシャーシ接続を介してアースに接続されることがあります。

アース接地

電子工学における「アースグラウンド」、または単に「アース」とは、文字通り地球への接続を指します。言い換えれば、地球の電位を我々の0Vグラウンド基準として使用しています。電力線を運ぶ電柱を見たことがある人なら、時々、電柱の側面を下って土に入っていくワイヤーを見かけることがあるでしょう。これはアースグラウンド接続ですが、ケーブルに沿った土壌内の抵抗が高いため、不完全です。しかし、アースを使用することで、望ましいグラウンド接続の特徴である大きな電荷の貯蔵庫を提供します。この接続は、負荷が電力を引き出すときに電流を運ぶためのものではなく、不要な電流（例えば、ノイズやESDイベント）を散逸させるときにのみ電流を運びます。

PCBシャーシグラウンド接続

電子機器において注意すべき重要な点の一つは、すべてのシステムにシャーシグラウンド接続があるわけではないということです。通常、この用語はエンクロージャ内の金属製シャーシを指し、シャーシに接続が行われます。3線式ACシステム（ホット、ニュートラル、グラウンド線）や3線式DCシステム（DC+、DCコモン、グラウンド線）では、シャーシグラウンドは通常、システムのプラグに電力が入る点でアースグラウンドに接続されます。システムの一部は、ノイズを沈めるためや安全上の理由（例えば、ESD保護）でPCBシャーシグラウンドに接続されることもあります。以下に示す例のように、この配置は3線接続のACまたはDC入力に対して共通モードノイズフィルタリングを提供します。

このタイプのアースグラウンド接続は3つの機能を提供します：

1. シャーシがグローバル0Vグラウンド基準電位に設定されるため、シャーシはファラデーケージとして機能し、広帯域のシールドを提供します。
2. 不要な電流（ESD、ショート、ノイズ）をアースに戻す安全機能を提供します。これが、シャーシグラウンドを「安全グラウンド」と呼ぶ理由の一つです。
3. この入力EMIフィルターにおいて、フェライトや大きなチョークをボードに配置することなく、共通モードノイズに対する低インピーダンスのシンクを提供することができます。

バッテリー駆動のシステムや、単純な2線式DC電源接続のシステムでは、PCBのグラウンドプレーンを取り付け穴を通じてシャーシに接続することができます。ここでの考え方は、アングラウンド（接地されていない）導体がキャパシティブカップリングによりシャーシに電流を誘導することで放射体として機能する可能性があるため、浮遊導体が存在しないようにすることです。接地されていないシャーシやボード内の他の浮遊導体は、接地に接続することで簡単に排除できる放射EMIの源となることがあります。

アナログとデジタルのグラウンド

アナログとデジタルのグラウンドは、アースとシャーシのグラウンド接続とは異なる問題です。通常、PCB上では上記のようにシャーシのグラウンド接続と、安全のためのアースグラウンドへの接続を持つことができます。一方で、アナログとデジタルのリターンパスの両方をサポートするPCB上にグラウンドプレーンを持つべきであり、物理的に分離されたグラウンドネットを持つべきではありません。これら物理的に分離されたグラウンドは、特に平行板導波管周波数でスタックアップで重なった場合に強い放射放出を生じさせる可能性があります。代わりに、PCB内で単一のグラウンド基準上で全てを行うべきです。

これらのアナログとデジタルのグラウンドに関するポイントをさらに学ぶには、物理的に分離されたグラウンドプレーンを使用すべきでない主な理由を説明しているこのスターグラウンディングに関する記事を読んでください。

信号グラウンドをアースに接続すべきですか？

このようなことを直接行うことはあまりありません。これは、テスト中の高電圧DCバッテリーやPSUなどの類似システムの場合に適切かもしれません。一般的に、シャーシグラウンドは地球に接続され、その後、PCBグラウンドプレーンを参照する回路（例えば、整流器の前の入力EMIフィルター）に接続されます。絶縁されていない3線式ACシステム、またはDCに整流される3線式ACシステムでは、回路内の信号参照グラウンドを地球に接続すると、ACまたはDCラインの負の線を単にショートさせてしまいます。これを行わないでください。なぜなら、シャーシが大きな電流を運ぶ導体になる可能性があるからです！これにより、高電圧/電流システムでは感電のリスクが、高周波システムでは強烈なEMIが発生する可能性があります。これが行われると、その経路が地面に戻る最小のリアクタンスの経路である限り、電流は地球接続に戻るように動きます。そして、その経路は、高電流を運ぶデバイスに触れる人を通るかもしれません。

2線式システム（アース接地なし）では、信号グラウンドをシャーシに戻す方法や、そもそも接続するべきかについて、さまざまなガイドラインがあります。一部のガイドラインでは、多点接地が許可されているとされていますが、他のガイドラインでは、I/Oの近くで単一点接地を使用すること、または安全のために電源コネクタの近くで単一点接地を使用することが推奨されています。システム全体でRFノイズが問題となる場合、ノイズを散逸させるために複数の点でシャーシに接続することができますが、スタックアップを正しく構築していないために、レイアウトにより大きな問題が発生しており、デバイスが単に多くの無線エネルギーを受け取っている可能性があります。スタックアップを正しく構築することに焦点を当てれば、基板上に接地穴の接続を随所に施す必要はなくなり、数か所でのみ必要となるでしょう。この場合、アースへの接続を行うべきではありません。

PCBグラウンディング技術に関する要約

PCBは電子機器を保持する容器であるため、シャーシ接地を正しく行うことが重要です。上述の通り、シャーシ接地戦略は安全性、EMI/EMC、システム設計に関連しているため、正しく行うことが重要です。設計内に複数のPCBグラウンドが存在することが混乱を招くかもしれませんが、最高の回路図エディタツールとPCBレイアウトソフトウェアは、物理レイアウトを作成する際に設計全体を通じてグラウンドネットを追跡し続けるのに役立ちます。

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