基板をESDから保護するための正しいPCB配線とPCBレイアウト

私がランニングを始めた頃、既に何回かウルトラマラソンを完走した友人と一緒に走っていました。彼女は家から何マイルも遠くまで走り、私と一緒に短いループを走ってから、私と離れてさらに走り続けました。私が速くなると、彼女は早く家に帰る代わりに、ループを長くしました。彼女はこれに関して巧妙でもありました。彼女は常に、私が早く引き返すと退屈なルート、または私が知らない新しいルートで、近道をできないように計画していました。

彼女は都市計画家として、ランニングのルートも意図的に好きなルートを選択していました。私は技術者として、まったく異なるもの、通常は走りやすい場所を望んでいましたが、彼女の意図も理解していました。結局のところ、私がPCBを設計するときも同じことが成り立ちます。私はコストや性能に関して特定の目標を達成するような配線を希望します。配線はESD保護においては特に重要で、ESDで引き起こされるEMIからコンポーネントを安全に保護するため役立ちます。

回路のループの最小化

私たちのランニングのルートは多くの場合に回り道のループでしたが、PCBにおいてはその逆を行うべきです。回路のループを最小限にすれば、ESDがPCB上で伝搬されることによる損傷を大幅に低減できます。これは、変動する磁束を囲むループには誘導電流が発生するためです。この磁束がESDによるものであれば、誘導される電流が予期せずコンポーネントへ流れ込むことにより、極めて破壊的な損傷が発生する恐れがあります。

場合によっては他の選択肢がなく、レイアウトにどうしてもループが必要な場合もあります。このような場合、ループの面積を最小限にします。誘導電流の大きさは、ループのサイズに比例します。

GNDプレーンの使用

多層基板を設計するときは、必ずGNDプレーンを使用すべきです。PCB上に形成される最も一般的なループは、電源からGNDへの配線です。これらのループは非常に遍在的なため、見逃されがちです。

GNDプレーンを実装できない設計者は、ビアのグリッドパターン（格子状パターン）を使用して電源とGNDとを接続します。これは基本的に配線のあるGNDプレーンをエミュレートするものです。これは格子と考えることができ、1つの線に沿ったいくつかのポイントで電源の接続が発生し、GNDの配線が直交した線に沿って接続されます。Semtechは非常に適切な例を用意しており、同社は6cmごとに接続を行うことを推奨しています。

同社は、電源とGNDとの配線を近くに保持することも推奨しています。ただし、これによって基板に、特にAC電源との間にエッチングが発生する可能性もあります。

グリッドパターンを使用して、電源とGNDとを接続すると、GNDプレーンを使用できないときに回路ループを最小化するために役立ちます。

配線経路の最適化

ループを最小化する以外に、互いに並列している配線を除去するよう心がけてください。これは、相互接続されているデバイス間の並列配線について特に重要です。並列した配線は互いに簡単に結合します。TVSにより保護されたラインが、保護されていない配線と並列している場合、保護回路にかかわらず、システム内でEMIの損害が簡単に伝搬される可能性があります。

次のレベルのESD抑制手法は、ガード配線を使用することです。長い信号線（Semtechでは30cm以上の配線を長いとしています）がどうしても避けられない場合、その代わりにガード配線を使用できます。ガード配線は高速な信号と並列に配置されます。つい直前で並列な配線は避けるようにと述べましたが、ガード配線は本質的に犠牲的なもので、放射フィールドのパターンの多くをキャンセルするための復帰パスとなります。このため、近くの配線が信号線からのクロストークを受けないように「ガード」できるわけです。

長い配線長の転換

高速なアプリケーションを設計する場合は、配線を短くすることの重要性について既に認識しているでしょう。PCB全体に意図しない放射アンテナや、長い線形ループが作成されることは避けるべきです。しかし、ここでも運命は過酷で、長い信号線や電力線がどうしても必要になる可能性があります。ただし、信号および接地線を転換すると、これらのループを細分化することが可能です。この場合、小さなループが多数作られるようになります。これはより線ペアを使うのと同じようなものですが、PCBレイヤー内で行われます。

PCB配線の転換は、EMIを低減するためより線ペアの配線を使用するのと似ています。

PCB配線のトレーニングのためであっても、配線を前もって計画することは、余分な時間を費やす価値があります。速度、性能、保護の改良は簡単に実現できるものではありませんが、その結果は長期的に自分の仕事にとって有利に働きます。配線を行ってくれる友人がいなくても、役に立つ優れたツールがあります。Altium DesignerなどのPCB設計用のソフトウェアは統一された設計および回路図の環境を提供し、PCBを正しく設計するために役立ちます。今すぐAltium Designerを使い始めましょう!