2層のPCBのGNDプレーン

私が若くてハングリーな大学院生だった頃、最初に設計したPCBは、いくつかのセンサーからアナログ信号を収集するためのものでした。測定結果の電圧グラフを見ると、ノイズレベルがひどく、測定しようとしていた信号が完全にマスクされていました。私がすぐに気付いたのは、GNDプレーン接続で完全に失敗し、GNDループによって信号が歪められているということでした。

GNDプレーンの配置とGND接続の配線は、2つ以上のレイヤを持つPCBの設計において最も重要な手順の1つです。これらを正しく行うことで、EMI、クロストーク、GNDループを抑制できます。これらのノイズ源は信号の整合性を劣化させますが、GNDプレーンを正しい手法で設計すると、デバイスの最大性能を保証できます。

それでは、GNDプレーンはどこに配置するべきでしょうか?

PCB設計を始めたばかりの人は、GNDプレーン、EMI、配線などの用語をよく耳にすると思います。最初に設計するPCBは、おそらく2層の基板でしょう。これらの用語は確かに簡単に定義できますが、これらを全て組み合わせ、高品質のPCBを設計するにはどうすればいいのでしょうか?

2層のPCBでは、GNDプレーンは一般に基板の最下位レイヤで、信号のトレースと部品は最上位レイヤに配置されます。リターントレースを基板に配置し、各トレンドを電源のGNDリードに送る代わりに、信号をGNDプレーンに配線するほうが便利です。

これには、いくつかの理由があります。まず、リターン信号がGNDプレーンを通過する場合、リターン信号は対応する信号トレースと可能な限り近くを通るようにします。これにより、電気的信号を含む回路のループ領域が最小化されます。信号トレースとリターンとの間の距離が小さければ、回路ループはEMIやクロストークの影響を受けにくくなります。

正しい配線手法によりEMIを防止する

最大の性能を実現するGNDプレーンの設計

PCBレイアウトのGNDプレーンを配置するときは、トレースと電子部品の場所に注意する必要があります。一部の設計者は、最下位レイヤの全体にGNDプレーンを配置してから、電子部品を含む部分だけ削除する方法を使う傾向があります。この方法では、GNDプレーンで電子部品の周囲に伝導性のリングが形成され、問題を引き起こすことがあります。

この場合に引き起こされる問題は、GNDプレーンが部品の周囲にリングを形成すると、GNDプレーン自体がEMI干渉を受けやすくなることです。GNDプレーンに閉じた伝導性のリングが存在すると、コイルの働きをし、外部の磁場によってGNDプレーン内に電流が発生します。この電流はGNDループと呼ばれ、PCBの他の部分に過剰なノイズを引き起こすことがあります。

これは、レイアウト段階で留意しておくべき重要な問題です。部品の配置とトレースの配線には独創性が必要です。部品間のトレースが可能な限り短くなるよう、部品の配置を考えてください。トレースの配置を計画してから、それらのトレースの完全に下になるようGNDプレーンを配置します。

トレースの下にGNDプレーンを配置するとき、一部のトレースをカバーするために、GNDプレーンにどうしてもリングが形成されることがあります。このような場合、正しいレイアウトが得られるまで、基板上でトレースと部品を移動する必要があります。これには多少の時間が必要ですが、労力に十分に見合う効果が得られます。

正しい配線手法によりEMIを防止する

最後の手順では、スルーホールビアを使用してトレースをGNDプレーンに戻す必要があります。最上位レイヤからGNDプレーンへ多くのクイック接続を直接作成したくなるかもしれません。しかし、GNDプレーンへの複数の接続を作成すると、各ビアに電圧の差分が発生し、GNDループが形成されます。全てのトレースを単一のビアでGNDプレーンに接続するほうが適切な方法です。

2のPCBで複数のGNDプレーンを使用する

前に述べたトレース配線とGNDリングの問題があるため、PCBレイアウトで複数のGNDプレーンを使用するほうがよい結果になることもあります。これにより、配線と部品の配置が簡単になります。これは、ほとんどの多層PCB設計で一般的な方法です。

複数のGNDプレーンを使用する場合、互いにデイジーチェーン接続しないよう注意します。GNDプレーンがデイジーチェーン接続し、リターン場所を各プレーンに接続すると、単一のGNDプレーンの異なる場所にトレースの複数のリターンを配置するのと同じことになります。スター型トポロジーを使用し、各GNDプレーンを別々に電源に接続するほうが適切な方法です。これにより、GNDプレーンは互いに絶縁され、GNDループが回避されます。

2層のPCBでは、グリッド化と呼ばれる手法を使用して、GNDプレーンを効果的に作成できます。電力およびGNDトレースは差動形式で、電力ラインのペアのように配線されます。全てのGNDトレースは、空のPCB領域を可能な限り埋めるように拡大でき、残った空の領域全てをGNDプレーンで埋めることができます。この手法により、2層の基板でも、4層の基板と同レベルのノイズ低減が可能です。

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