PCBパワーレールが低インピーダンスである必要がある理由

私の記事や業界に提供されているPCB設計情報で何度も指摘されているように、インピーダンスを正しく設定することは、製品が適切に、そして設計通りに動作するために重要です。

製品開発フェーズで適切に対処されない場合、理解しにくく、課題となり得るのは、PCBの電源レールが低インピーダンスの電源である必要があり、信号上の過剰なリップルを避けることです。この記事では、この必要性について、電源レールエレクトロニクスが何であるか、それらがどのように機能するか、恐怖が悪い設計決定を下す要因となる方法、そして何が電源レールであるかを含めて取り上げます。

インピーダンスの概要

インピーダンスは、伝送線路の重要な特性です。これは、伝送線路がエネルギーの流れに対して示す抵抗です。インピーダンスは、抵抗、容量、およびインダクタンスの3つの寄生要素で構成されています。示されているように、寄生抵抗は直流または低周波数での伝送線路インピーダンスの主要な決定要因です。周波数が数キロヘルツを超えると、寄生インダクタンスのリアクタンスがエネルギーの流れを遮断または妨げる傾向があります。同時に、寄生容量はエネルギーを「グラウンド」またはプレーンにシャントする傾向があります。これら2つの要素が協力して、電磁場がすべての周波数で特定のインピーダンスを見るように働きます。

PCBパワーレールの定義

では、パワーレールとは何でしょうか？パワーレールとは、ある電圧用に使用されるプレーン層の全体または一部で、回路の機能を可能にするためにエネルギーを供給します。ほとんどのプリント基板では、いくつかの信号、しばしばその半分が、パワーレイヤー上をルーティングする必要があります。その結果、特定のパワープレーン上のリップルやノイズは、そのプレーン上をルーティングされている任意の信号にカップルされることが避けられません。

リップルは、電源のVccまたはVddレールに現れる電圧変動です。これらの変動は、電源レール自体によっても、供給電圧を低下させる変動負荷電流によっても生じることがあります。ノイズの観点から、設計によって生成される可能性のある10のソースがあります。それらには、

• 反射
• グラウンドバウンス
• グラウンドオフセット
• 熱オフセット
• トレースIRドロップ
• クロストーク
• グラウンドIRドロップ
• リファレンス精度
• ターミネータノイズ
• 電源変動

が含まれます。この議論では、ほぼすべてのロジックデバイスがCMOSであるため、ノイズの最も可能性の高いソースは反射、クロストーク、Vdd、およびグラウンドバウンスそしてVdd上のリップルです。

信号に過度のリップルが生じないようにするためには、PCBのレールは非常に低いインピーダンスを持つように設計されなければなりません。その結果、デルタIとリップルを見るとき、EDAツールを使用してインピーダンスがどのようになるかを計算すると、インピーダンスが比較的高くなるという回答が得られることがあります。それでもリップルレベルは満足のいくものになります。これは、デルタIが非常に小さい数値のときに起こります。インピーダンスは非常に高くなりますが、それは負荷がほとんどないためです。注記：一部の電源レールの電子機器は低電力ですが、この記事の議論の対象ではありません。

課題

PCBの電源レールを低インピーダンスに設計する際の課題は、電源レールが平面の一部であり、平面全体ではない可能性が高いことです。したがって、電源平面を分割する必要がありますが、そうすると隙間が生じます。その結果、隙間を越えて伝わる信号は、その返り電流の経路が隙間によって中断されたように見えます。この問題は、平面とその下のグラウンド層との間を非常に低インピーダンスにすることで解決され、返り電流がその非常に低インピーダンスの部分を通って隙間を越える道を見つけるようになります。

このアプローチにより、多くの設計ルールで不可能とされている平面の隙間を越えるトレースのルーティングに対処する必要がなくなります。図1は、この方法で設計された隙間を越える信号の測定データを示しています。青いトレースは、それがルーティングされている平面の隙間を越える信号です。トレースの中央にある小さな上向きの反射が隙間の位置です。見ての通り、隙間を越える信号は中断されていません。（赤いトレースは隙間を越えない短いトレース上の信号です）。
 

これらすべての基礎となっているのは、グラウンドプレーンを切断しないという不変のルールです。グラウンドプレーンはすべてを結びつける構造であるためです。私たちの経験では、製品開発者がグラウンドプレーンに切り込みを入れる場合、想像上の問題を解決しようとしているか、あるいは一つの回路を別の回路から隔離しようとしているかのどちらかです。これに対する典型的で誤った理由付けは、アナログとデジタルのグラウンドを分離することです。これは、設計エンジニアが、ある部品にアナログ用とデジタル用の2つの異なるピンがあり、それがチップへの入り口を提供している理由を誤解している場合に発生します。これらのエンジニアは、しばしば、ボードの一方の側から他方へ望ましくない干渉があるのではないかという恐怖心から行動しています。その結果、最終的には想像上の問題を隔離するためにボードを切断してしまいます。

以前の状況は、製品開発者がシミュレーション中にPCBの一方の側と他方の側との間に差異や望ましくない干渉が存在し、それが問題を引き起こすほど重大であることを見てきたことから生じる可能性があります。このタイプのシナリオに直面した場合、私たちは実際の動作するハードウェアからの測定データを見せてもらうように求めます。この種の証拠を通じてのみ、問題が容易に確認できます。

要約

信号の過剰なリップルを避けるために、PCBの電源レールは低インピーダンスでなければなりません。電源レール回路は、おそらく平面の一部であり、平面全体ではないため、電源平面を分割する必要があります。これによりギャップが生じ、これらのギャップが電流の戻り経路を妨げるように見えます。これは、戻り電流がこれらのギャップを越えて見つけるように、その平面の部分を低インピーダンスにすることで解決されます。

さらに質問がありますか？ Altium の専門家に電話して、次のPCB設計でどのようにお手伝いできるかを発見してください。