PCB レイアウトにおけるパワーインテグリティの基礎知識

長年にわたり、PCB レイアウトエンジニアは、この方法で電源と接地を扱ってきました。回路基板に VCC とグランドプレーンがある限り、ビアを挿入するだけで継続的な電源が得られます。しかし、今日の高速設計では、事実はまったく異なります。

回路基板の電源は、穏やかで絵のように美しい湖ではなく、嵐のような悪夢であり、ボートを水没させかねないさざ波と波に満ちています。高速回路に必要なコンポーネントには大量の電力が必要であり、スパイク信号が発生し、回路基板上の他のコンポーネントのスムーズな動作が脅かされます。回路基板の最高のパフォーマンスを得るには、この水の完全性を管理して、回路基板がすべてのニーズに対してバランスのとれた継続的な電源を提供できるようにする必要があります。次に示すのは、設計における電源ネットワークストームを沈静化するのに役立つパワーインテグリティの基本です。

パワーインテグリティの欠陥による回路基板の問題

むかしむかし、回路基板のコンポーネントは非常に単純でした。多くのコンポーネントには、1 つの電源と 1 つの接地ピンしかありませんでした。これらのデバイスは、回路基板の VCC およびグランドプレーンに簡単に接続できるため、特にスルーホールバージョンは非常に使いやすくなっています。バイパスコンデンサでさえ、デバイスの上部にあり、IC のピン 14 に簡単に配線できるため、配置と配線が簡単です。さらに、これらのコンポーネントは、電源ネットワークの小さな変動にはあまり敏感ではなく、信号速度は問題を引き起こすほど高速ではありません。しかし、今日の高速設計で使用されるコンポーネントにより、これらすべてが劇的に変化しました。

回路基板の電源ネットワーク (PDN) は、PCB を介してすべてのコンポーネントにクリーンな電力を供給するために慎重に管理する必要があります。優れた電力整合性を実現するように設計されていない回路基板には、回路基板の高速回路でのクロストーク電力リップルなど、多くの問題が発生する可能性があります。電力の完全性の低さが回路基板にもたらす可能性のあるさまざまな種類の問題をさらに調査します。しかし、最初に、これらの問題の結果を見てみましょう。

PDN の過度のノイズは、コンポーネントの必要な電圧レベルに影響します。許容レベルを下回ると、関連する回路が故障する可能性があります。

circuit boards

電圧がデバイスに必要な許容範囲内にある場合でも、PDN のノイズが信号のクロストークとして表示される場合があり、これらの信号を誤解する結果となります。

PDN ノイズは、電源ネットワークのプレーンと接続を介して EMI を放射する可能性があります。

上記の状況はすべて、テストおよびデバッグ中に設計者に大きな問題をもたらします。

明らかに、PCB 設計における優れた電力の完全性は、設計の成功にとって重要です。したがって、パワーインテグリティに関する基本的な知識を探ってみましょう。

これらのコンポーネントのレイアウトにより、短い直接配線が容易になり、電源の完全性に貢献します。

注目すべきパワーインテグリティの根拠

回路基板の優れた電力整合性とは、電力伝送ネットワークが安定した基準電圧を提供し、許容されるノイズと許容範囲内ですべての回路基板コンポーネントに電力を分配するように設計されていることを意味します。 PDN は、電源から関連する配線とビア、プレーンとコンデンサ、そして最終的に個々のデバイスに至るまで、システム全体に電力を均等に分配できなければなりません。ボード上の各デバイスは厳密に制御され、一貫した安定した動作を確保するために一貫した電圧が供給される必要があります。ピン数の多いプロセッサなど、これらのデバイスの一部は、動作するためにいくつかの異なる電圧と他のコンポーネントよりも高い電流を必要とします。これらのコンポーネントの要件は、PDN で管理する必要があります。そうしないと、回路基板上の他のコンポーネントに悪影響を及ぼします。 PCB アセンブリおよび PCB 処理メーカーは、PCB レイアウトにおけるパワーインテグリティの基本的な知識の分析について説明します。

グラウンドバウンス

高速設計におけるスイッチング速度の高速化に伴い、信号のローレベル状態が常に基準グランドレベルに戻るとは限りません。このグランドバウンスは、同期スイッチングノイズまたは SSN としても知られています。信号のローレベルが上にドリフトするため、最終的にはハイレベルと誤解され、誤ったデータ伝送が行われる可能性があります。

電力リップル

SMPS (スイッチングモード電源) のスイッチングにより、電源リップルが設計全体に広がります。これらのリップルは、クロストークを引き起こし、圧倒し、近くの回路の動作に干渉する可能性があります。

電磁妨害

設計が正しくない場合、スイッチ状態間で SMPS を切り替えると EMI が発生します。 EMI は、オンボード回路のスムーズな動作に影響を与えるだけでなく、外部の電子デバイスにも干渉します。 EMI は、回路基板の電源およびグランドプレーンの構成にも密接に関係しています。これらのプレーンは、PDN に電源とグランドを提供するだけでなく、効果的な EMI シールドとしても機能します。プレーン構成では、シールドも考慮する必要があります。

信号リターン経路

明確なシグナルリターンパスは良好なシグナルインテグリティを作成するための一部ですが、リファレンスプレーンは回路基板の PDN システムの一部であり、パワーインテグリティを設計する際に考慮する必要があります。高密度コンポーネントには、信号、電源、およびグランド接続用のビアが多数ありますが、これらのビアはリファレンスプレーンの明確なリターンパスをブロックします。さらに、電力要件によっては、設計者がプレーンを分割する場合があります。ただし、これらの分割は高速信号の明確なリターンパスに影響を与える可能性があり、より多くの EMI を生成するため、慎重に設計する必要があります。

基本的なパワーインテグリティの問題を確認したので、PCB レイアウトのベストプラクティスと、これらの問題を防ぐのに役立つパワーインテグリティの基本を見てみましょう。

PCB分布

優れたパワーインテグリティのための PCB レイアウトスキル

PCB レイアウト設計では、これまで議論してきた電源の完全性の問題を回避するために細心の注意が必要な領域を次に示します。

レイヤードスタッキング構成

回路基板の PDN は、回路基板スタックの層構成と密接に関連しています。敏感な信号配線用のマイクロストリップおよびストリップライン層構成を提供するために、グランドプレーンを戦略的に配置する必要があります。これらの層は、必要な明確な信号リターンパスを提供し、EMI シールドを提供します。すべての電力が各コンポーネントに確実に供給されるようにフロアプランをレイアウトすることも重要です。これには、異なる電圧用に電源層を分割する必要がある場合があります。最初に設計計画を策定することで、さまざまな機能分割をよりよく理解し、それに応じて PDN を構成できます。

コンポーネントの配置

コンポーネントが必要な電力を受け取るようにするには、PDN で基準電圧を慎重に管理する必要があります。これにより、地上爆弾によって引き起こされる敏感な信号の誤ったトリガーが防止されます。これは、複数のバイパスコンデンサを追加して PDN を安定させ、プロセッサやその他の電力消費コンポーネントのニーズを満たすことを意味します。これらのコンデンサは、接続先の電源ピンのできるだけ近くに配置する必要があります。このように回路基板の同じ側にコンポーネントをまとめて配置することも電源にとって重要です。これは、短くて直接的な配線が不可欠であるためです。電源ノイズがアナログおよびデジタル信号に干渉するのを防ぐために、回路のアナログ、デジタル、および電源部分を互いに絶縁することを忘れないでください。

トレースルート

電源端子からバイパスコンデンサまでの配線は極力短くしてください。電源を配線するときは、45 度の角度またはフィレットを使用して、これらのワイヤをできるだけ短く、太く、まっすぐにします。電源ネットワークの電流と温度を上げるには、より広い配線が必要です。同時に、ラインのインダクタンスを減らし、クロストークを防ぐのに役立ちます。 PDN 内のケーブルを短くすると、これらのケーブルがアンテナとして動作し、追加のノイズが発生する可能性も最小限に抑えられます。ノイズから保護するために、デジタルおよびアナログケーブルを電源領域から遠ざけることを忘れないでください。

ルーティングよりも、接地用にソリッドプレーンを使用することをお勧めします。これは、温度管理と電力の完全性に役立ちますが、敏感な高速伝送ラインに明確な信号リターンパスを提供することにより、信号の完全性にも役立ちます。ただし、カット、スプリット、またはビアの大規模なグループで明確な信号パスをブロックしないように注意してください。グランドプレーンを作成するときは、そのアウトラインに EMI シールドに寄与するすべてのコンポーネントが含まれていることを確認してください。そして、最も重要なことは、電力がすべてのコンポーネントに均等に分配されるように、平面分割を慎重に計画することを忘れないでください. PCB アセンブリおよび PCB 処理メーカーは、PCB レイアウトにおけるパワーインテグリティの基本的な知識の分析について説明します。

PCB 設計ツールには、設計で優れた電源の整合性を作成するのに役立つ多くの機能があります。次に、これらの機能を最大限に活用する方法を検討します。