多層スタッキングにおける PCB 接地面のベストプラクティス

PCB 設計に最新の CAD ツールを使い始めたとき、私は PCB の接地についてかなり単純な見方をしていました。物理学者として、私は基準電位、像電荷、および電磁理論の他の多くの用語に従って物事を考えるように訓練されてきました。最初の PCB の製造が完了し、設計に異常なノイズや EMI が発見されると、アースを明確に定義することの重要性がより明白になります。

スタックで PCB グランドプレーンを使用することは、電力と信号の完全性を確保し、低 EMI を維持するための最初のステップです。しかし、接地プレーンに関するいくつかの間違った記述がまだ存在しているようであり、経験豊富な設計者が PCB レイアウトで接地を定義するときにいくつかの単純な間違いを犯しているのを見てきました。過度の放射を防ぎ、レイアウトでシグナルインテグリティを確保することに関心がある場合は、次の簡単なガイドラインに従って、次のボードで PCB グランドプレーンを実現してください。

なぜ PCB 接地板を使用するのですか?

設計で接地と PCB 接地を使用する方法を概説する前に、接地を達成するのに役立ついくつかの重要な設計目標があります。

明確に定義されたインピーダンス: 信号を特定のシステムインピーダンス (通常は 50 オーム) を持つ他のコンポーネントに接続できるように、高速/高周波インターコネクトには明確に定義されたインピーダンスが必要です。

リターンパス: PCB グランドプレーンは、相互接続上の電流に明確なリターンパスを提供します。この電流は、変位電流の形でグランド領域に伝播します。これにより、ループインダクタンスが小さくなり、低 EMI 放射が保証されます。これが、多層 PCB スタックでグランドプレーンまたは接地された銅粉を使用する主な理由です。

PCB board

EMI シールドと抑制: EMI は双方向であり、設計の接地銅は外部 EMI ソースをシールドできます。

電源のデカップリングと安定化: これはおそらく、多層 PCB でグランドプレーンを使用する最も知られていない理由です。大きな電源プレーンとグランドプレーンのペアは、大きなデカップリングコンデンサとして機能し、回路基板上の電源を安定に保つのに役立ちます。

場合によっては、分割プレーンではなくセクションに銅を鋳造することによって、上記の設計目標を達成することが難しい場合があります。これらの配線の問題は、適切に定義されたグランドプレーンを維持することと同様に、EMI につながる大きなループインダクタンスを作成する可能性があります。

グランドプレーンが均一であっても、システムのレイアウトがコンパクトでない場合は、長いリターンパスが形成されることに注意してください。基板全体にジグザグ配線を形成する必要はなく、この場合、グランドプレーンを統一してもEMIの問題は解決しません。

複数の地面参照を処理する方法

多くの場合、回路図には 2 つの異なる接地グリッドがあり、それらを PCB にコピーします。例として、これは、電気的に絶縁された電力コンバーター (共振 LLC コンバーターなど) や、システムの高/低電圧側またはデジタル/アナログ側に独自の接地領域がある多くの産業用イーサネット設計で一般的です。接地領域は、0 オームの抵抗器またはコンデンサを介して互いに結合されます。

回路基板に複数の接地が必要な場合、PCB レイアウトと配線戦略では、実際の接地基準がどこにあり、リターン電流が基準グリッドにどのように伝播するかを考慮する必要があります。これは、上記の表のポイント 1 と 2 に関連しています。経験豊富な設計者が時代遅れの設計慣行に従っているのを見るのは今でも一般的であり、これが EMI 問題を引き起こします: グランドプレーンを複数の銅鋳造領域に分割します。 PCB グランドプレーンがこの方法で分離されている場合、明確なリターンパスを定義することは困難であり、大きなループインダクタンス、不適切なインピーダンス、および放射 EMI につながります。

分割の理由としてはいけないこと

以下に示すレイアウトの例を考えてみましょう。この例では、トップレベルで物理的に分離された 2 つの接地領域があります。レイヤ 3 には GND 領域を同じポリゴンにバインドするための縫製ビアがあり、レイヤ 2 には他の低速信号があります。

より遅い信号を処理したい場合、この特別な配置の寄生ループインダクタンスはそれほど大きくないため、EMI に関しては非常に優れている可能性があります。 USB を扱っているので、USB を安全に使用し、これらの領域の下に均一なグランドプレーンを配置するのが最善です。銅鋳造では、このギャップの下にグランドプレーンがないため、差動インピーダンスの不連続が発生し、コンデンサを通る長いリターンパスが発生します。このリターンパスのループインダクタンスは高くなり、EMI とクロストークが大きくなります。

個人的には、このタイプのシステムで分離する理由 (たとえば、低電圧領域と高電圧領域、オペレータの安全性の問題、いくつかの業界標準、等。）。電流分離が必要で、高速リターンパスが設計されていない場合を除き、均一なグランドプレーンのみを使用する必要があります。また、表面層全体をグランドに流し込み、メイン PCB ボードのグランドプレーンに接続することもできます。グランドプレーンのギャップに配線するときに見られる放射 EMI 問題を排除し、表面層の異なる信号間の高度な分離を確保します。

要約すると、明確なリターンパスを提供する必要がある場合は、PCB グランドプレーンを使用し、グランドプレーンにギャップやギャップを配置して、異なるコンポーネントブロックで領域を作成しないでください。 PCB の異なる部分間のリターンパスがオーバーラップしてクロストークを生成しないようにするために、いくつかのテクニックが必要です。

何らかの理由で、異なるグランドエリアでスターグラウンディング戦略を使用する必要がある場合、どのような状況でも、異なるグランドプレーンエリア間の非グランドエリアでデジタル信号のルーティングを開始しないでください。これが、高放射 EMI および EMC テスト不合格の秘密です。 PCB アセンブリおよび PCB 処理メーカーは、多層スタッキングにおける PCB グランドプレーンのベストプラクティスを説明しています。