PCB 設計時のベストプラクティスと考慮事項の詳細な説明

PCB を設計するときは、通常、インターネットで見つけた経験とスキルに頼っています。各 PCB 設計は、特定のアプリケーション向けに最適化できます。通常、そのデザインルールはターゲットアプリケーションにのみ適用されます。たとえば、A/D コンバータの PCB 規則は RF PCB には適用されず、その逆も同様です。ただし、一部のガイドラインは、どの PCB 設計でも一般的と見なすことができます。このチュートリアルでは、PCB 設計を大幅に改善できるいくつかの基本的な問題とテクニックを紹介します。

電力および信号分配

配電は、あらゆる電気設計において重要な要素です。すべてのコンポーネントは、その機能を実行するために電力に依存しています。設計によっては、一部のコンポーネントの電源接続が最適な場合もあれば、同じボード上の一部のコンポーネントの電源接続が最悪の場合もあります。たとえば、すべてのコンポーネントに 1 本のワイヤで電力が供給されている場合、各コンポーネントは異なるインピーダンスを観測するため、複数のグランド基準が発生します。たとえば、2 つの ADC 回路があり、1 つは最初に、もう 1 つは最後にあり、両方の ADC が外部電圧を読み取る場合、各アナログ回路はそれ自体に対して異なる電位を読み取ります。

電力分布は、単一点源、星型源、および多点源の 3 つの可能な方法で要約できます。

(a) 一点電源: 各コンポーネントの電源とアース線は互いに分離されています。すべてのコンポーネントの電源配線は、単一の基準点にのみ収束する必要があります。シングルポイントはパワーに最も適していると考えられています。ただし、これは複雑なプロジェクトや大規模/中規模のプロジェクトには適していません。

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(b) 星源: 星源は単一点源の改良と見なすことができます。その主要な特性により、それは異なります。コンポーネント間の配線長は同じです。スター接続は通常、さまざまなクロックを持つ複雑な高速信号ボードに使用されます。高速信号 PCB では、通常、信号は端から来て、中央に到達します。すべての信号は、回路基板の中心から任意の領域に送信でき、領域間の遅延は最小限に抑えられます。

(c) マルチポイントソース: いずれにせよ、最悪と見なされます。ただし、どの回路でも使用するのが最も簡単です。マルチポイントソースは、コンポーネント間および共通のインピーダンス結合で基準の違いを引き起こす可能性があります。この設計スタイルでは、高スイッチング IC、クロック、および RF 回路が、接続を共有する近くの回路にノイズを導入することもできます。

もちろん、私たちの日常生活では、常に単一の種類の分布があるとは限りません。達成できる最善の妥協点は、単一の点光源と複数の点光源を混在させることです。基本的に、アナログに敏感なデバイスと高速/RF システムは 1 つのポイントに配置する必要がありますが、その他の感度の低い周辺機器はすべて複数のポイントに配置する必要があります。

動力飛行機

電源プレーンを使用する必要があるかどうかについて考えたことがありますか? まあ、答えは大声である必要があります。電源ボードは、電力を伝送し、あらゆる回路のノイズを低減するための最良の方法の 1 つです。電源プレーンは接地経路を短くし、インダクタンスを減らし、電磁適合性 (EMC) 性能を向上させます。また、両サイドの電源プレーンにも平行平板型のデカップリングコンデンサが生成され、ノイズの伝搬を防いでいると考えられます。

電源基板にはもう 1 つの明らかな利点があります。面積が大きいため、より多くの電流を通すことができるため、PCB の動作温度範囲が広がります。ただし、電源層は動作温度を向上させることができますが、配線も考慮する必要があることに注意してください。追跡ルールは、IPC-2221 および IPC-9592 に記載されています。

RF ソース (または任意の高速信号アプリケーション) を備えた PCB の場合、回路基板の性能を向上させるために完全なグランドプレーンが必要です。信号は異なるプレーン上にある必要があり、2 層のボードを使用して 2 つの要件を同時に満たすことはほとんど不可能です。アンテナや複雑性の低い RF ボードを設計する場合は、2 つのレイヤーを使用できます。

混合信号設計では、メーカーは通常、アナログをデジタルから分離することを推奨しています。敏感なアナログ回路は、高速スイッチや信号の影響を受けやすいです。アナログとデジタルの接地が異なる場合、接地面が分離されます。ただし、違いには克服すべき独自の課題があります。主にグランドプレーンの不連続性に起因する、分割されたグランドのクロストークとループ領域に注意する必要があります。

電磁両立性と電磁干渉 (EMI)

高周波設計 (RF システムなど) の場合、EMI は大きな欠点となる可能性があります。前述のグランドプレーンは EMI の低減に役立ちますが、PCB によっては、グランドプレーンが他の問題を引き起こす可能性があります。 4層以上のラミネートでは、航空機の距離が重要です。面内容量が小さいと基板上で電界が広がります。同時に、2 つのプレーン間のインピーダンスが減少し、リターン電流が信号プレーンに流れるようになります。これにより、プレーンを横切る高周波信号に対して EMI が発生します。

EMI を回避する簡単な解決策は、高速信号が複数の層を通過しないようにすることです。デカップリングコンデンサを追加します。また、信号配線の周りに接地ビアを配置します。下の図は、高周波信号を使用した優れた PCB 設計を示しています。

フィルタノイズ

バイパスコンデンサとフェライトビーズを使用して、コンポーネントから発生するノイズをフィルタリングします。基本的に、高速アプリケーションで使用すると、どの I/O ピンもノイズ源になる可能性があります。これらのコンテンツをより有効に活用するには、次の点に注意する必要があります。

フェライトビーズとバイパスコンデンサは常にノイズ源のできるだけ近くに配置してください。自動配置や自動配線を行う場合、回路内の各部品の機能を知らないことが多いので、距離を考慮して確認する必要があります。フィルターとコンポーネント間のビアやその他の配線は避けてください。接地面がある場合は、複数のスルーホールを使用して適切に接地します。 PCB 処理工場の共有: PCB 設計のベストプラクティスと注意事項が詳細に説明されており、各 PCB 設計は特定のアプリケーションに合わせて最適化できます。