PCB レイアウトでの一点接地と多点接地について説明する

PCB レイアウトでの一点接地と多点接地について説明する

PCB に適切な接地システムを提供することは、おそらく PCB レイアウトの最も重要な側面の 1 つです。 デジタル、アナログ、シャーシ、アースがあります。 それらの機能は、回路基板の全体的な性能にとって重要です。 回路基板の接地システムは、安定した基準レベルの維持から、信号と電流の明確なリターン パスの提供まで、すべての作業を実行します。

PCB 設計における一点接地と多点接地について学習し、次のレイアウトで接地を接続する際に知っておく必要がある知識を学習します。

一点接地と多点接地 - どっち？

プリント回路基板ではさまざまなグランドを使用できます。最も一般的な例の 1 つは、混合信号基板のデジタル グランドとアナログ グランドです。 設計に一点接地または多点接地が必要かどうかに応じて、接地を接続する必要があります。 両方のタイプを調べてみましょう。

一点接地

互いに異なる方法で接地された回路基板は、一点接地または「スター」接地と呼ばれます。 この方法は通常、低周波アプリケーションで使用され、ボード上に接続された接地点があります。 分割グランド プレーンの場合、デジタル グランド プレーンとアナログ グランド プレーンは、分割間のあるポイントで結合されます。

多点接地

この接地戦略は、より高い周波数で動作するボードに使用されます。 すべての接地回路が 1 つの平面上の 1 点で相互に接続されているわけではありませんが、すべての接地回路は同じ平面上で共有されています。 さまざまな回路が、低インピーダンス接続を介して基準接地面に接続されています。 接続を短くすると、高周波で発生する可能性のある EMI を減らすことができます。

一点接地システムは低周波数でより効果的に機能し、多点接地システムは高周波数でより効果的に機能します。 多くの場合、回路基板の電源ネットワークには一点接地と多点接地が混在しています。 ただし、問題を回避するために、接地システムの接続方法に関するいくつかの重要な点に留意する必要があります。これについては、次のコンテンツで紹介します。

接地面の不適切な構成

すべてのリターン電流が 1 点を流れる場合、1 点接地システムは問題を引き起こす可能性があります。 これにより、グランド プレーン全体の高周波電流の通常の流れが妨げられ、EMI が放射されます。 多くの場合、異なる回路がグランド プレーンを共有し、ボードの別の層に異なるリターン パスを提供する方が適切です。 信号が引き起こす磁気ループを減らすために、信号をリターン パスの近くに保つことも重要です。

分離プレーンのもう 1 つの問題は、グランド電流のループが発生する可能性があることです。 トレースを埋め込んだりプレーンを分割したりすると、リターン パスがブロックされ、誤ってループが作成される可能性があります。 グランド プレーンの完全性を維持し、ビア、スロット、またはその他の平面上の障害物の高密度領域など、リターン パスをブロックする状況を回避することが最善です。 デジタル グランド プレーンとアナログ グランド プレーンが別々にある場合は、それらの間の容量結合を最小限に抑えるために、オーバーラップせずに回路基板の異なる層に配置することをお勧めします。

PCB 設計では、通常、回路基板上の配線されていないネットワークをすべて表示し、配線と配線をワークフローの最優先事項に配置します。 ただし、実際には、各信号には、リファレンス プレーンを通ってソースに戻る必要があるリターン パスがあります。 グランド プレーンがこれらのリターン パスを伝導するように適切に設計されていない場合、信号のパフォーマンスが損なわれます。 したがって、レイアウト エンジニアは、設計された配線と接地の両方を考慮する必要があります。

不適切な配線は信号に問題を引き起こす可能性があり、設計が不十分な接地戦略は回路基板全体の動作を危険にさらす可能性があります。

グランド プレーンの PCB レイアウトのベスト プラクティス

レイアウトを開始する前に、すべての正しいパラメータと設定でボードをセットアップする必要があります。 このプロセスの一部は、製造コストと回路基板の配線密度およびシグナル インテグリティ要件とのバランスをとることによって、回路基板のレイヤ スタック構成を設定することです。 敏感な信号にはストリップライン層構成が必要であり、これには複数の電源の配線が必要になる場合があります。また、前述のように、回路基板の接地も要因の 1 つです。

ボードをレイアウトするときは、グランド プレーンを作成する方法を決定する必要があります。 通常、グランド プレーンは、銅の注入と呼ばれるプロセスによって作成されます。 設計者が平面プロファイルを描画すると、システムは設定されたパラメータに従って平面を形成します。

プレーン ストラテジを実装した後、設計者は配線を続行できます。 リファレンス グランド プレーンと組み合わせて配線する場合は、次の基本的な規則に留意してください。

分割面を横切らないでください。 信号の明確なリターン パスをブロックし、回路に多くのノイズを生成する可能性があります。

影響を受けやすい信号をルーティングする場合は、カップリングの基準面にできるだけ近い層に信号を配置してください。

レイヤを変更する必要がある場合は、レイヤをリファレンス プレーンのいずれかの側に制限して、明確な信号リターン パスを維持してください。

さらに多くのレイヤーを通過する必要がある場合は、信号ビアの隣にある接地されたトランジション ビアを使用して、信号のリターン パスを継続します。

電源とグランドの接続には、短く幅の広いルーティング ワイヤを使用してインピーダンスを減らします。

優れたシングルポイントまたはマルチポイントの接地システムを備えた回路基板を設計するために、設計者は多くの規則に従う必要があります。 幸いなことに、使用する PCB 設計ツールには、役立つ多くの機能が組み込まれています。

グランド プレーンを生成するための設計ツールをセットアップする

前述のように、DynamIC Shape Instance Parameters メニューを使用すると、グラウンド プレーンの作成または変更方法を簡単に制御できます。 ただし、制御が必要な電源と接地グリッドの他の側面もあります。 これらには、配線中に使用される配線幅と間隔、および使用されるスルーホールのタイプが含まれます。

上の図からわかるように、接地グリッドと電力グリッドはネットワーク カテゴリにグループ化され、さまざまなパラメータを簡単に制御できます。 Constraint Manager は、ボードのネットワーク、コンポーネント、および電気的特性から製造ルールまで、他の多くの側面を完全に制御できるスプレッドシート スタイルのインターフェイスを使用します。 Constraint Manager はそのルールをインポートまたはエクスポートできるため、新しい設計の既存のルールを使用して、新しい設計の制約をすばやく簡単に設定できます。 基板加工工場が、基板レイアウトにおける一点アースと多点アースについて解説し、次のレイアウトでアースを接続する際に知っておくべき知識を解説します。