PCB EMC を改善するために PCB 設計で良い仕事をする方法は?

PCB の EMC 設計の検討において、最初に関係するのは層の設定です。 1 枚の基板の層数は、電源、グランド、信号の層数で構成されます。 製品の EMC 設計では、コンポーネントと回路設計の選択に加えて、優れた PCB 設計も非常に重要な要素です。

PCB の EMC 設計の鍵は、リフロー パスが設計した方向に流れるように、リフロー エリアをできるだけ小さくすることです。 層設計は PCB の基本です。 PCB EMC を改善するために PCB 設計で良い仕事をする方法は?

1. PCB層の設計思想:

PCB スタックの EMC 計画と設計のアイデアの核心は、信号の戻り経路を合理的に計画し、基板のミラー層からの信号の戻り領域を可能な限り最小限に抑え、磁束のキャンセルまたは最小化を行うことです。

1.ボード画像レイヤー

ミラー層は、PCB 内の信号層に隣接する完全な銅被覆プレーン層 (電源層、グランド プレーン) です。 主に以下の機能があります。

(1) リターン ノイズの低減: ミラー層は、信号層のリターンに低インピーダンス パスを提供できます。特に、配電システムに大きな電流が流れる場合、ミラー層の役割はより明確になります。

(2) EMI の低減: ミラー層の存在により、信号とリターン フローによって形成される閉ループの面積が減少し、EMI が低減されます。

(3) クロストークの低減: 高速デジタル回路の信号線間のクロストークの制御に役立ちます。 ミラー層からの信号線の高さを変えることで、信号線間のクロストークを抑えることができます。 高さが小さいほど、クロストークは小さくなります。

(4)信号の反射を防ぐインピーダンス制御。

2. ミラー層の選択

(1) 電源と接地面は基準面として使用でき、内部配線に一定のシールド効果があります。

(2) 比較的言えば、電源プレーンの特性インピーダンスが高く、基準レベルとの電位差が大きく、電源プレーンでの高周波干渉が比較的大きい。

（3）シールドの観点から、グランドプレーンは一般に接地されており、基準レベルの基準点として、そのシールド効果は電源プレーンよりもはるかに優れています。

(4) 基準面を選択するときは、グランド面が優先され、次に電源面が選択されるものとします。

3.磁束キャンセルの原理：

マクスウェルの方程式によると、離散荷電物体間のすべての電気的および磁気的作用または電流は、中間領域が真空であるか固体であるかに関係なく、それらの間の中間領域を介して伝達されます。 PCB では、磁束は常に伝送線路を伝搬します。 RF リターン パスが対応する信号パスに平行で近接している場合、リターン パスの磁束と信号パスの磁束は反対方向になります。 このとき、フラックスキャンセルの効果を得るためにそれらを重ね合わせる。

4. 磁束キャンセルの本質は、次のように信号リターン パスを制御することです。

信号層が地層に隣接している場合の磁束相殺効果を右手の法則を使用して説明する方法は次のとおりです。

(1) 電線に電流が流れると、電線の周囲に磁界が発生します。 磁場の向きは右手の法則で決まります。

(2) 下図のように 2 本の電線が近接して平行な場合、一方の導体の電流は外側に流れ、もう一方の導体の電流は内側に流れます。 これらの 2 つのワイヤを流れる電流がそれぞれ信号電流とそのリターン電流である場合、2 つの電流はサイズが等しく、方向が反対であるため、それらの磁場はサイズが等しく、方向が反対であるため、互いに相殺することができます。 .

5. 6層プレートの設計例

スキーム 3 は 6 層プレートに適しています。

分析：

(1) 信号層はリターン基準面に隣接し、S1、S2、S3 はグランド面に隣接しているため、磁束キャンセル効果が最も高くなります。 配線層Ｓ２が好ましく、次にＳ３、Ｓ１が続く。

(2) 電源プレーンは GND プレーンに隣接しており、プレーン間の距離は非常に小さいです。 最高の磁束キャンセル効果と低電源プレーン インピーダンスを備えています。

(3) 主電源とそれに対応するグランドはレイヤ 4 とレイヤ 5 に分散されます。レイヤの厚さが設定されると、S2-P 間の間隔が増加し、P-G2 間の間隔が減少します (G1-S2 間の間隔 これにより、電源プレーンのインピーダンスと S2 への電源の影響が減少します。

2. コストが高い場合は、スキーム 1 を採用できます。

分析：

(1) この構造は、信号層がリターン基準面に隣接し、S1 と S2 がグランド面に近いため、最適な磁束キャンセル効果があります。

(2) 電源プレーンは S3 と S2 を通って GND プレーンに達しますが、これは磁束キャンセル効果が低く、電源プレーンのインピーダンスが高くなります。

（３）配線層Ｓ１、Ｓ２が優先され、次にＳ３、Ｓ４が優先される。

3. 6 層パネルの代替案 4

分析：

要件が高い場合は、スキーム 3 よりもスキーム 4 の方が適しています。優れたケーブル層 S2 を提供できます。

4. 最悪の EMC 効果、スキーム 2

分析：

この構造では、S1 と S2 が隣接し、S3 と S4 が隣接し、S3 と S4 がグランド プレーンに隣接していないため、磁束キャンセル効果が低くなります。

6. まとめ

PCB レイヤー設計の具体的な原則:

(1) エレメント表面と溶接表面の下には、完全な接地面 (シールド) があります。

(2) 2 つの信号層が直接隣接するのを避けるようにしてください。

(3) すべての信号層は、可能な限りグランド プレーンに隣接する必要があります。

(4) 高周波、高速、クロック、およびその他の重要な信号配線層には、隣接するグランド プレーンが必要です。

製品の EMC 設計では、PCB コンポーネントの選択と PCB 回路設計に加えて、優れた PCB 設計も非常に重要な要素です。