ECS Inc. Internationalのグローバル テクニカル セールスおよびマーケティング担当副社長David Meaney氏とヨーロッパ事業部長Dean Clark氏が執筆したこの記事では、PCB設計においてボード サイズを縮小し、統合性を高める方法について説明します。
プリント基板をレイアウトしてコンポーネントを受け入れ、最高のパフォーマンスを発揮できるようにすることは、クロック信号やそのルーティングなどの複雑な作業です。業界標準のルールに従えば、複雑な数式や高価なシミュレーション ツールを必要とせずに、電磁干渉の問題を最小限に抑えることができます。
PCBレイアウトがますます重要になっている理由は、ボードのサイズを縮小し、統合性を高める傾向があるためです。フォームファクタの小型化と電子機器の低消費電力化により、さらなる検討が必要になります。スイッチング周波数が高くなるほど、生成される放射線も大きくなります。適切なレイアウトにより、多くのEMI問題を最小限に抑え、必要な仕様を満たすことができます。以下に、ECS Inc. Internationalが優れたエンジニアリング プラクティスとして推奨する推奨事項をいくつか示します。
- Crystalプリント回路基板 (PCB) 設計ガイドライン
- • 水晶とPCB上の外部負荷コンデンサを、チップの発振器入力ピンと出力ピンにできるだけ近い位置に接続します。
- • 発振回路内のトレースの長さはできる限り短くし、他の信号線と交差しないようにする必要があります。
- • トレース上で直角に曲がらないようにしてください。
- • 3次倍音水晶を使用する場合は、負荷コンデンサCX1、CX2、CX3に共通のグランド プレーンがあることを確認します。
- • PCBを介して結合されるノイズを最小限に抑え、寄生を可能な限り減らすために、ループは可能な限り小さくする必要があります。
- • 水晶振動子の下にグランド（GND）パターンを配置しないでください。
- • 多層PCBの場合、水晶ユニットの下にデジタル / RF信号ラインや電源を配線しないでください。
- 発振器プリント回路基板 (PCB) 設計ガイドライン
- • 発振器のフットプリントをPCB上で負荷またはチップの入力ピンにできるだけ近い位置にレイアウトします。
- • トレースの長さはできる限り短くし、他の信号線と交差しないようにする必要があります。
- • トレース上で直角に曲がらないようにしてください。45の静電容量が増加する° コーナー領域によってトレースの特性インピーダンスが変化し、反射が発生します。これは直角を丸めることによって軽減できます。
- • 直列終端を使用して、ソースと終端間の定在波を減らします。これは、発振器の出力ピンにできるだけ近いところに抵抗器を直列に挿入することによって構築されます。適切なインピーダンス整合のためには、クロック ドライバーの出力インピーダンスと直列終端抵抗がトレース インピーダンスと等しくなければなりません。
- • 差動出力トレースをできるだけ同じ長さに近づけてください。これにより、トレース間の結合係数が増加し、ノイズが共通モードに持ち込まれますが、差動入力ステージでは問題が少なくなります。
- • 発振器を共通のグランドプレーンに接続することをお勧めします。
- • 水晶振動子の下にグランド（GND）パターンを配置しないでください。寄生容量が追加されます。
- • ノイズが追加されるため、多層PCBの発振器の下にデジタル/RF信号ラインや電源を配線しないでください。
ピアス発振器レイアウト
上記の点は、マイクロプロセッサで使用されるピアス発振器のアプリケーションにとって重要です。4パッド水晶を使用したピアス発振器の回路と一般的なレイアウトを以下に示します。
 典型的な水晶/共振器ピアス発振器 |
 典型的なPCB水晶ピアス発振器 |
水晶発振器ループは、発振器周波数では入力インピーダンスが低くなりますが、共振周波数範囲外では入力インピーダンスが高くなります。この高インピーダンス特性は、近傍に電界が印加されるとEMIの影響を受けやすくなります。新しいテクノロジーでは、発振器の信号レベルが1V未満に制限されているため、影響を受けやすくなっています。
浮遊PCB容量を低く保つことの重要性を強調するために、計算ではCsが強調されています。水晶のCLが低いほど、浮遊PCB容量が設計に与える影響が大きくなります。
他の回路との接地電流を避けるために、負荷コンデンサC1/C2への接地接続はできるだけ短くする必要があります。多くの場合、XTAL INピンとXTAL OUTピンはプロセッサ上で隣接しています。寄生容量が問題になる可能性があるため、トレースはできるだけ短く保ちながら、できるだけ離して配線する必要があります。
- • 一般的に見られる静電容量は次のようになります。
- • XTAL INからグランドまで: 1pF
- • XTAL OUTからグランドまで: 2pF
- • XTAL INからXTAL OUT: 0.5pF
最も一般的な水晶タイプにはシームシールされたケースがあり、ケースの蓋は電気的に接地ピンに接続されています。このタイプのパッケージでは、蓋からのEMIの可能性を減らすためにピンを接地することが推奨されます。シームシールされたパッケージの方がパフォーマンスが優れていることに注意してください。代替の密封方法はガラス密封結晶であり、このプロセスにより、蓋は接地ピンから分離されます。このタイプのパッケージでは、水晶のグランド ピンを接地することは推奨されません。
電磁両立性（EMC）
電磁両立性は、電気部品、機器、システムがその環境内で設計どおりに機能する能力です。これは、電磁エネルギーの意図しない生成、伝播、受信を制限することによって行われます。これらの望ましくないノイズ源は、電磁干渉 (EMI) として知られています。EMCの目標は、共通の電磁環境内でさまざまな機器を正しく動作させることです。
グラウンドプレーン
グランドプレーンは、アナログまたはデジタル回路とコンポーネントの混合で使用する場合に効果的です。接地接続は、レイアウト全体に均一に行われるのではなく、必要に応じて行われます。
グランドプレーンは、単に空きスペースをすべて銅で埋めてグランドに接続するだけでは作成されません。その機能は戻り電流の流れを可能にすることであり、理想的なレイアウトでは戻り電流の中断が最小限に抑えられる必要があります。そのため、多層基板が使用されます。均一なレイヤー全体をグランドに、1つを電源に、もう1つを信号に充てることができます。これにより、層間容量の分布が向上します。また、高周波で電源とグランド間のインピーダンスが低いという追加の利点もあります。
個々の穴はグランドプレーンに影響を与えませんが、大きなスロットは影響を与えます。グランドプレーンが他のトラックや穴によって中断されると、通常の低インダクタンス電流の流れが障害物の周りを迂回され、インダクタンスが効果的に増加します。
中断は、高di/dtフローのラインを横切らない場合にのみ許容されます。高いスイッチング電流や高速ロジック エッジを伝送するコンポーネントの下のトラックは、誘導容量を引き起こします。たとえ2つのグランドプレーン セグメントを相互接続する非常に狭いトラックであっても、何もないよりはましです。高周波では、デジタル ロジックのエッジ遷移も含め、電流は磁束が最も少ない経路をたどる傾向があります。これは、グランド プレーンの戻り電流が対応する信号トラックの下に集中することを意味します。
一部の基板メーカーは、基板の反りやはんだレジストのひび割れにつながる可能性があるため、広い範囲の銅を残すことを推奨していません。これが問題になる可能性がある場合は、効果を低下させることなく、ソリッド グラウンド プレーンをクロスハッチ パターンに置き換えることができます。グランドプレーン、またはボード表面上の他の大きな銅領域に半田付け接続するには、半田パッドをグランド領域から「切り離し」、短いトラックを使用して接続する必要があります。これにより、はんだ付け中にグランドプレーンがヒートシンクとして機能するのを防ぎ、接合部の信頼性を高めます。
電磁干渉
(EMI) 放射 - EMI
放射エミッション (またはEMI) テストとは何ですか?放射放出テストでは、製品によって意図せずに生成される放出の電磁場強度を測定します。放射は、あらゆるデジタル回路内のスイッチング電圧と電流に固有のものです。これにより、排出レベルがわかり、それがシステムまたは周囲のシステムのパフォーマンスに影響を与えるかどうかを判断できます。
一般的な放射障害モード
放射放出を引き起こす可能性のある設計や電気機械的な方法は、事実上無限にあります。以下に、EMI設計に関する一般的な問題をいくつか示します。
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伝導性 - EMI
すべての電子機器は電磁エネルギーを生成し、その一定部分は電源に伝導され、外部電源に結合される可能性があります。
デバイスが電源に逆結合する干渉の量を制限するために、テスト ラボではこれらの放射を測定します。通常、150 kHz ～ 30 MHzの帯域幅での放射に関心があります。放射をチェックし、指定された制限に準拠していることを確認します。
EMIテストの手順とレベルは、CISPR (国際無線干渉特別委員会) によって管理されています。詳細については、国際電気標準会議のWebサイトをご覧ください。
排出ガス試験
ANSI C63.4に従って、LISN (またはLISN群) は地面に設置され、製品はテーブルの上に置かれます (または、機器が大きい場合は床に置いたままになります)。LISNのRFポートは、スペクトル アナライザーに直接接続されます (または、電圧スパイクによる損傷を防ぐために過渡リミッターを介して接続されます)。
伝導放出の適用範囲
伝導放出テストは通常、AC電源に接続されたデバイスで実行されます。これは、事前に認定されたAC-DC電源アダプターを使用しているかどうかに関係なく当てはまります。一部の規格では、DC電源で動作するデバイスにも制限が設けられています。
伝導放出に関する推奨事項
伝導放出コンプライアンスのための回路設計について詳しく説明する必要はありませんが、伝導放出テストに不合格になるリスクを最小限に抑える簡単な方法がいくつかあります。
- • 必ず、通過する必要のある制限に適合する定格の電源を調達してください。
- • デバイスが「クラスB」デバイスである場合は、必ずクラスBアダプターを入手してください。クラスAの制限にのみ合格したアダプタでは、システム合格にはならない可能性があります。クラスBアダプターはクラスB伝導放射の合格を保証するものではありませんが、確実に役立ちます。
- • 同様に、より厳しい軍事、医療、自動車、航空宇宙の制限については、常に、仕様が関連する制限に準拠していると主張する供給元を調達してください。
- • テスト ラボには少なくとも3つの異なる電源を持参してください。
- • デバイスが外部AC-DC電源アダプターを使用する場合は、念のため、異なるメーカーの同等品をご持参ください。失敗した場合は、交換して、他のサプライ品で合格するかどうかを確認できます。
- • 電源レールのリップルを確認してください。
- • 良好なクリーンな電源を使用している場合、PDNとデカップリングの状態も良好である可能性が高いです。スイッチング電源から過度のリップルやスパイクが見られる場合、このノイズは電源のAC側に存在する可能性があります。
- • ノイズ結合を避けるためにアナログ グランドとデジタル グランドを分離するなど、グランド プレーンを分割する重要な理由がある場合は、グランド プレーンを分割するとスロット アンテナとして機能して放射する可能性があるため注意が必要です。このような場合は、分割されたグランド プレーンを1点でのみ接続します。共通接地接続の数が増えると、作成されるループの数が増え、設計から放射されるEMIも増えます。
- • 多くの設計にはバイパス コンデンサとデカップリング コンデンサが含まれており、それらをグランドに接続することで戻り電流パスを減らすことができます。これにより、グラウンド ループのサイズが縮小され、放射も減少します。電源プレーンと無関係のグランドプレーンの間にバイパス コンデンサを接続しないようにしてください。容量結合が発生する可能性があります。
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