EMCに基づくPCB設計技術の分析

コンポーネントの選択と回路設計に加えて、良い プリント回路基板 (PCB)設計も、電磁両立性において非常に重要な要素です。 PCB EMC設計の鍵は、リフロー領域を可能な限り減らし、リフローパスを設計の方向に流すことです。 最も一般的なリターン電流の問題は、基準面の亀裂、基準面層の変化、およびコネクタを流れる信号に起因します。 ジャンパーコンデンサまたはデカップリングコンデンサはいくつかの問題を解決する可能性がありますが、コンデンサ、ビア、パッド、および配線の全体的なインピーダンスを考慮する必要があります。 この講義では、EMCのPCB設計テクノロジを、PCBレイヤリング戦略、レイアウトスキル、配線ルールのXNUMXつの側面から紹介します。

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PCBレイヤリング戦略

回路基板設計の厚さ、ビアプロセス、および層の数は、問題を解決するための鍵ではありません。 優れた層状スタッキングは、電源バスのバイパスとデカップリングを確実にし、電源層またはグランド層の過渡電圧を最小限に抑えることです。 信号と電源の電磁界をシールドするための鍵。 信号トレースの観点から、適切なレイヤリング戦略は、すべての信号トレースを1つまたは複数のレイヤに配置することであり、これらのレイヤは電源レイヤまたはグランドレイヤの隣にあります。 電源の場合、適切なレイヤリング戦略は、電源層がグランド層に隣接し、電源層とグランド層の間の距離が可能な限り小さいことです。 これが「階層化」戦略と呼ばれるものです。 以下では、優れたPCBレイヤリング戦略について具体的に説明します。 2.配線層の投影面は、そのリフロー面層領域にある必要があります。 配線層がリフロープレーン層の投影領域にない場合、配線中に投影領域の外側に信号線があり、「エッジ放射」の問題が発生し、信号ループ領域も増加します、結果として差動モード放射が増加します。 3.隣接する配線層を設定しないようにしてください。 隣接する配線層の並列信号トレースは信号クロストークを引き起こす可能性があるため、隣接する配線層を回避できない場合は、XNUMXつの配線層間の層間隔を適切に増やし、配線層とその信号回路間の層間隔を適切に増やす必要があります。削減されます。 XNUMX.隣接する平面レイヤーは、それらの投影平面のオーバーラップを回避する必要があります。 突起が重なると、層間の結合容量により、層間のノイズが互いに結合するためです。

多層基板設計

クロック周波数が5MHzを超える場合、または信号の立ち上がり時間が5ns未満の場合、信号ループ領域を適切に制御するには、一般に多層基板の設計が必要です。 多層基板を設計する際には、次の原則に注意する必要があります。1。主要な配線層(クロックライン、バスライン、インターフェイス信号ライン、無線周波数ライン、リセット信号ライン、チップ選択信号ライン、およびさまざまな制御信号が存在する層)線が配置されている)は、完全な接地面に隣接している必要があります。できれば、図1に示すように、XNUMXつの接地面の間にある必要があります。主要な信号線は、一般に強い放射または非常に敏感な信号線です。 グランドプレーンの近くに配線すると、信号ループの面積が減少したり、放射強度が減少したり、干渉防止能力が向上したりする可能性があります。

図1主要な配線層はXNUMXつのグランドプレーンの間にあります

2.電源プレーンは、隣接するグランドプレーンに対して引っ込める必要があります(推奨値5H〜20H)。 リターングランドプレーンに対するパワープレーンの収縮は、「エッジ放射」の問題を効果的に抑制することができます。

さらに、図3に示すように、電源電流のループ領域を効果的に削減するために、ボードの主な動作電源プレーン(最も広く使用されている電源プレーン)をグランドプレーンに近づける必要があります。

図3電源プレーンはグランドプレーンの近くにある必要があります

3.ボードのTOP層とBOTTOM層に50MHz以上の信号線がないかどうか。 もしそうなら、空間への放射を抑制するために、XNUMXつの平面層の間で高周波信号を歩くのが最善です。

単層ボードと二層ボードの設計

単層および二重層ボードの設計では、主要な信号線と電力線の設計に注意を払う必要があります。 電力電流ループの面積を減らすために、電力トレースの隣に平行にアース線が必要です。 「ガイドアース線」は、図4に示すように、単層ボードのキー信号線の両側に配置する必要があります。5層ボードのキー信号線の投影面には、広い面積のアースが必要です。 、または単層ボードと同じ方法で、図XNUMXに示すように、「ガイドアース線」を設計します。キー信号線の両側にある「ガードアース線」は、一方で信号ループ面積を減らすことができます。また、信号線と他の信号線の間のクロストークを防ぎます。

一般に、PCBボードのレイヤリングは次の表に従って設計できます。

PCBレイアウトスキル

PCBレイアウトを設計するときは、図6に示すように、信号の流れ方向に沿って直線に配置するという設計原理に完全に準拠し、前後にループしないようにしてください。これにより、直接的な信号結合を回避し、信号品質に影響を与えることができます。 さらに、回路と電子部品間の相互干渉と結合を防ぐために、回路の配置と部品のレイアウトは次の原則に従う必要があります。

1.「クリーングラウンド」インターフェースがボード上に設計されている場合、フィルタリングおよび分離コンポーネントは、「クリーングラウンド」と作業グラウンドの間の分離バンドに配置する必要があります。 これにより、フィルタリングまたは分離デバイ​​スが平面層を介して相互に結合するのを防ぎ、効果を弱めることができます。 さらに、「クリーングラウンド」では、フィルタリングおよび保護デバイスを除いて、他のデバイスを配置することはできません。 2.複数のモジュール回路を同じPCBに配置する場合、デジタル回路とアナログ回路、および高速回路と低速回路を別々に配置して、デジタル回路、アナログ回路、高速回路、および低速回路。 また、回路基板上に高速、中速、低速の回路が同時に存在する場合は、高周波回路ノイズがインターフェースを介して外部に放射されるのを防ぎます。

3.回路基板の電源入力ポートのフィルター回路は、フィルター処理された回路が再び結合されないように、インターフェースの近くに配置する必要があります。

図8電源入力ポートのフィルター回路はインターフェースの近くに配置する必要があります

4.図9に示すように、インターフェイス回路のフィルタリング、保護、および分離コンポーネントは、インターフェイスの近くに配置されます。これにより、保護、フィルタリング、および分離の効果を効果的に実現できます。 インターフェイスにフィルタと保護回路の両方がある場合は、最初に保護してからフィルタリングするという原則に従う必要があります。 保護回路は外部過電圧・過電流抑制に使用しているため、フィルタ回路の後に保護回路を配置すると、過電圧・過電流によりフィルタ回路が損傷します。 また、回路の入出力ラインを結合すると、フィルタリング、アイソレーション、保護効果が弱くなるため、フィルタ回路(フィルタ)、アイソレーション、保護回路の入出力ラインが弱まらないように注意してください。レイアウト中に互いに結合します。

5.敏感な回路またはデバイス(リセット回路など)は、ボードの各エッジ、特にボードインターフェイスのエッジから少なくとも1000ミル離れている必要があります。

6.エネルギー貯蔵および高周波フィルターコンデンサーは、ユニット回路または電流が大きく変化するデバイス(パワーモジュール、ファン、リレーの入力および出力端子など)の近くに配置して、ループ面積を減らす必要があります。大電流ループ。

7.フィルタされた回路が再び干渉されないように、フィルタコンポーネントを並べて配置する必要があります。

8.水晶、水晶発振器、リレー、スイッチング電源などの強力な放射線デバイスをボードインターフェイスコネクタから少なくとも1000ミル離してください。 このようにして、干渉を直接放射するか、電流を出力ケーブルに結合して外向きに放射することができます。

PCB配線規則

コンポーネントの選択と回路設計に加えて、良好なプリント回路基板(PCB)配線も、電磁両立性において非常に重要な要素です。 PCBはシステムの固有のコンポーネントであるため、PCB配線の電磁両立性を強化しても、製品の最終的な完成に追加のコストがかかることはありません。 PCBレイアウトが不十分だと、電磁両立性の問題が解消されるのではなく、より多く発生する可能性があることを誰もが覚えておく必要があります。 多くの場合、フィルターやコンポーネントを追加しても、これらの問題を解決することはできません。 結局、ボード全体を再配線する必要がありました。 したがって、最初に優れたPCB配線習慣を開発するための最も費用効果の高い方法です。 以下では、PCB配線の一般的なルールと、電力線、接地線、信号線の設計戦略を紹介します。 最後に、これらの規則に従って、エアコンの典型的なプリント回路基板回路の改善策が提案されています。 1.配線分離配線分離の機能は、PCBの同じ層内の隣接する回路間のクロストークとノイズ結合を最小限に抑えることです。 3W仕様では、図10に示すように、すべての信号(クロック、ビデオ、オーディオ、リセットなど)をラインからライン、エッジからエッジに分離する必要があると規定されています。キー信号の近くに配置して、他の信号線によって生成される結合ノイズを分離します。

2.保護およびシャントラインの設定シャントおよび保護ラインは、ノイズの多い環境でシステムクロック信号などの重要な信号を分離して保護するための非常に効果的な方法です。 図21では、PCBの並列回路または保護回路がキー信号の回路に沿って配置されています。 保護回路は、他の信号線によって生成された結合磁束を分離するだけでなく、重要な信号を他の信号線との結合から分離します。 シャントラインと保護ラインの違いは、シャントラインを終端する(アースに接続する)必要はありませんが、保護ラインの両端をアースに接続する必要があることです。 結合をさらに減らすために、多層PCBの保護回路に、XNUMXセグメントおきにグランドへのパスを追加することができます。

3.電力線の設計は、プリント回路基板の電流のサイズに基づいており、電力線の幅は、ループ抵抗を減らすために可能な限り太くしています。 同時に、電力線と接地線の方向をデータ伝送の方向と一致させることで、ノイズ対策能力を高めることができます。 シングルまたはダブルパネルで、電力線が非常に長い場合は、デカップリングコンデンサを3000 milごとにグランドに追加する必要があり、コンデンサの値は10uF + 1000pFです。

アース線の設計

アース線の設計の原則は次のとおりです。

(1)デジタルグランドはアナロググランドから分離されています。 回路基板上に論理回路と線形回路の両方がある場合は、可能な限り分離する必要があります。 低周波回路の接地は、可能な限り一点で並列に接地する必要があります。 実際の配線が難しい場合は、部分的に直列に接続してから並列に接地することができます。 高周波回路は直列の複数点で接地し、接地線は短くリースし、高周波成分の周囲にはできるだけグリッド状の大面積接地箔を使用する必要があります。

(2)アース線はできるだけ太くしてください。 アース線が非常にタイトなラインを使用している場合、アース電位は電流の変化に伴って変化するため、アンチノイズ性能が低下します。 したがって、アース線は、プリント基板の許容電流の2倍を流すことができるように太くする必要があります。 可能であれば、アース線は3〜XNUMXmm以上にする必要があります。

(3)アース線は閉ループを形成します。 デジタル回路のみで構成されたプリント基板の場合、それらの接地回路のほとんどは、耐ノイズ性を向上させるためにループ状に配置されています。

信号線の設計

キー信号線の場合、ボードに内部信号配線層がある場合は、クロックなどのキー信号線を内層に配置し、優先配線層を優先します。 さらに、主要な信号線は、ビアやパッドによって引き起こされる基準面のギャップを含め、パーティション領域を横切ってルーティングしないでください。そうしないと、信号ループの領域が増加します。 また、キー信号線は、端の放射効果を抑制するために、基準面の端から3H以上離れている必要があります(Hは基準面からの線の高さです)。 クロックライン、バスライン、無線周波数ライン、その他の強力な放射信号ライン、リセット信号ライン、チップセレクト信号ライン、システム制御信号、その他の敏感な信号ラインの場合は、インターフェースや発信信号ラインから遠ざけてください。 これにより、強い放射信号線の干渉が出力信号線に結合して外側に放射されるのを防ぎます。 また、インターフェイスの発信信号ラインによってもたらされる外部干渉が敏感な信号ラインに結合してシステムの誤動作を引き起こすのを防ぎます。 差動信号線は、同じ層にあり、同じ長さで、並列に配線され、インピーダンスが一定に保たれている必要があります。また、差動線の間に他の配線があってはなりません。 差動ラインペアのコモンモードインピーダンスが等しくなることが保証されるため、その干渉防止能力を向上させることができます。 上記の配線規則に従って、エアコンの一般的なプリント回路基板回路が改善され、最適化されています。