PCB設計時のEMC問題を回避するには？

電磁両立性(電磁両立性)は、現代の電子設計において重要な考慮事項である。これは、電磁干渉(電磁妨害他の機器に影響を与える）。

FSテックでEMCとEMIの問題に対処する。 PCB設計これは、システム機器をEMC規格に適合させるための最も効果的でコストのかからない方法です。

EMCを理解する

次に、PCBにおけるEMCの重要性について説明する。

PCBにおけるEMCとは？

電磁両立性とは、意図された環境にある電子機器が、近隣の電磁環境によって劣化、損失、損傷を受けないことを意味する。また、電子機器は、近隣の機器の正常な動作に影響を与えるような過剰な電磁エネルギーを発生させない。

EMCは、電磁干渉（EMI）と電磁イミュニティ（EMS）という2つの基本的な側面から構成されています。

電磁干渉の原因を特定することで、適切なアース、シールド、PCBレイアウト戦略を実施し、PCBにおけるEMC問題を抑制することができます。どのような環境においても、電子機器が互いの性能を妨げることなく共存できるようにします。

次の表は、特定の業界に関連する主なEMC規格をまとめたものである：

標準	説明
IEC 61000-6-1	住宅用機器のイミュニティ
IEC 61000-6-2	産業機器のイミュニティ
IEC 61000-6-3	家庭からの排出規制
IEC 61000-6-4	IEC 61000-6-2
CISPR 32	マルチメディア機器の制限
IEC 60601-1-2	電気医療機器の安全性試験
MIL-STD-461	軍事用途におけるEMC要件に関する米国規格
FCCパート15	電子機器からの非意図的放出に関する米国の規制。

FSテックは、お客様の業界に関連するすべてのIEC要求事項を満たしており、製品の品質向上に貢献します。

PCBにおけるEMIとは？

EMIとは、プリント基板設計において、あるデバイスからの電磁波が放射または伝導によって他のデバイスに干渉する現象のことです。これは、破壊的な電磁エネルギーがある電子機器から別の電子機器に伝達されるプロセスであり、通常は無線周波数信号(RF)などの周波数帯の電磁波のことである。

EMIとは、人工的に作られたすべての電子機器から放出される電磁エネルギーのことです。PCBの重要なコンポーネントに干渉し、電子システムに深刻な影響を与えます。これは電磁環境において危険な結果をもたらす可能性があります。

MRIのような病院機器は強い電磁場（EMF）を発生させ、他の機器のPCBにEMIを引き起こす可能性がある。医療機器ペースメーカーなど、患者の生命を危険にさらす可能性がある。その他の一般的なEMI発生源としては、電子レンジ、テレビ、ラジオ、発電機などがあり、これらは信号を乱し、電子機器をクラッシュさせる可能性がある。

電磁両立性技術を使用して、PCB内のEMIを管理します。PCBにおけるEMCは、すべての機器が正常に機能し、EMIエミッションを制限し、機器のイミュニティを向上させることを義務付けているIEC 61000シリーズ規格に準拠するのに役立ちます。

これらの規格を遵守することで、規制当局の承認と耐久性のある電気製品の製造が保証される。

標準	説明
IEC 61000-3-2	主電源網からの波形歪みを抑える
IEC 61000-3-3	低電圧システムのフリッカと変動を抑制
IEC 61000-4-2	静電気放電（ESD）イミュニティ試験
IEC 61000-4-3	電磁エネルギーに対する免疫力テスト

多くの業界では、それぞれの電磁環境に基づいた特定の規制があります。医療機器用プリント基板の場合、EMI/EMCガイドラインは比較的厳しくなっています。IEC 60601規格は、患者や医療従事者が医療機器の危険から安全を保つための枠組みを提供します。

FSテックはすべてのテストに合格し、PCB設計におけるEMIとEMCの完全なマスターを実証していますので、お客様のプロジェクトをお任せください。

PCBにおけるEMSとは？

電磁感受性外部からの電磁エネルギー干渉を受けた際に、電子機器が正常に機能する能力を指す。電磁環境における製品の安定性と信頼性を評価するための重要な指標である。EMS試験の目的は、特定の電磁干渉を受けたときの機器の性能を保証し、ユーザーの安全と製品の信頼性を守ることです。

EMS試験は、主に外部からの電磁干渉を受けた際の機器の性能と安定性を評価するもので、下図のような種類がある。

PCB EMC問題解決のヒント

ここでは、モジュール設計を実現するためにプリント基板でEMCを管理するための実践的なヒントを紹介します。

1.信号線レイアウト

PCBの適切な信号線レイアウトは、干渉を最小限に抑えるために信号経路を分離します。同じ種類の信号をグループ化し、平行に配線する。これは、アナログ信号とデジタル信号が互いに交差することなく一緒に移動することを意味します。

のような高速システムを扱う場合 HDMIUSB、イーサネット、PCI Expressは差動信号方式を採用している。差動信号方式は、信号の反転ペアを別々の導体で送信することにより、電磁放射を低減します。

その後、レシーバーは2つの信号を比較し、関連するデータを抽出し、コモンモード・ノイズを打ち消す。このテクニックは、特に高速でデータを転送したい場合に有効である。

2.リターン電流の考察

電流のリターン・パスができるだけ短く、直接的であることを確認してください。リターンパスが細長いと、インダクタンスとEMIが増加します。大型または複数の地面プレーンで信号の安定した基準を提供する。

グラウンドループを最小限に抑えた連続プレーンは、バウンスのリスクを低減する。これは高速設計変動する電流がさまざまな速度で地上に戻るとき。それらは同時に地上に到達するはずである。

これは、グランドプレーンを高速信号層の近くに配置し、リターンパスを短く保つことで実現できる。

3.立ち上がり時間と立ち下がり時間の短縮

低キャパシタンスの部品を使用し、伝送線路とインピーダンスを合わせることで、信号の立ち上がり/立ち下がりの時間を短縮する。負荷と伝送路のインピーダンスが異なると、信号の反射が生じる。

これらの反射は、リンギングと呼ばれる波形の振動につながります。信号が負荷に向かってきれいに移動するのではなく、ソースに跳ね返る原因となります。直列抵抗は、信号のエッジ・レートを遅くするのに役立ち、リンギングとバウンシングを解消します。

回路全体のインピーダンスを一定に保つため、各トレースの幅と間隔を慎重に計算する。

4.送電線ハンドリング

PCB上の長いトレースは伝送線路として機能する。クロストークを減らすため、信号線、特にアナログ信号線から離して配線する。高速信号の電磁界がロングトレースに漏れる干渉をカップリングと呼ぶ。伝送線路（ロングトレース）が高速データ線路と平行に走っている場合に起こります。

これは、アナログ信号とデジタル信号の共存を必要とする設計では問題となる。デジタル信号の急激な遷移はアナログトレースに電圧スパイクを引き起こし、アナログ-デジタル変換やデジタル-アナログ変換のエラーにつながる。

5.クロックラインの長さ

すべてのクロックラインを同じ長さにして、信号が同時にコンポーネントに到達しないことによるタイミングエラーを避ける。こうすることで、すべてのクロック信号が同時に目的地に到達し、タイムスキューや潜在的な誤動作を防ぐことができる。

最近のデバイスの高速回路では、正確なタイミングが必要である。信号がジッター（異なる時間に負荷に到着すること）を起こすと、信号のエッジ・レートが大きくずれる可能性がある。これは、データ転送のような時間に敏感なプロセスにおけるエラーにつながります。

過度なジッターはデータを破壊し、デバイスの機能を中断させ、あるいは修復不可能な損傷を与える可能性があります。蛇行配線や蛇行配線などのPCBレイアウト技術を使用して、クロックラインの長さを等しく保ってください。

これらの技術は、ジグザグや蛇のようなパターンを短いトレースに追加し、長いデジタル信号トレースの長さと一致させる。

6.グラウンド敷設

PCBをEMIからシールドし、シームレスな動作を保証します。全信号に共通のグランドを提供することで、干渉やエラーの可能性をさらに減らすことができる。一般的な戦略は、電流が安全に戻ることができるように、各信号層の近くにグランドプレーンを配置することです。

このグランド・レイアウトは、ノイズ・カップリングとグランド・バウンスを防ぐ。ノイズカップリングは、信号トレースが互いに近接している場合に発生し、EMIがトレース間からトレース間に飛び込むことを許す。一方、グラウンドバウンスは、潜在的なミスに対するペナルティである。

グランド・プレーンが連続的でない場合に起こり、リターン・パスが悪いために電圧が変動する。グラウンド・バウンスは信号のタイミング・エラーを引き起こす。例えば、USB 3.0は高速でデータを転送する。十分なグランドプレーンがない場合、データは中断され、場合によっては破損にさえ直面する。

8.シールドとカプセル化設計

シールドとカプセル化は、PCB設計におけるEMIとEMCを強化します。シールドとは、EMIを遮断するために部品の周囲に金属のような導電性のバリアを設けることです。このバリアは、ルージュ電磁波が保護された領域に侵入したり、その領域から脱出しようとするたびに、ルージュ電磁波を伝導します。

一方、カプセル化とは、PCBの上に非導電性のバリア（プラスチックまたは樹脂混合物）を追加することを意味する。このバリアは電気を通すためではなく、物理的な衝撃や湿気、PCBに影響を与える環境要因から保護するためのものです。

9.ケーブルマネジメント

EMC設計を成功させるためには、ケーブルインフラの管理が重要です。ケーブルの適切な配線とシールドは、PCBに伝導するEMIの低減につながります。ケーブルは部品から離して配置し、電源線や信号線とは別に配線してください。

ケーブルをシールドしてEMIを抑制し、EMIの遮断を防ぐ。 PCB部品.ケーブルを配線する際、ループは EMI を引き寄せ、放射するので避ける。ツイストペアケーブルは、外部干渉を避けるのに役立ちます。

10.適合前試験

プリ・コンプライアンス・テストは、PCBにおけるEMIとEMCの問題を早期に特定することで、時間とリソースを節約します。最終的なコンプライアンステストの前に、設計を調整することができます。ほとんどのPCBエンジニアは、すでに理想的なツールとテクニックを所有していますが、一部のプリ・コンプライアンス・テストには特殊な機器が必要です。

この試験では、放射エミッション、放射イミュニティ、静電気放電(ESD)、および伝導性エミッションを測定する。設計段階を通じてチェックを行うため、社内に小規模な試験室を設置する。

11.シミュレーションツールの使用

シミュレーションツールまた、PCBを製造する前であっても、設計者が問題を発見するのに役立ちます。ソフトウェアで設計をシミュレーションするだけで、EMCの挙動を確認できるため、必要に応じて調整を行うことができます。

Altium Designer、KiCAD、または OrCAD のようなソフトウェアは、2024 年に最も人気のある PCB シミュレーションツールです。大規模なプロジェクトを扱う場合は、Altium DesignerまたはOrCADのいずれかを使用できます。どちらも高度なシミュレーションと膨大なライブラリを提供し、複雑な操作を効率的に処理します。

中小企業や個人のデザイナーには、KiCADが最適です。KiCADはオープンソースのプラットフォームで、協力的なコミュニティがあります。個人または教育目的であれば、無料でアクセスできます。

12.反復設計プロセス

成功者 PCB設計は、設計、テスト、改良の反復プロセスから生まれる。続く PCBレイアウトのアップグレードテストの結果や、さらには新たな学習に基づいて。エレクトロニクスに関しては、常に改善の余地がある。

の結果を使用する。テストとシミュレーションを行い、他にやることがないことを確認します。通常、部品の配置やトレース幅、グランド層のチェックなど、細かな調整が行われる。

設計を修正した場合は、再度テストし、変更によって改善されたかどうかを確認します。PCBが最適な状態になるまで、常に検証を続けてください。

テストと検証

プリ・コンプライアンス・テストと継続的なモニタリングは、PCBとEMCを実用的なアプリケーションに対して評価するための最良の方法です。放射エミッション、放射イミュニティ、ESD、伝導エミッションの4つの試験は、その助けとなります。

放射エミッションは、スペクトラム・アナライザーと呼ばれる専門機器で測定することができる。これは、高周波、中周波、低周波のすべてをスキャンすることでEMIを検出します。しかし、この装置はかなり高価であるため、設計者は通常USBスペクトラム・アナライザーを使用している。USBスペクトラム・アナライザーは、費用対効果が高く、コンパクトで持ち運びが可能で、コンピュータの処理能力で測定が可能です。

放射イミュニティは、PCB を搭載したデバイスが EMI にどの程度反応するかを評価します。デバイスを携帯電話性能に問題がないか確認する。正確な結果を得るためには、電磁界内でテストを実施してください。

ESDテストは、デバイスが近くの電子機器や人の接触から発生する静電気放電に耐えられるかどうかをチェックします。デバイスのさまざまな部分に制御された放電を送り、偶発的な火花による誤動作がないことを確認します。

最後に、デバイスのポートやケーブルにノイズを発生させる不要な電気信号がないことを確認してください。これらは伝導性エミッションであり、グリッドに接続された他の機器に干渉します。これらのエミッションを測定し、EMIが業界指定の制限値以下であることを確認してください。

民生用電子機器では、0.15から30.0の周波数範囲（Mhz）において、平均限界値（dBuV）は56から46から始まる。

結論

私たちは、厳しい業界標準を満たすために、最新のPCB設計におけるEMCの役割を重視しています。しかし、AIと3Dプリント基板の統合により、将来は興味深いものになりそうです。

AIがPCB設計に革命をもたらした組み立て工程を支援することで最新のデバイスに搭載されたセンサーからデータを収集するために使用することもできる。AIの機械学習アルゴリズムがこのデータを分析し、予知保全、サプライチェーン最適化、品質管理、プロセス最適化を自動化する。

3Dプリント基板もまた、設計プロセスにおける重要な革新である。他の方法では不可能な複雑な形状を作ることができます。両技術が同期して進歩すれば、EMC問題の解決も容易になる。

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