PCB基板設計における干渉対策

PCB回路基板設計における干渉対策をお探しなら、このサイトをご覧ください。これらの対策には、シールド、アース、伝送ライン、ローパスフィルターなどがあります。これらの対策は、EMIやノイズの防止、電子製品の性能向上に役立ちます。

シールド

シールドは、PCB回路基板設計プロセスの重要な部分です。EMI（電磁干渉）が回路基板に干渉するのを防ぎます。EMIは、回路基板自体よりも周波数が高い電気信号によって引き起こされます。回路基板上の金属シールドまたは缶は、この種の干渉をブロックするのに役立ちます。シールドは、基板がアナログ回路用に設計されているかデジタル回路用に設計されているかにかかわらず、PCB設計の重要な側面です。

通常、シールド材は複数の銅層で構成されています。これらの銅層は縫い目のあるビアで互いに接続され、シールド層はその間に挟まれています。しっかりした銅層はより高いシールドを提供し、クロスハッチの銅層は柔軟性を損なうことなくシールドを提供します。

シールド材は銅や錫でできていることが多い。これらの金属は、回路を基板の他の部分から絶縁するため、回路をシールドするのに有用である。シールドはまた、フレキシブル回路の厚みを変える可能性がある。その結果、曲げ能力が低下する可能性がある。回路基板の柔軟性には一定の限界があるため、シールド材は慎重に選ぶ必要がある。

接地

PCB回路基板設計における接地は、シグナルインテグリティを維持し、EMIを最小限に抑えるために重要です。基準グランドプレーンは、信号にクリーンなリターンパスを提供し、高速回路をEMIからシールドします。適切なPCB接地は、電源回路にも役立ちます。しかし、PCB回路設計を始める前に考慮すべきいくつかの要因があります。

まず、アナログのグラウンドポイントを電源プレーンから絶縁する。これにより、電源プレーンの電圧スパイクを防ぐことができる。さらに、基板全体にデカップリングコンデンサを配置する。デジタル部品の場合は、電源プレーンと同じ値のデカップリングコンデンサを使うべきである。第二に、グランドプレーンを複数のレイヤーに配置することは避け、ループ面積を増やすことになる。

グランドプレーンは電子部品に近づけすぎないこと。電磁誘導（EMI）により、2つのトレースが近すぎると信号が結合してしまう。この現象はクロストークとして知られている。グランドプレーンは、クロストークを最小限に抑え、EMIを低減するように設計されている。

送電線

伝送線路は基板の機能に影響を与えるため、PCB回路基板設計において重要である。伝送線路の特性には、特性インピーダンスと伝搬遅延が含まれる。これらのパラメータが制御されていない場合、信号の反射や電磁ノイズを引き起こす可能性があります。これは信号品質を低下させ、回路基板の完全性を損なう可能性があります。

伝送線路には、ストリップラインやコプレーナ導波路など、さまざまな形状のものがある。各タイプの伝送線路には特性インピーダンスがあり、これは導電性ストリップの幅と厚さによって決まる。他のタイプの伝送線路とは異なり、ストリップラインは、導電性ストリップが2つの異なる層の間に埋め込まれている場合があるため、単一のグランドプレーンを必要としません。

伝送線路のもう一つのタイプはマイクロストリップスで、一般にPCB回路基板の最外層に使用される。このタイプのトレースは高い特性インピーダンスを持ち、周波数によって変化する。このインピーダンスの差は、信号の反射を引き起こし、逆方向へ伝わる。この影響を避けるため、インピーダンスはソースの出力インピーダンスと等しくなければならない。

ローパスフィルター

ローパスフィルタは、電波などの低周波信号をフィルタリングするために使用されます。PCB回路基板設計においてローパスフィルターとしてコンデンサーを使用することで、回路の性能を向上させることができる。しかし、Rogers 4003プリント回路基板材料を使用できるとは限らず、市場で入手できるとは限りません。

フェライトはローパス・フィルターとして一般的に使用されるが、この材料は直流電流にさらされると飽和しやすい。そのため、回路インピーダンスがフェライトのインピーダンスより高い場合、ローパス素子として使用できるとは限らない。

How to Solder the Chip Components

Hand soldering

Hand soldering involves applying heat and pressure to the component to form a strong bond. Unlike wave or reflow soldering machines, hand soldering is done by an individual with soldering iron and a soldering station. Hand soldering can be performed on smaller components or for repair and rework.

To begin soldering, hold the soldering iron tip on the chip’s lead or contact point. Next, touch the tip of the solder wire to the lead. Then, heat the lead and solder until the solder flows. Ensure that the solder covers the entire lead or contact point. To prevent tombstoneing, don’t hold heat on one side of the chip for too long. Otherwise, the solder will reflow onto the opposite side.

The hand soldering process is generally the final step of prototype assembly. When using a Thermaltronics soldering tool, you can finish fine details on both through-hole and surface-mount components. When using hand soldering, it is best to use a temperature-controlled iron. Using a non-temperature-controlled iron will not produce reliable electrical joints.

Through-hole soldering

Through-hole soldering is a process that entails putting together a component with lead wires. Lead wires are inserted into the holes using a plier, which is held against the body of the component. It is important to apply gentle pressure on the leads as they are inserted into the through-holes. This process ensures that the leads of the chip components do not become overstretched. Excessive stretching may affect the placement of other components on the PCB. Additionally, it can affect the appearance of the entire through-hole soldering process.

Before soldering, it is important to clean the chip component’s surface. To clean a chip component, you can use a 3M Scotch-Brite Pad or sine grade steel wool. It is important to use the correct soldering flux as water-soluble flux can oxidize the PCB or through-hole component.

Lead-free soldering

Lead-free soldering is a process that uses lead-free solder and a higher-wattage soldering iron. To achieve optimal performance, soldering temperatures must be high enough to transfer enough heat to the chip component. The temperature required depends on the component’s volume, thermal mass, and board tolerances.

The first step to lead-free soldering is determining if the chip components are compatible with lead-free solder. The process is not without complications. Some chip components are coated with a tin-lead alloy for solderability. However, this type of coating violates environmental legislation. Fortunately, some chip manufacturers have found ways to use lead-free solder with tin-lead components. This is known as backward compatibility.

Another way to make chip components lead-free is to use nickel-lead. Nickel-lead has been used for years with tin-lead solder. Another option is Ni-Pd-Au solder. However, Ni-Pd-Au is not wettable in the same way as tin.

Flux in lead-free solder

Flux is a pre-processing agent used during the soldering process. Flux promotes metallurgical bonds between chip components, so the solder joints will not break or fluctuate in response to stress. It also removes oxidation from surfaces, which facilitates wetting, the process of solder flowing over the surface.

Flux residues can lead to corrosion and dendritic growth on PCB assemblies. After soldering chip components, the residues should be cleaned off with a good flux remover. For best results, angle the board while cleaning it so that excess solvent runs off the board. A lint-free wipe or a horsehair brush can be used to scrub the board gently.

Flux is an important component of lead-free solder. It cleans the metal surface to ensure a good metallurgical bond. Bad solder joints can lead to costly component failures. Luckily, flux is a chemical cleaning agent that can be applied before soldering, and during the process itself.

Cleaning excess solder

When soldering chip components, it’s often necessary to clean excess solder from them. But it can be difficult to remove the solder that has already been applied. Once it’s adhered to the component, the solder will have already been heated two or three times. Each reheat changes the physical composition of the metal. As a result, the solder becomes increasingly brittle. To avoid this, it’s best to remove the old solder and replace it with a new one.

Another option is to use a braid of solder to remove excess solder from the chip component. To do this, place a braid of solder over the component, hold the soldering iron against the braid, and wait for a few seconds. Afterwards, remove the solder braid.

PCBレイアウトの6つの基本ルール

PCBレイアウトでは、複数の層で回路を設計します。PCB設計の基本的なルールには以下のようなものがある：複数のグランドプレーンを避ける。アナログ回路の信号は直接かつ短くする。1枚のPCBに3つのコンデンサを使用しない。多層PCB設計と多層PCBの設計方法に関する記事もご覧ください。

多層プリント基板の設計

多層プリント基板を設計する際、考慮すべき重要なことがいくつかあります。そのひとつが、銅配線がシグナル・インテグリティとパワー・インテグリティを維持することです。もしそうでなければ、電流の品質に影響を与えかねません。このため、インピーダンスを制御したトレースを使用する必要がある。これらのトレースは、過熱を防ぐために通常より太くする必要があります。

欲しいものがはっきりしたら、PCBの設計を始めましょう。多層PCBを設計する最初のステップは回路図の作成です。この回路図は設計全体の基礎となります。回路図エディタのウィンドウを開きます。その後、必要に応じて詳細を追加したり、回転させたりします。回路図が正確であることを確認してください。

単一グランドプレーンの作成

PCBレイアウト上に単一のグランドプレーンを作成することは、回路基板全体の不均一な電圧の量を減らすのに役立ちます。これは、グランドプレーンを基板の他の部分と接続するためのビアまたはスルーホールを作成することによって達成される。また、リターン電流の変動によって発生するノイズの低減にも役立ちます。

PCB上にグランドプレーンを定義する際、グランドプレーンが導電性リングで覆われていないことを確認することが極めて重要である。グランドプレーンは電子部品の下に配置するのが理想的です。グランドプレーンに合わせるために、いくつかのトレースや部品の配置を変更する必要があるかもしれません。

アナログ回路の信号を直接かつ短く保つ

アナログ回路用のPCBレイアウトを実装する場合、アナログ信号トレースを短く、直接配線することが重要である。さらに、アナログ部品は互いに近くに配置する必要があり、そうすることで直接配線が簡単になる。ノイズの多いアナログ部品を基板の中心に近づけることも、ノイズを減らすのに役立つ。

アナログ回路信号を直接かつ短く保つことに加えて、設計者はリターン・パスを妨害することも避けるべきである。プレーン・スプリット、ビア、スロット、切り欠きなどは、アナログ信号が原点に戻る最短経路を探す際にノイズの原因となる。その結果、信号はグランドプレーン付近をさまよい、重大なノイズを発生する可能性がある。

3つの異なるコンデンサーを避ける

PCBレイアウトを設計する際、電源ピンに3つの異なるコンデンサを配置するのは避けた方がよい。この配置は、解決するよりも多くの問題を引き起こす可能性がある。3つの異なるコンデンサを避ける1つの方法は、トレースとコッファーフィルを使用することである。そして、それらをできるだけデバイスのピンの近くに配置する。

しかし、トレース間の距離が設計段階で計算されたものであるとは限らないため、これは必ずしも可能ではない。これはよくある問題で、組み立て工程で問題になることがあります。配置を検討する際には、各コンポーネントの配置がその機能にとって極めて重要であることを忘れないでください。

パワー層銅の使用

PCBレイアウトで電源層銅を使用するには、適切な計画が必要です。ボードのこの部分では、パワーネットワーク用にボードの特定のエリアを割り当てる必要があります。このエリアを割り当てるために、インナーレイヤー分割を使用することもできます。このレイヤを追加するには、"PLACE-SPLIT PLANE "コマンドを使用し、分割するネットワークを選択します。電源レイヤーのエリアが割り当てられたら、銅の舗装テクニックを使って分割エリアに銅を配置することができます。

銅の被覆を均一にすることに加え、ボードの厚みがコアに適合していることを確認する必要があります。電源プレーンの対称性だけでは、完璧な銅の被覆を保証することはできません。基板端までの銅は、スコアリング（Vカット）技術にも適合しません。この問題を避けるために、メカニカル・レイヤーに銅ゾーンを表示し、その幅を最小 0.5mm にすることを推奨します。

ガイドラインのリストを使ってPCBに部品を配置する

PCBにコンポーネントを配置する際にガイドラインのリストを使用すると、製品開発サイクルを短縮しながら、新製品開発の全体的なコストを最小限に抑えることができます。また、これらのガイドラインは、プロトタイプから生産へのスムーズな移行にも役立ちます。これらのガイドラインは、アナログ回路とデジタル回路の両方に適用できます。

ほとんどの基板設計者は、PCBを設計する際に一連のガイドラインに従う。例えば、典型的な基板設計ルールは、デジタル・クロック・トレースの長さを最小限にすることです。しかし、多くの設計者は、これらのガイドラインの背後にある根拠を十分に理解していません。とりわけ、高速トレースは信号リターン・プレーンのギャップを越えてはならない。

灌漑用ポンプ充填後のEMI劣化

灌漑ポンプ充填後のEMI劣化を解析するには、放射と伝導の2種類の方法がある。充填後のEMI劣化は、接着剤の種類や入力アースの取り方によって異なる。EMI劣化はエタノールや水によって悪化する。

充填後のEMI劣化

電源充填後の EMI 劣化はしばしば「充填効果」と呼ばれ、電源充填後の EMI 感度の低下を表す。この劣化は、放射と伝導の組み合わせである。充填効果」は、電源を構成する材料が一連の変化を受けるために生じる。これらの変化の中には望ましくないものもあれば、有益なものもある。

不要電磁エネルギー（EMI）とは、誘導結合や容量結合によって空間に伝播する放射のことである。この不要なエネルギーは電子機器に有害で、その機能に影響を与える。この輻射は非伝導性であり、信号は金属などの物質を伝導しない。信号が長距離を伝わる場合、その伝播は波の形になる。この波は、遠距離では放射線場が支配的であるが、表面近くの距離では誘導場が支配的である。一方、非電離放射線は気体をイオン化せず、電子機器に影響を与えない。非電離放射線の例としては、RF、電子レンジ、赤外線、可視光線などがある。

静電気もEMIの原因のひとつです。このノイズの発生源を特定するのは難しいが、雷などの自然発生源から発生することもある。EMIは電子機器の性能に影響を与えるだけでなく、多くのシステムで安全上の問題を引き起こす可能性がある。EMIの最も一般的な原因は静電気放電です。この種のノイズは、技術者でなくても、ラジオの静電気、テレビ受信の歪み、オーディオ・システムのクリック音として認識することができます。

水充填後のEMI劣化

電源スイッチング後の注水による EMI 劣化は、放射と伝導の 2 種類に分類できる。水封後のEMI劣化は通常、入力グラウンドの温度変化と、水封コンデンサに使用される導電材料によって誘発される。導電材料には、固有導電率が最も高いアルミニウムや銅繊維が含まれる。しかし、これらの繊維の表面は酸化しやすく、部品の導電性に影響を与える可能性がある。さらに、一部の不誠実な業者は一貫した製品を提供しない可能性がある。

EMIは電気製品の安全性や性能に影響を与える可能性があります。これらの不要信号は無線通信を妨害し、近くの機器の誤作動を引き起こす可能性があります。したがって、EMIシールドは電子機器にとって不可欠な要件です。EMIシールドには様々な方法や素材が使用されている。以下にそのいくつかを紹介する：

連続炭素繊維複合材料は、不連続炭素繊維複合材料よりも優れたEMI SEを示し、導電性にも優れている。炭素マトリクスを持つ連続炭素繊維複合材料は、124 dBのEMI SEを示す。一方、不連続炭素繊維は複合材料のSEを著しく低下させる。

スイッチング電源は、効率という点ではリニア・レギュレータよりも改善されているが、システムの信頼性に悪影響を及ぼす不連続電流を依然として導入している。EMI 解析は、放射ノイズよりも導電ノイズの方が容易である。導電性ノイズは、標準的な回路解析技術を用いて評価することができる。

エタノール充填後のEMI劣化

電磁干渉（EMI）は、電子部品やデバイスに様々な影響を与えます。例えば、コンデンサーが公称電圧よりも高い電圧ピークにさらされると、誘電劣化を起こすことがあります。この劣化は、部品の特性によっては誤動作や焼損の原因となります。

電磁干渉は、現代のテクノロジーにおいて一般的な問題である。電子機器の誤作動を引き起こし、通信システムの損傷につながることもあります。この干渉は、モーターブラシの火花、電源回路のスイッチ、誘導性負荷、抵抗性負荷、リレー、回路の断線など、さまざまな原因で発生します。わずかなEMIでも電子機器の性能を低下させ、安全性を損なう可能性があります。EMIの最も一般的な発生源は静電気放電（ESD）であり、多くの人がラジオ局の静電気、テレビ受信の歪み、オーディオシステムのクリック音として認識しています。

EMIはスイッチング電源からも発生する。これらの電源はEMIの強力な発生源であり、慎重な制御が必要である。EMIのリスクを低減するためには、これらの電源の出力ノイズを定量化することが極めて重要である。これは時間とコストのかかるプロセスである。

マルチメーターの精度を向上させる数個の抵抗の使い方

マルチメーターの精度を向上させるには、いくつかの抵抗や部品を使用することができます。これらは、マルチメータのプローブと接触したままになるように固定する必要があります。抵抗器や部品に手で触れないようにしてください。この問題を避けるには、部品をブレッドボードに取り付けるか、ワニ口クリップで固定してください。

シャント抵抗器の使用

シャント抵抗器の抵抗値はマイクロオームで表される。シャント抵抗の抵抗値は、通常非常に小さい。このタイプの抵抗を使用すると、リード抵抗による望ましくない影響が生じないため、マルチメータの精度が向上します。ただし、シャント抵抗の抵抗値は周囲温度によって変化する傾向があるため、ケルビン接続で使用することが重要です。

マルチメーターは負荷電圧に敏感であるため、オペレーターは負荷電圧と分解能に注意する必要があります。テスト頻度が低いと、予期せぬ製品の故障につながる可能性があります。シャント抵抗器は、さらなる分解能を提供することにより、マルチメータの精度を向上させます。これは、フルスケール測定が可能なベンチ・マルチメータに特に有効です。

アナログ・マルチメーターの正しいレンジ設定

アナログ・マルチメーターで正しいレンジを設定するには、まずオームの単位を最小値に設定することから始める。一般的には、抵抗値は860から880オームの間であるべきです。あるいは、学習と練習のために、より低い抵抗レンジの200オームを使用することもできます。

マニュアル・レンジのマルチメーターは、多くの選択オプションを備えたノブを備えています。これらには通常、メートル法の接頭辞が付けられている。一方、オートレンジのマルチメーターは、自動的に適切なレンジに設定される。さらに、デジタル回路を測定するための特別な「ロジック」テスト機能がある。この機能では、赤（＋）のリード線を陽極に、黒（-）のリード線を陰極に接続する。

アナログ・マルチメーターのレンジを設定するのは、特に使ったことのない人には難しく思えるかもしれません。しかし、この作業は驚くほど簡単で、数個の抵抗で行うことができます。レンジの違いさえ知っていれば、この作業はもっとうまくいくでしょう。

高精度電流検出抵抗器の使用

マルチメータの精度は、高精度電流検出抵抗を使用することによって向上させることができます。これらの部品は、さまざまなスタイルで購入することができます。バッテリーに出入りする電流の正確な量が必要なアプリケーションに便利です。また、温度感受性が懸念されるアプリケーションにも役立ちます。

推奨フットプリント寸法を図 6 に示す。センサートレースの配線も、測定精度を決定する上で重要な役割を果たします。ャ ン ス電圧が ャ ン ス電圧は ャ ン ス抵抗の ャ ン ス端で ャ ン ス電圧は ャ ン ス抵抗の ャ ン ス端で ャ ン ス電圧は ャ ン ス電圧は ャ ン ス抵抗の ャ ン ス抵抗の ャ ン ス抵抗の ャ ン ス抵抗の

電流検出抵抗器は、電流の流れを検出して電圧出力に変換する低抵抗器です。通常、抵抗値が非常に低いため、電力損失と電圧降下を最小限に抑えることができます。抵抗値は通常、ミリオーム単位です。このタイプの抵抗器は標準的な電気抵抗器に似ていますが、電流をリアルタイムで測定するように設計されています。

抵抗器またはプローブに指で触れる。

マルチメーターには、バッテリーや電源のプラスとマイナスのリード線を検出する特別な機能もある。リード線にマルチメーターのプローブを数秒間当てると、そこに流れる電流がプラスかマイナスかを判断できる。赤いプローブは、バッテリーのプラス端子またはワイヤーに接続されている。

マルチメータを使って抵抗を測定する場合は、回路に電源が入っていないことを確認する必要があります。そうしないと、不正確な測定値を受け取る可能性があります。抵抗値は、それを測定する方法を知っているほど重要ではないことを覚えておいてください。さらに、回路に電流が流れていると、マルチメータが損傷する可能性があります。

ブレッドボードの穴と穴の間の導通テスト

ブレッドボードの穴と穴の間の抵抗を測定する前に、まずブレッドボードの接続性をチェックする必要があります。このテスト方法は導通チェックとして知られており、2つの接続が互換性があるかどうかを判断する簡単な方法である。ブレッドボードには穴があり、それぞれの穴の下に金属製のスプリングクリップが付いています。マルチメーターのプローブをこの2点に接続する。これらのポイント間の導電パスを見つけるのが難しい場合は、ブレッドボードとマルチメーターの間に数個の抵抗を取り付けます。

プログラマブル機能付きのマルチメータを使用している場合は、一度にいくつかの穴の間の導通をテストすることで、より正確にすることができます。これを行うには、ブレッドボードの「＋」と「-」の列にプローブを挿入し、その間の抵抗を測定する。抵抗値が無限大であれば、2つの列は接続されていないことになる。