PCBブログ - PCB基板配線における地線干渉の分析と抑制方法

1.接地線の定義PCBボード上の接地線とは？教科書で各人が学習している接地線の定義は、接地線は回路電位の基準点となる等電位体であることである。この定義は実際の状況と一致しない。実際の接地線上の電位は一定ではない。地線上の各点間の電位を計器で測定すると、地線上の各点の電位が大きく変化する可能性があることがわかります。これらの電位差が回路の異常動作を招いている。回路が等電位体であるという定義は、地上電位に対する期待にすぎない。ヘンリーは地線に対してより現実的な定義を与え、地線を信号がソースに戻る低インピーダンス経路と定義した。接地線内の電流の流れはこの定義で強調表示されます。この定義によれば、接地線における電位差の原因が容易に理解できる。接地線のインピーダンスは決してゼロにならないので、有限インピーダンスに電流が流れると電圧降下が発生します。そのため、地線上の電位は海の波のように次から次へと続くことを想像すべきだ。

2.地線のインピーダンス地線インピーダンスによる地線上の各点間の電位差について話すと、多くの人が不思議に思った：私たちがオーミックメーターで地線の抵抗を測定する時、地線の抵抗は通常ミリオーム級にあり、電流がこのような小さな抵抗器を流れる時、どうしてこんなに大きな電圧降下が現れ、回路の動作異常を引き起こすのか。この問題を理解するには、まずワイヤの抵抗とインピーダンスという2つの異なる概念を区別しなければなりません。抵抗とは直流状態における電線の電流に対する抵抗を指し、インピーダンスとは交流状態における電線の電流に対するインピーダンスを指し、これは主に電線のインダクタンスによるものである。どの電線にもインダクタンスがあり、周波数が高い場合、電線のインピーダンスは直流抵抗よりはるかに大きい。実際の回路では、電磁干渉を引き起こす信号はパルス信号であることが多く、パルス信号には高周波成分が豊富に含まれるため、接地線に大きな電圧が発生する。デジタル回路にとって、回路の動作周波数は非常に高いため、地線インピーダンスがデジタル回路に与える影響は非常に大きい。10 Hzにおけるインピーダンスの近似を直流抵抗とすると、周波数が10 MHzに達すると、1メートルの長さの電線に対して、そのインピーダンスは直流抵抗の1000 ~ 100000倍であることがわかる。したがって、無線周波数電流については、電流が地線を流れると電圧降下が大きくなる。表からも分かるように、電線の直径を増やすことは直流抵抗を下げる上で非常に有効であるが、交流インピーダンスを下げる上で効果は限られている。しかし、電磁互換性の面では、交流インピーダンスに関心が寄せられている。交流インピーダンスを低減するために有効な方法は、複数の電線を並列接続することである。2本の電線が並列接続されている場合、総インダクタンスLは：L=（L 1+M）/2、ここで、L 1は単線のインダクタンスであり、Mは2本の線の間の相互インダクタンスである。式から、2本の電線が遠く離れている場合、それらの間の相互インダクタンスは非常に小さく、総インダクタンスは1本の電線インダクタンスの半分に相当する。そのため、複数のアース線によって接地インピーダンスを下げることができます。ただし、複数の電線間の距離は近すぎてはいけないことに注意してください。接地線干渉機構3.1接地回路干渉接地線インピーダンスのため、電流が接地線を流れると接地線に電圧が発生する。電流が大きい場合、この電圧は大きくなる可能性があります。例えば、近くで大電力電器を起動すると、強電流が地線を流れることがあります。この電流は、2つのデバイス間の接続ケーブルに電流を発生させる。回路のアンバランスにより、電線1本あたりの電流が異なるため、差動モード電圧が発生し、回路に影響を与える。この干渉はケーブルとアース線で形成された回路電流によって発生するため、接地回路干渉となる。接地回路における電流は外部電磁場によっても引き起こされる可能性がある。3.2共通インピーダンス干渉2つの回路が1本の接地線を共有する場合、接地線のインピーダンスのため、1つの回路の接地電位は別の回路動作電流によって変調される。この回路内の信号は、共通インピーダンス結合と呼ばれる別の回路に結合される。デジタル回路では、信号の高周波のため、地線は一般的に大きなインピーダンスを示している。このとき、異なる回路が地表線を共有している場合、共通インピーダンス結合の問題が発生する可能性があります。ゲート1の出力レベルが高から低になり、回路中の寄生容量（ゲート2の入力端にフィルタコンデンサがある場合がある）がゲート1を介してアース線に放電されると仮定する。地線のインピーダンスにより、放電電流は地線上にピーク電圧を発生する。このときゲート3の出力が低い場合、ピーク電圧はゲート3の入力端子とゲート4の出力端子に転送される。ピーク電圧の振幅がゲート4のしきい値のノイズを超えると、ゲート4.4が故障する。接地線干渉対策4.1接地回路対策接地回路干渉のメカニズムから分かるように、接地回路中の電流を下げるだけで、接地回路の干渉を減らすことができる。接地回路における電流を完全に除去できれば、接地回路の干渉の問題を完全に解決することができる。そこで、接地回路の干渉を解決するために以下の解決策を提案する。1）設備の一端をフローティングにし、一端の回路がフローティングすると、接地回路が切断され、接地回路の電流が除去される。しかし、注意が必要な問題が2つあります。1つは、安全上の理由で、回路は通常フローティングを許可していません。この場合、インダクタを介してデバイスを接地することが考えられる。このように、50 Hz交流電流デバイスの接地インピーダンスは非常に小さく、周波数の高い干渉信号に対して、デバイスの接地インピーダンスは相対的に大きく、接地回路電流を低減する。しかし、これは高周波干渉の接地回路干渉を減らすことしかできない。もう1つの問題は、デバイスがフローティングであるにもかかわらず、デバイスとグラウンドとの間に寄生容量が存在することである。この容量は高周波で低いインピーダンスを提供するため、高周波接地回路電流を効果的に低減することができない。2）変圧器を用いて装置間の接続を実現する。磁気回路を用いて2つの機器を接続することで、接地回路電流を遮断することができる。しかし、変圧器の一次と二次の間の寄生容量は依然として高周波接地回路電流に経路を提供することができるため、変圧器隔離方法の高周波接地ループ電流に対する抑制効果は低いことに注意する必要がある。変圧器の高周波分離効果を高める1つの方法は、変圧器の1次と2次の間に遮蔽層を設置することである。しかし、絶縁トランスシールド層の接地端は回路の受信端になければならないことに注意しなければならない。そうしないと、高周波分離効果を高めることができないだけでなく、高周波結合をより深刻にすることができます。したがって、変圧器は信号受信装置の側面に取り付けられるべきである。遮蔽の良い変圧器は1 MHz以下の周波数で効果的な隔離を提供することができる。3）光アイソレータを用いて接地回路を切断する別の方法は、光を用いて信号を伝送することである。これは接地回路の干渉問題を解決する理想的な方法と言える。光接続には2つの方法があり、1つは光結合器であり、もう1つは光ファイバ接続である。光結合器の寄生容量は通常2 pfであり、非常に高い周波数で良好な分離を提供することができる。光ファイバには寄生容量はほとんどないが、実装、メンテナンス、コストの面では光カプラに及ばない。4）コモンモードチョークを使用して接続ケーブルにコモンモードチョークを使用することは接地回路のインピーダンスを増加させることに相当し、一定の接地電圧により接地回路電流が減少する。しかし、コモンモードチョークコイルの寄生容量を制御することに注意しなければならない。そうしないと、高周波干渉に対する隔離効果が悪い。コモンモードチョークコイルの巻数が多いほど、寄生容量が大きくなり、高周波分離が悪くなる。4.2コモンモードインピーダンス結合を除去するには2つの方法がある。1つは、共通接地線のインピーダンスを低下させ、共通接地線上の電圧も低下させ、共通インピーダンス結合を制御することである。もう1つの方法は、適切な接地方法によって相互干渉しやすい回路の共通接地線を回避することである。一般的に、強電回路と弱電回路が地線を共有し、デジタル回路とアナログ回路が地線を共有するのは避けなければならない。前述したように、地線インピーダンスを低下させる問題は、地線のインダクタンスを低下させることである。これには、平坦導体を用いた接地と、間隔を空けた複数の平行導体を用いた接地線が含まれる。プリント配線基板に対しては、2層基板上に接地網を敷設することで接地線インピーダンスを効果的に低減することができる。1つの層は多層板の接地線として使用されますが、インピーダンスは小さいですが、回路基板のコストが増加します。適切な接地によって共通インピーダンスを回避する接地方法は、単一点を並列に接地することである。並列接地の欠点は、接地導線が多すぎることです。したがって、実際には、すべての回路が単一の点で並列に接地する必要はありません。相互干渉の少ない回路では、直列の単点接地を使用することができます。例えば、回路は強い信号、弱い信号、アナログ信号、デジタル信号などに基づいて分類することができて、それから類似の回路の中で直列の単点接地を使用して、異なるタイプの回路に対して並列の単点接地線を使用します。まとめ：アース線による電磁干渉の主な原因はアース線のインピーダンスである。接地線に電流が流れると、接地線に電圧が発生します。これが接地線ノイズです。この電圧の駆動下では、接地回路電流が発生し、接地回路の干渉を引き起こす。2つの回路が接地を共有すると、共通インピーダンス結合が発生します。接地回路の干渉を解決する方法は接地回路を切断し、接地回路のインピーダンスを増加させ、平衡回路を使用することである。共通インピーダンス結合の解決策は、PCBボード上の共通インピーダンスを完全に除去するために、共通接地線のインピーダンスを低減するか、1点並列接地を使用することです。