高速PCBプロジェクトを設計する際には、厳格なルールに従う必要があります。高速PCB設計には、回路基板の動作に影響を与える可能性のある特殊な問題が伴います。多くのエンジニアは、シグナルインテグリティ、ノイズ、そして基板の正常な動作確保に苦労しています。
業界調査によれば、次のような問題に直面する可能性があるとのことです。
信号整合性の問題
高度な生産と組み立ての必要性
特別なスキルの需要
慎重な PCB レイアウトと適切なルールの使用は、これらの問題を解決し、安定した設計を行うのに役立ちます。
主要なポイント（要点）
インピーダンスを制御して信号をクリアに保ちます。信号が跳ね返らないように、適切なトレース幅と材料を使用してください。
配線は短くまっすぐにしましょう。これによりミスが減り、高速設計でも信号を強く保つことができます。
信号の戻りを良くするために、しっかりとしたリファレンスプレーンを使用してください。これによりノイズが低減され、ボードの動作が向上します。
部品の配置場所を慎重に計画してください。ノイズを低減し、信号損失を防ぐために、高速部品を最初に配置してください。
リターンパスを忘れたり、メーカーが何をできるか確認しなかったりといったミスをしないでください。こうしたミスは設計に大きな問題を引き起こす可能性があります。
高速 PCB 設計の基礎
制御インピーダンスガイドライン
高速PCBプロジェクトでは、インピーダンスを制御する必要があります。インピーダンス整合は信号のクリアさを維持し、反射を防ぎます。インピーダンスが整合していないと、信号が跳ね返ってエラーが発生する可能性があります。これにより、回路が動作しなくなったり、異常な動作をする可能性があります。インピーダンスは、トレース幅、スタックアップ、材料を変更することで制御できます。ほとんどの高速PCB設計では、信号線に50Ωのインピーダンスが使用されています。
ヒント：インピーダンス制御が必要な信号を必ず確認してください。RF、USB、HDMIなどの信号では、インピーダンス制御が必要になることがよくあります。
制御されたインピーダンスを得るには、次の操作を行います。
どの信号にインピーダンスの制御が必要かを調べます。
適切な材料と順序で PCB スタックアップを計画します。
ターゲットインピーダンスに合わせてトレース幅と間隔を設定します。
トレースを短くし、急に曲げないでください。
高速トレースの下にソリッド リファレンス プレーンを使用します。
TDR などのツールを使用してボードをテストし、インピーダンスを確認します。
基準面の重要性
高速PCBレイアウトでは、しっかりとした基準面が非常に重要です。基準面は信号に安定した帰還経路を与え、これにより シグナルインテグリティ 良好です。良好なグラウンドプレーンはノイズを低減し、不要な信号を遮断します。高速配線の下でグラウンドプレーンを分割しないでください。
ソリッド参照面:
安定した電気基準を与えます。
電流ループを小さくします。
低ノイズ。
高周波信号を改善します。
ICデータシートの調査
レイアウトを始める前に、ICのデータシートをよく読んでください。データシートには、高速PCB設計において各チップに何が必要かが記載されています。適切な電圧、信号モデル、そして必要な電力も示されています。これにより、各部品に適切なルールを適用できるようになります。
機能 | 詳細説明 |
|---|---|
Sパラメータ/Touchstone® | 高周波での信号の動作を研究します。 |
IBIS 電力認識モデル | IC に必要な電力を確認します。 |
VRMモデルのサポート | 電力が安定していることを確認してください。 |
これらの基本事項に従うことで、高速PCBの強固な基盤を構築できます。よくあるミスを回避し、設計をよりスムーズに進めることができます。
高速PCB配線の基本
短くまっすぐな痕跡
高速PCB配線では、トレースを短くまっすぐにする必要があります。トレースが短いほど信号が速く伝わり、エラーの可能性が低くなります。また、直線的な経路は反射のリスクを低減し、信号をクリーンに保ちます。レイアウトを改善するには、以下の手順に従ってください。
高速信号をソリッド グラウンド プレーン上に配線します。
ビアをグリッドに配置することでホットスポットを回避します。
鋭角を避けるために、トレースの曲げ角度を 90° ではなく 135° に保ちます。
クロストークを最小限に抑えるには、トレース間の間隔を広げます。
長いスタブ トレースを回避するには、デイジー チェーン ルーティングを使用します。
差動ペア間にコンポーネントまたはビアを配置しないでください。
差動ペアのスキューを回避するためにトレース長を一致させます。
分割されたプレーンを介して信号をルーティングしないでください。
アナログとデジタルのグランドプレーンを分離します。
トレース幅を各コンポーネントのサイズに合わせてください。
ヒント: トレースを短くまっすぐに保つと、高速 PCB での信号の整合性を維持するのに役立ちます。
135° トレースベンド vs. 90°
高速PCB配線では、90°曲げではなく135°曲げを使用してください。急激な90°曲げは反射や信号損失の原因となる可能性があります。緩やかな135°曲げは信号経路を滑らかに保ち、干渉のリスクを低減します。高速信号を配線する際は、パフォーマンスを向上させるために、常に広い角度を選択してください。
クロストークの回避
信号をクリアに保つには、クロストークを最小限に抑える必要があります。クロストークは、信号同士が干渉し合うことで発生します。クロストークを最小限に抑えるには、以下のヒントを参考にしてください。
デジタル信号を連続したグランドプレーン上にルーティングします。
高速信号トレース間のトレース幅は少なくとも 3 倍にしてください。
信号をシールドするには、レイヤー間のグランド プレーンを使用します。
長い平行配線を避け、その間にグランド トレースを挿入します。
ノイズを減らすには、デカップリング コンデンサを電源ピンの近くに配置します。
ノイズ ループを最小限に抑えるために、戻りパスがクリアであることを確認してください。
注: 適切な間隔とグランドプレーンは、クロストークを最小限に抑え、信号の信頼性を維持するのに役立ちます。
電源セクションの近くでの高速信号の配線
高速信号を電源部の近くに配線することは避けてください。電源トレースの近くに信号を配置すると、クロストークや反射が発生する可能性があります。電源プレーンに隙間があると、シグナルインテグリティが悪化する可能性があります。高速信号が電源部と干渉すると、帯域幅が制限され、パフォーマンスが低下する可能性があります。設計を保護するため、高速信号は常にノイズの多い電源領域から遠ざけてください。
差動ペアと長さのマッチング
差動対における対称性
差動ペア配線を作成する際には、対称性を保つことが重要です。レイアウトが対称であれば、両方の信号が同じ速度で移動します。これにより、スキューが抑制され、信号がクリアに保たれます。対称的なスタックアップは、グラウンドプレーンと電源プレーンを適切な位置に配置するのに役立ちます。これらのプレーンは、高速差動信号を外部ノイズから保護します。また、ペアになったプレーンは低インダクタンスのパスを形成するため、電力分配が改善されます。これにより、高速回路の動作が向上し、安定性が維持されます。
ヒント: 差動ペア トレースの対称性を維持すると、クロストークが防止され、信号が均一に保たれます。
長さ一致高速信号
差動ペア内の高速信号の長さは一致させる必要があります。片方の配線が長いと、信号が同時に届かず、ミスが発生し、動作が悪化する可能性があります。差動ペアの配線では、以下のルールに従ってください。
ルール | 詳細説明 |
|---|---|
インピーダンス許容値 | 標準に基づいて差動ペアの適切なインピーダンスを設定します。 |
最大非連結長 | インピーダンスの変化を止めるために、差動ペアの両側を近づけてください。 |
長さの一致 | 特に高速信号の場合、信号が受信機に同時に届くようにしてください。 |
最大ネット長 | 規格で定められた差動信号の最大長を超えないようにしてください。 |
信号が移動する速度と歪みは、信号周波数によって異なります。
受信機は一定量のスキューしか処理できません。
スキューをビット時間の 5% 未満に保つようにしてください。ただし、クロック周期の 20% を超えないようにしてください。
1 GHz を超える信号の場合、不一致は 1 インチ未満である必要があります。
誘電率の変化により、電気長は物理的長さよりも重要になります。
一貫したトレース間隔
差動ペアのトレース間隔は常に一定に保つ必要があります。これにより、差動インピーダンスが安定します。間隔を変更すると、インピーダンスの不整合が発生する可能性があります。これらの不整合は反射を引き起こし、差動信号を弱めます。USB 2.0のような高速信号の場合、90Ωなどの一定の差動インピーダンスを維持する必要があります。この値はトレース幅と間隔の両方によって変化します。差動ペアを同じ間隔で配線することで、信号損失を防ぎ、設計を良好に動作させることができます。また、差動信号をクリーンに保つには、制御されたリターンパスも必要です。
差動ペア全体にわたって間隔を同じに保ちます。
EMI の問題を防ぐには、最大長の不一致に関する規則に従ってください。
信号品質を維持するために、差動ペアの適切なルーティングを使用します。
ビア管理とレイヤースタックアップ
ビアのグリッドパターン
PCB上にビアをグリッド状に配置することで、接続が容易になります。グリッドは基板をすっきりと整頓するのに役立ちます。また、部品が密集するのを防ぐ効果もあります。グリッドを使用すると、各ビアの配置場所を計画的に決めることができます。これにより、信号経路を短く直線的に保てます。グリッドが重要な配線を遮らないように注意してください。狭い箇所を作らないようにしましょう。適切なグリッドは信号の流れをスムーズにし、基板の組み立ても容易になります。
ヒント: ビアをグリッドに配置すると、PCB が整理され、後で問題を簡単に修正できるようになります。
ビア数を最小化する
高速PCB設計では、ビアの数をできるだけ少なくするようにしてください。ビアはインダクタンスを増加させ、インピーダンスを変化させる可能性があります。これらの変化は信号品質に悪影響を及ぼす可能性があります。ビアの数を減らすことで、反射や信号の問題のリスクを軽減できます。ビアの数が少ないほど、信号は基板上をスムーズに伝わります。これにより、信号強度が維持され、設計のパフォーマンスが向上します。
注: ビアの数を少なくすると、信号の伝達が改善され、高速回路でエラーが発生する可能性が低くなります。
レイヤースタックアップ計画
高速PCBでは、層構成を慎重に計画する必要があります。層構成によって信号の流れや基板に発生するノイズの量が変わります。基板のサイズ、必要な配線数、接続数などを検討してください。また、電源や層の配置についても検討する必要があります。
因子 | 詳細説明 |
|---|---|
統合性 | 信号が問題なく必要な場所に届くようにします。 |
ノイズ | 干渉によってどの程度データが混乱するかを示します。 |
ボードサイズとネット数 | ボードの大きさと必要なワイヤの数を示します。 |
ルーティング密度 | スペースが狭い場合に必要な信号レイヤーの数を変更します。 |
インターフェイスの数 | インピーダンスを同じに保つために信号をルーティングする方法に影響します。 |
低速およびRF信号 | つまり、これらの信号にはさらに多くのレイヤーが必要になる可能性があります。 |
パワーインテグリティ | 電源プレーンとグランドプレーンを使用して電力を安定させます。 |
レイヤー配置 | 信号を強く保ち、ボード作成時に問題が発生するのを防ぎます。 |
デザインルール | 構築時に問題を防ぎ、ボードが高速で正常に動作するのに役立ちます。 |
スタックアップ計画を改善するためのヒントをいくつか紹介します。
曲がりを防ぐために、両側の層の厚さと材質を同じに保ちます。
インピーダンスを低くするには、電源とグランドにそれぞれ少なくとも 2 つの層を使用します。
インピーダンスを一定に保つために、層間のスペースを同じに保ちます。
EMI を防止するために、分割プレーンを介して高速信号をルーティングしないでください。
高速信号にはビアを少なく使用するようにしてください。
覚えておいてください: 適切なスタックアップ計画は、信号の問題を防ぎ、PCB を正常に動作させるのに役立ちます。
電力整合性とデカップリング
ソリッド電源プレーンとグランドプレーン
高速PCB設計では、必ずソリッドグラウンドプレーンを使用してください。この層は、差動信号が適切な経路を見つけるのに役立ちます。これにより、信号は強くクリアな状態を保ちます。また、ソリッドグラウンドプレーンは、トレースを外部ノイズから保護します。 パワーインテグリティ 電圧降下やノイズスパイクを阻止することで性能が向上します。
堅固なグランドプレーンには多くの利点があります。
信号整合性が向上します。グランドプレーンにより信号が安定して戻るため、データはクリーンな状態を保ちます。
電磁干渉が減少します。グランドプレーンはシールドのように機能し、悪質な信号を遮断します。
熱管理が改善されました。グランドプレーンが熱を分散するため、ボードの寿命が長くなります。
インピーダンスが低くなります。電力供給ネットワークはしっかりとしたグランドプレーンによってより効率的に機能し、ボードは急激な電流変化にも対応できるようになります。
高速配線と差動配線の下には、しっかりとしたグラウンドプレーンを確保する必要があります。これにより、信号に良好なリターンパスが確保され、設計が適切に機能し続けるようになります。
デカップリングコンデンサの配置
高い電力整合性を維持するには、デカップリングコンデンサを適切な場所に配置する必要があります。これらの小さな部品は、電圧低下やノイズの発生を抑えるのに役立ちます。最良の結果を得るには、以下の手順に従ってください。
コンデンサからのビアをICの電源ピンとグラウンドピンにできるだけ近づけて配置します。これにより、信号経路が良好になります。
コンデンサは、電源プレーンまたはグランド プレーンから遠い IC ピンに接続します。
インピーダンスを低くするには、反対極性のビアのペアを使用します。
コンデンサは IC と同じボード側にマウントし、ピンのすぐ近くに配置します。
コンデンサ パッドとビアの間にトレースを配置しないでください。
低周波ノイズには大きなコンデンサを使用し、高周波ノイズには小さなコンデンサを使用します。
小さなコンデンサは常に IC の近くに配置してください。
コンデンサと IC がボードの異なる側にある場合は、その間にビアを使用しないでください。
デカップリング コンデンサ上にトレースを配線しないでください。
ヒント: 適切なデカップリングにより、電力が急激に変化した場合でも信号がクリーンに保たれ、ボードが安定します。
高速PCBの部品配置
高速コンポーネントを優先
配線を引く前に、高速部品の配置場所を検討する必要があります。適切な配置は、信号の流れを制御し、ボードの動作を良好に保ちます。これらの部品を最初に配置することで、ノイズや信号損失を防ぐことができます。レイアウトは明確な計画を立てる必要があります。以下の手順を参考にしてください。
PCBのフロアプランを作成します。設計の初期段階で、類似の部品を組み合わせます。
電源、RF、デジタル、アナログなどのグループ分けをします。これにより、信号が混在するのを防ぎます。
敏感な高速デバイスを基板のエッジから遠ざけてください。これにより、電磁干渉（EMI）を低減できます。
高温の部品に十分な空気が当たるようにしてください。部品の周囲に空気が循環する場所に置いてください。
インピーダンス整合が必要なポートの近くに終端抵抗を配置します。
部品を回路ブロック別、大きなプロセッサの周囲、および配線パスの近くでグループ化します。
ヒント: 早めに計画を立てると、時間を節約でき、後で間違いを避けることができます。
これらの手順を実行すると、 ルーティングが簡単になります 信号は強力に保たれ、ボードの温度も下がり、動作時間も長くなります。
敏感な部分とノイズの多い部分を分離する
PCB上で、ノイズに敏感な部分とノイズの多い部分を離して配置する必要があります。混在させると、クロストークや信号の問題が発生する可能性があります。これらの領域を離すには、いくつかの方法があります。
回路の入出力には、πフィルタなどのEMIフィルタを使用してください。これらのフィルタは高周波ノイズを遮断します。
敏感な領域はグランドプレーンまたは金属シールドで覆います。シールドは不要な信号が重要な部分に到達するのを防ぎます。
スイッチング速度とスルーレートを低くすることで、ボードから発生するEMIを削減します。
アナログ部とデジタル部を離して設置してください。間隔を空けることで、ノイズの侵入を防ぐことができます。
デカップリングコンデンサをICの電源ピンの近くに配置します。これらの部品は高周波ノイズを除去します。
信号をノイズ源から遠ざけてください。垂直配線を使用して、トレースを高電流経路から遠ざけてください。
注意: ノイズの多いセクションと敏感なセクションを離しておくと、信号がクリーンな状態に保たれ、ボードが正常に動作します。
これらの方法を使用すると、高速信号が保護され、PCB 設計がより強力になります。
高速PCB設計におけるよくある間違い
インピーダンス制御を見落とす
インピーダンス整合は専門家だけが行うべきだと考える人もいます。しかし、これは高速PCBプロジェクトにおいて非常に重要なルールです。インピーダンスを制御しないと、回路が異常な動作をする可能性があります。 ビットエラーとEMI問題インピーダンスが整合していないと、信号が跳ね返る可能性があります。その結果、データが失われ、ボードの動作に不具合が生じます。小さな穴の開いた鏡に懐中電灯を当てた時のことを想像してみてください。光の大部分は跳ね返り、ごくわずかしか透過しません。これは、送信機と受信機の配線インピーダンスが整合していない場合に発生する現象と似ています。信号の一部が跳ね返り、定在波を形成します。この定在波によってデータが乱れる可能性があります。
インピーダンス制御が不十分な場合の問題:
回路は予想外の動作をする
データにはビットエラーが発生する可能性がある
EMI問題とプロジェクトの遅延
特に差動信号の場合は、トレースのインピーダンスを常に確認する必要があります。適切なルールに従うことで、信号の強度を維持することができます。
リターンパスを無視する
高速PCB設計では、リターンパスに注意する必要があります。高周波では、リターン電流はインピーダンスが最も低いパスを通ります。適切なパスが見つからない場合、電流は拡散し、放射やクロストークの原因となります。これらの問題は信号に悪影響を与え、基板のテスト不合格につながる可能性があります。 ソリッドグラウンドプレーン 差動信号に安定した帰還経路を提供します。地面に隙間や裂け目がある場合、電流はそれらを迂回する必要があり、電磁放射が悪化します。
証拠 | 詳細説明 |
|---|---|
しっかりとした基礎が重要 | 電流は電源から部品を通り、グランドプレーンに戻ります。 |
現在のパスを返す | 高周波では、電流はインピーダンスが最も小さい経路を通るため、適切な接地が必要です。 |
ソリッドPCBグランド | 接地層に隙間があると、排出量が増加し、パフォーマンスが低下します。 |
特に差動信号の場合、常に強力なリターンパスを計画する必要があります。
メーカーの能力を無視する
素晴らしい高速PCB設計を作成したとしても、メーカーの対応力を考慮しなければ、基板が正常に動作しない可能性があります。製造を考慮した設計（DFM）とは、製造業者が提示するルールに従うことを意味します。プロジェクトの早い段階でメーカーや組立業者に相談し、対応可能な範囲を確認し、必要に応じて質問しましょう。そうすることで、ミスを防ぎ、高速PCB設計をスムーズに進めることができます。
メーカーと協力する際のヒント:
製造業者と組立業者を早めに選ぶ
何ができるか確認する
差動信号とスタックアップのDFMルールに従う
これらを覚えていれば よくある間違い問題を回避し、より優れた高速 PCB 設計を行うことができます。
これらのルールに従うことで、高速PCBプロジェクトをより良くすることができます。インピーダンスを制御し、良質な材料を選べば、信号強度は維持されます。チェックリストがあれば、手順を忘れずに済み、組み立てが簡単になります。高速PCB設計についてさらに詳しく知るには、ガイドを読んだり、講習を受講したりすることもできます。細部にまでこだわり、新しいことを学べば、スムーズに動作する基板を構築できるでしょう。
FAQ
PCB 設計における制御インピーダンスとは何ですか?
インピーダンス制御とは、信号が歪みなく伝送されるようにトレース幅と間隔を設定することを意味します。特殊な材料とスタックアップを使用することで、高速信号のクリアさと信頼性を維持できます。
90° のトレース曲げを避けるべき理由は何ですか?
90°の曲げは信号の反射や損失の原因となるため、避けてください。よりスムーズな経路を実現するには、135°の曲げを使用してください。
ヒント: 緩やかに曲げると信号が強くなります。
トレース間のクロストークをどのように低減しますか?
トレースを離して配置し、グランドプレーンを使用します。
信号間の配線は、トレース幅の 3 倍以上になるようにしてください。
ノイズの多い信号の間にグランド トレースを配置します。
デカップリングコンデンサはどこに配置すればよいですか?
デカップリングコンデンサはICの電源ピンの近くに配置します。これによりノイズを遮断し、電圧を安定させることができます。
注意: 最良の結果を得るには、常に小さなコンデンサをチップの近くに置いてください。
メーカーの機能を無視するとどうなるでしょうか?
設計した基板が実際には製造できない可能性があります。トレース幅、間隔、スタックアップのオプションについては、必ずメーカーにご確認ください。
チェック | Why |
|---|---|
トレース幅 | 信号が機能することを保証する |
積み重ねる | インピーダンスを適正に保つ |
