RF 送信を最小限に抑えるための PCB 設計ガイドライン

PCB には、あまり意味のない特定の設計ガイドラインや、過剰で不必要に見える実践があります。 多くの場合、これらは RF 送信という黒魔術によって引き起こされます。 これは電子回路の不幸で意図せぬ結果であるか、電子回路の魔法的で便利な機能のいずれかであり、これらの影響を軽減または除去したり調整したりするために多くの設計時間が費やされます。

これがプロジェクトにとってどれほど重要なのか、また意図しない放射放出について心配する必要があるのか​​どうか疑問に思っています。 Baddeley の重要度スケールでは次のようになります。

信号がワイヤを伝わると、その周囲の空間に電界が発生します。 DC 信号の場合、フィールドは変化しないため、RF の世界では刺激的なことは何も起こりません。すべてが一定です。 純粋なDCは非常にまれです。 スイッチング電圧調整を行っていない限り、バッテリーでもそれができますが、壁の電源に接続されているものはすべて50ヘルツまたは60ヘルツの正弦波になり、整流され、変換され、平滑化され、DC電圧のようなものに突き刺されます。 。 実際には (電源の品質にもよりますが)、この電源にリップルが発生し、DC 電圧に小さな変化が生じ、小さな変化する電界が効果的に生成されます。 水晶発振器、チップ間の信号線、メモリ バスなどはすべて、電圧信号がワイヤに沿ってある場所から別の場所に移動します。 このように、電子機器には信号と変化する電場が溢れています。 電場が電磁放射になるのは、主にマクスウェル、ファラデー、ガウスによって解明された多くの数学を通じて、これらの変化する電場です。

放射線の周波数は電場が変化する周波数であり、これに影響を与える要因は数多くあります。 1 つは、電界が伝わるワイヤの形状です。 差動ペアと呼ばれるものがある場合、ワイヤを流れる電界は互いに打ち消し合い、その結果、送信はほとんど行われなくなります。 もう一方の端が接続されていないワイヤがある場合、信号はその長さを伝って反射して戻ってくる可能性があります。 ワイヤーの長さが、反射時に電波を打ち消すのではなく増幅するように調整されていれば、優れたアンテナが得られます。 周波数の話に戻りますが、それは決して完璧な正弦波ではありません。 それは異なる周波数の波の組み合わせです。 アンテナ受信機には、信号を抽出するために範囲内の周波数を分解する電子機器が搭載されています。 現代のものはほとんど FM なので、メインキャリア周波数があり、データ信号でわずかに変更されます。

トレース アンテナは、PCB 上の小さな銅線のストリップで作られたアンテナで、特定の周波数でたまたま共振します。 これは、2.4 GHz トランシーバーの F アンテナ設計のように意図的なものである可能性もあれば、長くて薄いストリップが形成されるグランド注入などの偶発的なものである可能性もあります。 これを避けるために、どこにも行き着かない痕跡がないか地面の注ぎ口を注意深く調べてください。 それらを取り除くか、配線が共振しないようにビアを挿入してください。 地面をできるだけ膨らませてください。 指の数が増えれば増えるほど、また指をスライスしたり伸ばしたり、分離したりすればするほど、意図しない放射線がより多く発生することになります。 原則として、意図的にアンテナを作成する場合を除き、両端が接続されていないワイヤは使用しないでください。 これは、接続されていないボード IO に適用される可能性があります。 結局のところ、その IO コネクタに何も接続されていない場合、それはどこにもつながっていない単なるトレースです。 マイクロコントローラーがケーブルが抜かれたことを検出できるほど賢い場合は、そのワイヤーに信号を送信しないでください。 未使用の IO をすべてグランドに接続します。

基板の端に近く、グランド プレーン層から遠いトレースでは、より多くの電磁干渉が放射されます。 ビアステッチとは、PCB のエッジ全体 (または可能な限り) にビアのリングをグラウンドプレーンに接続することを指します。 信号トレースの側面にビアを並べて、トレースからの EMI を低減することもできます。 さらに、適切な量のビアによってグランド プアがグランド プレーンに接続される必要があります (4 層基板に別のグランド層がある場合、または 2 層基板のほとんどが底部でグランドされている場合)。 これにより、偶発的なアンテナの接続が防止され、グランド全体が常に同じ電位に保たれます。

マイクロコントローラーおよび電源レギュレーターのデータシートには、電源ピンに接続されたデカップリングまたはバイパス コンデンサーが記載されています。 これらのチップは常に同じ量の電力を使用するわけではありません。 チップが動作するにつれてわずかに変化し、一時的に電力のサージが必要になる場合があります。 これは、電源ピンで信号が急速に変化しているように見えます。 デカップリング キャップの目的は、これらの電源ピンのすぐ隣に小さな電力の貯蔵庫を設け、チップが激しく急速に変動した場合に、その急速な変化を電源配線全体に伝播させることなく、コンデンサが電力需要を平滑化できるようにすることです。 フェライト ビーズは通常、スイッチング電源を電源プレーンに接続するときに使用され、電源からノイズを分離するため、電源出力の隣に (デカップリング コンデンサとともに) 配置されます。

なぜ必要以上にワイヤーを長くするのでしょうか？ 場合によっては、ある連絡先から別の連絡先に到達するために、トレースにかなり遠回りなルートを強制的に実行する必要があることがあります (ふふふ)。 このルールは、どのルートが短くなり、どのルートが長くなり得るかを優先することを目的としています。 一般に、ワイヤ上を伝わる信号の速度が速いほど、優先順位が高くなり、理想的な配線長は短くなります。 クリスタルはマイクロコントローラーにできるだけ近づけて、ワイヤーが 2 つの間を直接通るようにする必要があります。 1 ミリメートル余分に電界が変化し、放出量が増加します。 UART では、信号がそれほど速く変化せず、正の電圧レールが全体的に蛇行する可能性があるため、はるかに長いワイヤを使用できます。 信号が高速であるということは、遅延を最小限に抑えるためにコンポーネント間の距離を短くする必要があることを意味しますが、RF 防止も重要であるため、これは良い方法です。

PCB にはケーブル接続、基板間接続、またはチップ間接続があり、それぞれ長い配線が使用される可能性があるため、抵抗とバイパス コンデンサを直列に接続することで、配線にフィルタリングを追加してノイズを低減できます。ノイズ源 (通常はマイクロコントローラー) のできるだけ近くで接地してください。

これらは非常にうるさく、安ければ安いほどショートカットが多くなります。 50/60 Hz の高調波で RF 放射を放出するだけでなく、通常は数百 KHz の周波数で動作するスイッチング電源も大量のノイズの原因となります。 そうなると、出力があまり安定しない可能性があり、プロジェクトに到達するまでに大量のノイズがワイヤを伝わって放射され、プロジェクトはノイズの多い電源で動作することになります。 安価な電源の安全性への懸念は言うまでもありません。

違いが生じないのは、トレースの角度です。 1 GHz の速度を超えても、トレース内の 90 度の角度では放射 EMI に他の角度と比べて測定可能な差がないことがわかりました。

排出量を削減するための PCB レイアウトに関するより詳細なアプリケーション ノートが必要な場合は、このトピックに関する TI のホワイト ペーパーを参照してください。 また、FCC 向けに製品を準備するためのガイドも参照してください。