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プリント基板設計の基本的な考え方!! 解説
プリント基板設計の重要性と基本的な考え方法
PCB、プリント基板設計は、非常に重要な設計項目です。実装する半導体部品や抵抗、コンデンサなど、各種部品の特性を活かす基板設計が重要です。実際に、プリント基板を設計するためには、さまざまな考えるべきポイントがあり、注意すべきポイントがあります。それらについて簡単にまとめてみたいと思います。
世の中にある電子機器、例えば、携帯電話、パソコン、ハードディスク、テレビ、DVD、コピー機、FAX、プリンタ、カーナビ、オーディオ機器など、セット機器の中には電子回路基板があります。そして、このプリント基板の上で半導体素子、ICやLSIなどの電子部品が働き、それによって、僕らが楽しく便利な機能を実現してくれています。でももし、回路図上で完璧な回路が設計できても、プリント基板設計がうまく出来なければ、そのセット機器は正常に動作するかは分かりません。その場合、プリント基板設計が悪いのか、作った回路が悪いのか？、見極めるのは、非常に時間が掛かります。以上の理由から、基本的なポイントをしっかり理解し、それを基板上に設計できるようしていきたいです。
プリント基板設計の基本的な注意点について
超基本的事項のまとめ
- 信号の流れに沿った部品レイアウトをする。
- パスコン、デカップリングコンデンサは、ICのすぐ近くに配置し、太く短く配線する。
- 電源・GNDライン、アナログ微小信号は、要注意。
- ロジック信号、OSC信号、PWM信号、CLK信号などパルス信号は要注意。
- ペア性に注意、対称となる配置、配線にする。
基本事項についての詳細について
では、上記基本事項について順に見ていきましょう。
| １、信号の流れに沿った部品レイアウトをする 信号の流れに沿った部品レイアウトを行うことにより、実装する素子と素子間を接続する配線が短くなり、無駄な配線領域を減らすことができます。これにより、基板サイズの縮小と無駄な引き回しがなく、パターン配線を太く短くし易いです（配線が、太く短くなれば、配線の抵抗値が小さくなり、インダクタンス成分も小さくなります）。 |
| ２、パスコン、デカップリングコンデンサは、ICのすぐ近くに配置し、 太く短く配線する これは非常に重要なポイントです。デバイス動作時や、スイッチング時の過渡電流をデカップリングコンデンサから供給させます。これにより、ICの電源の安定化と他のデバイスへの影響を減らすことができます。デカップリングコンデンサからICへの距離が長くなれば、配線のインピーダンス、インダクタンスが見えやすくなるため、効果が減少しますので、これを避けるためには、デカップリングコンデンサをICのすぐ近くに太く短く配線したいです。これについては別の章で詳しく勉強しましょう。 |
| ３、電源・GNDライン、アナログ微小信号は、要注意 電源・GNDラインは、回路に電流を供給するラインです。そのため必ず何らかの電流が流れます。また、回路の出力にFETなどがあり、電流をたくさん流す場合、特に大電流でスイッチングを行う場合は、特に注意が必要です。出力ラインのスイッチングノイズだけでなく、そこに電流を供給する、電源・GNDにももちろんその電流が流れるからです。これらは、他の配線や回路に影響を及ぼす可能性があります。これらの配線は、出来るだけ分離し、共通インピーダンスを低減させるために、基準となる一点ポイントに集めたいところです。また、アナログ信号で微少な信号を扱う場合も、パルス信号が並走したり、近くにある場合は、他の配線の影響を受ける可能性もあるため、出来るだけ離す、GND線などでシールドするなど、ケアしたいところです。 |
| ４、ロジック信号、OSC信号、PWM信号、CLK信号などパルス信号は要注意 ロジック信号や、OSC信号、PWM信号、CLK信号など、立ち上がり、立ち下がりの速いパルスの信号線は、他の配線に影響を及ぼす恐れがあるので、注意が必要です。もちろんどれくらいの周波数を扱うのか？スルーレートは、どれくらいか？など要求される仕様によってことなりますが、設計時に、パルス信号のラインをきちんと明確にし、十分遠ざけたり、シールドしたいところです。詳しくは別の章で説明しますが、 配線と配線の間には浮遊容量などが存在し、その浮遊容量による容量結合を防ぎたいためです。 |
| ５、ペア性に注意、対称となる配置、配線にする 同じ信号を扱う場合、まったく逆相の信号を扱うなど、ペアの必要な配線は、インピーダンス、インダクタンス、浮遊容量など、合わせたいため、距離や、ビアもバランスを保ち、均等に配線したいところです。 |
プリント基板設計の基本的な注意点まとめ
以上、今回は、プリント基板設計で特に注意したい基本事項を簡単にまとめてみました。
プリント基板設計で重要なのはやはり、電源及びGNDのインピーダンスを如何に下げることが出来るか、また、大電流ラインやスイッチングラインなど、パルス信号のラインの影響を如何に減らせれるかです。もちろん共通インピーダンスの影響を低減させることも、言うまでもありません。実際、ICのピン数が多くなった場合や、同じ基板上に、数多くのデバイスをマウントする必要がある場合は、特に注意が必要です。また、数多くのデバイスが密集してきたり、基板サイズが制限される場合は、空きスペースも少なく、特に難しくなります。その場合は、最も重視したいポイントは何かを十分考えて、優先順位をつけることが必要です。じっくり考えましょう。
今回は、基本事項を並べてみましたが、これ以外にも考慮すべき事柄や注意点はたくさんあるとは思います。別の章で少しずつ説明していきます。
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