プリント基板設計の基本的な考え方！！このサイトは、プリント基板設計の基礎を
勉強するページです。発熱対策、ノイズ対策まで幅広く紹介していきます。
パスコン、デカップリングコンデンサの基本的な考え方!! 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。
電源ライン、デカップリングコンデンサの役割 電源からICなど部品に電圧や電流を供給する場合、電源からICにつながる配線と流れる電流（スイッチング電流）により、電源ラインに電圧降下や電磁誘導が発生し、
ICの電源にリップルやノイズが発生する可能性があります。もちろん使う電流値や周波数、基板パターンにもよりますが、これらの影響を低減させる方法を
考えてみたいと思います。
電源ラインのコンデンサの効果について
超基本的事項のまとめ
- 瞬時電流を供給させる役割
- 広い周波数範囲で電源ラインのインピーダンスを下げる
- 外部のノイズを防止する
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、瞬時電流を供給させる役割 電源ラインが大元の電源から配線でつながる場合、そこには少なからずインピーダンスやインダクタンスが存在します。この場合、例えばICに大きなスイッチング電流が流れたと仮定すると、そのラインのインピーダンスと流れるスイッチング電流の周期で電圧降下や電磁誘導が発生します。これを防ぐために、ICの直ぐ近くに電解コンデンサなど、デカップリングコンデンサを付け、電解コンデンサから瞬時の大電流を供給させ、電源ラインから瞬時電流を流さないようにしたいです。 ＜容量値との関係＞ ICに流れる電流に対してコンデンサの容量が不足している場合、もちろん効果が低くなります。許容リップル電圧に対する容量の大きさは、コンデンサの基本式であるCV=itに従うため、ある程度見積もれるのではないでしょうか。ただし、実際は基板に寄生容量が付いたり、インダクタンスが付いたりと、パターンによって見積もりにくいので、容量を選定する場合は、ある程度マージンをみて容量が大きいコンデンサを選ぶのがよいと考えます。パスコンの役割や容量値の算出は 高速ディジタル回路実装ノウハウ が詳しいです。 ＜注意すべきコンデンサの特性＞ 低い周波数帯域でインピーダンスを下げるためには、電解コンデンサを使うのがよいですが、注意すべきことは電解コンデンサの内部ESRやESLです。出来るだけESR、ESLの値の小さいコンデンサを使ってリップルを下げたいところです。 |
| ２、広い周波数範囲で電源ラインのインピーダンスを下げる 電源ラインにコンデンサを付けることにより、AC的な電源ラインのインピーダンスを下げることができます。これはコンデンサの周波数特性を利用したものです。コンデンサの周波数特性から分かるように、低い周波数は大容量の電解コンデンサ、高い周波数用に値の小さなセラミックコンデンサなどを並列につけることにより、広い周波数範囲に渡って電源ラインのインピーダンスを下げることができます。これはEMI、EMCノイズ対策にもなりそうです。 |
| ３、外部のノイズを防止する この役割はいわゆるバイパスコンデンサ（パスコン）的な役割です。電源ラインに付ける電解コンデンサは、大元の電源から見ると、付けている電解コンデンサとコンデンサをつけている場所までの配線や、インダクタンス成分、Ｒ、LとCでローパスフィルタが形成されます。仮に、他のブロックなどで電源ラインにノイズやリップルが発生しても、ICにつけている電解コンデンサにより、ノイズを低減できる効果があります（ただし、ローパスフィルタのカットオフ周波数と外部のノイズの周波数によります）。 |
プリント基板設計の基本的な注意点まとめ
以上、今回は電源ラインのデカップリングコンデンサ、バイパスコンデンサなどについて簡単に説明してみましたが、実際はパターンによるところも多いので、一般に言われている大容量のコンデンサと小容量のコンデンサを並列に付け、若干余裕をみた値を付けるのが良いのではないでしょうか。また、配線のインピーダンスやインダクタンスを低減させるためにも出来るだけICの近くに、太く短くつけるのは言うまでもありません。
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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