PCBグランドプレーン設計：信号完整性とEMI低減の完全ガイド（2025年版）

はじめに

グランドプレーンは、現代のPCB設計において最も重要な要素と言えます。適切に設計されたグランドプレーンは、信号品質を確保し、電磁妨害(EMI)を低減し、熱管理を提供し、安定した電源分配を実現します。しかし、PCBレイアウトの中で最も誤解されている側面の1つでもあります。

多くの設計者は、グランドプレーンを後回しにして扱い、未使用エリアを銅で埋めるだけの作業と考えています。このアプローチは、EMCテストの失敗、不可解なノイズ問題、ベンチでは動作するが量産で失敗する基板につながります。実際には、グランドプレーンの設計は信号配線と同じくらいの注意を必要とします。

この包括的なガイドでは、PCBグランドプレーンについて知っておくべきすべてを網羅しています。リターン電流の基本的な物理から、高速および混合信号設計の高度な技術まで。シンプルな2層基板を設計している場合でも、複雑な8層システムを設計している場合でも、これらの原則は堅牢でEMC準拠の設計を実現するのに役立ちます。

PCBグランドプレーンとは？

PCBグランドプレーンは、回路のグランド基準に接続された銅の大きな領域です。多層基板では層全体を占めることができますし、単層設計では重要な部分を占めることもあります。長くインダクタンスの高いリターンパスを作る細いグランドトレースとは異なり、グランドプレーンは、すべての信号と電源に対して低インピーダンスで広い領域の基準を提供します。

グランドプレーンを、リターン電流のための高速道路システムと考えてください。それがないと、リターン電流は狭い裏道(トレース)を通らなければならず、渋滞(高インダクタンス)、遅延(信号品質の問題)、汚染(EMI)を引き起こします。適切なグランドプレーンがあれば、リターン電流は無制限のレーンを持ち、スムーズで効率的な動作が可能になります。

グランドプレーンの4つの重要な機能

適切に設計されたグランドプレーンは、PCBにおいて4つの重要な機能を果たします。

1. 信号電流のリターンパス

すべての信号トレースは、その電流のリターンパスを必要とします。グランドプレーンは、最小のインダクタンスでこのパスを提供します。高周波では、リターン電流は誘電体における変位電流を通じて信号トレースの真下を自然に流れ、タイトで低インダクタンスのループを作ります。

2. インピーダンス制御基準

高速信号には制御されたインピーダンス(通常、シングルエンドで50オーム、差動で90-100オーム)が必要です。グランドプレーンは、マイクロストリップとストリップライン伝送線の基準を提供し、トレース幅と誘電体高さの慎重な制御により予測可能なインピーダンスを可能にします。

3. EMIシールド

グランドプレーンは電磁シールドとして機能し、基板からの放射と外部干渉の影響の両方を低減します。連続したグランドプレーンは、それがない基板と比較してEMI性能を15dB改善できます。

4. 電源安定性(デカップリング容量)

密接に配置された電源プレーンと組み合わせると、グランドプレーンは大きな分散容量を形成します。このプレーン容量は、電源供給を安定化し、電源分配ネットワーク(PDN)の高周波ノイズを低減します。

リターンパスの理解

グランドプレーン設計で最も重要な概念は、リターン電流がどのように流れるかを理解することです。この単一の原則を正しく理解すれば、ほとんどのグランドプレーンのルールが説明でき、インテリジェントな設計決定を下すことができます。

リターン電流の流れ方

よくある誤解は、リターン電流がソースへの最短経路を取るというものです。実際には、リターン電流は最低インピーダンスの経路を取りますが、これは周波数によって変わります。

DCおよび低周波では - リターン電流は最低抵抗の経路に従い、グランドプレーン全体に広がります
高周波(約1 MHz以上)では - リターン電流は最低インダクタンスの経路に従い、信号トレースの真下を流れます

この周波数依存の動作は、インピーダンスがZ = R + jwLだからです。低周波では抵抗(R)が支配的です。高周波では誘導リアクタンス(jwL)が支配的になり、電流はインダクタンスを減らすためにループ面積を最小化しようとします。

なぜこれが重要か

高速信号トレースの真下に銅がない場合、リターン電流はギャップの周りを迂回しなければなりません。これにより大きなループ面積が作られ、インダクタンスが増加し、信号反射が発生し、EMIを放射します。重要な信号の下のグランドプレーンの単一のギャップが、EMC不合格の原因になる可能性があります。

ループインダクタンスの最小化

ループインダクタンスは、グランドプレーン性能の重要な指標です。より低いループインダクタンスは次のことを意味します。

オーバーシュート/アンダーシュートが少ないクリーンな信号エッジ
より低い放射エミッション(より良いEMC)
電圧降下が少ない優れた電源品質
低減されたグランドバウンス

不適切に設計されたグランドプレーンは、信号あたり10-20 nHのループインダクタンスを持つ可能性があります。ソリッド基準を持つ適切に設計されたグランドプレーンは、これを5 nH未満に減らし、性能を大幅に向上させることができます。

構成	典型的なループインダクタンス	EMI性能
グランドトレース(プレーンなし)	20-50 nH	悪い
グランドグリッド(2層)	10-20 nH	中程度
ソリッドグランドプレーン(4層以上)	2-5 nH	良い
デュアルグランドプレーン(8層)	1-3 nH	優秀

グランドプレーンの層構成戦略

層構成は、グランドプレーンがPCBのどこに配置され、信号と電源品質にどれだけ効果的に役立つかを決定します。各追加層数のティアは、より良いグランドプレーン構成を可能にします。

2層基板のグランド戦略

2層基板は、信号とグランドが限られたスペースを共有しなければならないため、グランドプレーン設計にとって最大の課題を提示します。戦略には以下が含まれます。

底層にグランドを注ぐ - 底層の可能な限り多くをグランドに割り当て、トップで信号を配線する
グランドグリッドパターン - ソリッドな注ぎが不可能な場合、グランドトレースのグリッドを作成する。グリッド間隔は最高周波数の波長の1/10未満にする
太いグランドトレース - 抵抗とインダクタンスを減らすために、50 mil(1.25mm)以上のトレースをグランドに使用する

2層の制限

ベストプラクティスを使用しても、2層基板は専用のグランドプレーンを持つ4層基板よりも約15dB多くの放射を生成します。高速信号(USB、10+ MHzのSPI、または25 MHz以上のクロック)を持つ設計の場合は、4層へのアップグレードを検討してください。

4層基板：品質の最小要件

4層基板は専用のグランドと電源プレーンを可能にし、EMIと信号品質を劇的に改善します。推奨される構成は次のとおりです。

層1(トップ):信号 + 部品水平に配線

層2:グランドプレーン連続、ソリッド

層3:電源プレーン複数のレールの分割可能

層4(ボトム):信号 + 部品垂直に配線

この構成は、トップ層の信号の真下にグランドを配置し、優れたリターンパスの連続性を提供します。層3の電源プレーンは、層2のグランドと組み合わせて、電源安定性のためのプレーン容量を形成します。

このよくある間違いを避ける

信号-GND-GND-信号または信号-電源-GND-信号の構成を使用しないでください。前者は電源プレーン容量を提供しません。後者は、トップ信号から電源を遠ざけてローカルリターンパスがなく、層1から層4への信号配線はリターンパスが壊れます。

6層基板：最適な選択

6層基板は、プレーン間に2つの信号層を追加し、優れたシールドで埋め込まれた高速配線を可能にします。推奨される構成:

層1:信号(低速、部品)外部マイクロストリップ

層2:グランド主要基準

層3:電源容量のためL2に近接

層4:信号(高速)ストリップライン、シールド

層5:グランド二次基準

層6:信号(低速)外部マイクロストリップ

これにより、層4で両側にグランドプレーンがあるシールドされた高速信号配線が提供されます。タイトなL2-L3間隔は優れたプレーン容量を作り、デュアルグランドプレーンはすべての信号が近くの基準を持つことを保証します。

8層基板：完全なEMC準拠

8層基板は、妥協なくすべてのEMC目標を達成するための最小要件です。2つの専用グランドプレーン、電源プレーン、および複数のシールドされた信号層を提供します。

L1: 信号(マイクロストリップ)L2: グランドL3: 信号(ストリップライン)L4: 電源L5: グランドL6: 信号(ストリップライン)L7: グランドL8: 信号(マイクロストリップ)

8層構成の主な利点:

3つのグランドプレーンが冗長な基準を提供
すべての信号層に隣接するグランド基準がある
L3とL6のストリップライン配線は完全にシールド
中央にタイトに結合された電源-グランドペア

コストの考慮事項

4層から6層への移行は通常30-40%のコスト増加があります。6層から8層への移行はさらに30-40%追加されます。ただし、単一のEMC不合格(再スピン + 再テスト + 遅延)のコストは、生産ラン全体のコスト差を超えることがよくあります。

グランドプレーンの連続性の維持

グランドプレーン設計で最も重要なルールは、連続性を維持することです。グランドプレーンのあらゆる破損、ギャップ、または分割は、リターン電流を迂回させ、EMIを放射し信号品質を低下させる大きなループ面積を作り出します。

分割されたグランドプレーンが失敗する理由

グランドプレーンをアナログとデジタルのセクションに分割する慣行は、PCB設計における最も根強い神話の1つです。意図 - ノイズの多いデジタル回路から敏感なアナログを隔離する - は妥当ですが、実装はほとんど常に解決するよりも多くの問題を引き起こします。

分割されたグランドプレーンが失敗する理由:

リターンパスの中断 - 信号が分割を越えて配線しなければならない場合(ADC/DAC接続では避けられない)、リターン電流には直接的なパスがありません。分割の周りを流れなければならず、大規模なループアンテナを作成します。
スロットアンテナ効果 - 分割されたプレーン間のギャップはスロットアンテナとして機能し、スロット長が半波長に近づく周波数で効率的に放射します。
増加したインピーダンス - 分割されたプレーン間の狭い接続点(接続されている場合)は、その場所で高いインピーダンスを作成し、低インピーダンスグランドの目的を無効にします。

業界のコンセンサス

Analog Devices、Texas Instruments、Linear Technology(現在はADIの一部)を含む主要な半導体メーカーは、ほとんどの混合信号設計に単一のソリッドグランドプレーンを使用することを推奨しています。分割は、複数の高電流デジタルバスを持つ非常に高精度なシステムでのみ検討すべきです。

グランド上の配線規律

グランドプレーンを分割する代わりに、慎重な部品配置と配線規律によってアナログ-デジタル分離を実現します。

物理的分離 - アナログ部品を1つのエリアに、デジタルを別のエリアに配置しますが、連続したグランドプレーンの上に配置します
正しい側に配線 - アナログ信号をアナログセクションに、デジタル信号をデジタルセクションに、すべての層で維持します
見えない境界線を越えない - セクション間に線を想像してください。必要なADC/DACデータライン以外、信号はそれを越えてはいけません
リターンパスの認識 - 信号がセクション間で接続しなければならない場合、そのリターン電流が同じセクションに留まることを確認します(近くのグランドビアを使用)

このアプローチにより、リターン電流は中断なく信号トレースの下を自然に流れ、回路セクション間の効果的な分離を維持します。

ビアステッチングとグランド接続

ビアステッチングは、異なる層のグランドプレーンを接続し、3次元のグランド構造を作成します。正しく行われると、ステッチングビアはEMIを低減し、熱性能を改善し、リターンパスの連続性を維持します。

ビアステッチングが必要な場合

ビアステッチングは、これらの状況で不可欠です。

基板エッジの周り - グランドの周辺を作成し、エッジ放射を低減しESD電流のパスを提供します
敏感な回路の周り - RFセクション、発振器、高利得アンプをシールドするビアフェンスを形成します
複数のグランド層間 - すべてのグランドプレーンが同じ電位にあることを保証します
銅注ぎの中 - 表面のグランド注ぎを内部グランドプレーンに接続します

ビア間隔のガイドライン

ステッチングビア間の間隔は、最高動作周波数に依存します。

アプリケーション	周波数	ビア間隔
一般的なデジタル	<100 MHz	10-15 mm
高速デジタル	100-500 MHz	5-10 mm
RF(2.4 GHz)	2.4 GHz	<3 mm(1/10波長)
マイクロ波	>5 GHz	<1.5 mm

経験則：ビア間隔は、関心のある最高周波数での波長の1/10未満にする必要があります。これにより、ビアフェンスは電磁波に対してソリッドに見えます。

層遷移のためのグランドビア

信号トレースがビアを使用して層を変更する場合、そのリターン電流も層を変更する必要があります。これには、リターンパスの連続性を維持するために近くのグランドビアが必要です。

ベストプラクティス

すべての信号ビア遷移の2-3ビア直径以内にグランドビアを配置します。高速信号(USB、Ethernet、DDR)の場合、信号ビアの両側にグランドビアを配置します。これにより、リターン電流が新しい層への信号に従うための即座のパスを確保します。

リターンパスビアを提供しないと、リターン電流は別のパスを見つけなければならず、次のグランド接続に到達するために基板全体を流れる可能性があります。これにより大きなループ面積が作られ、EMIを放射します。

混合信号グランド設計

アナログとデジタルの両方の回路を含む混合信号基板は、独自のグランド課題を提示します。鍵は、適切なリターンパスを維持しながら、デジタルスイッチングノイズが敏感なアナログ測定を破損するのを防ぐことです。

単一ソリッドグランドプレーンアプローチ

低から中程度のデジタル電流(典型的なマイクロコントローラーを持つ単一のADC/DAC)を持つほとんどの混合信号設計では、最良のアプローチは、慎重なレイアウトを持つ単一の途切れないグランドプレーンです。

レイアウトを通じてアナログとデジタルの電流を分離 - リターン電流は自然に信号トレースの下を流れます。アナログ信号をアナログエリアに保持すれば、そのリターン電流もそこに留まります。
ADC/DACでのスターポイント - メーカーが推奨するように、ICでAGNDとDGNDピンを接続します。これらの接続を分離しないでください。
シングルポイント電源エントリー - すべての電源は1つの場所で基板に入る必要があり、必要に応じてアナログとデジタルレールの別々の調整があります。

コンポーネントパーティショニング戦略

成功した混合信号設計の鍵は、コンポーネントのパーティショニングです - グランドプレーンを物理的に分割することなく、基板を別個の領域に整理します。

アナログ領域

ADC/DAC基準回路
精密アンプ
センサーインターフェース
アナログフィルター

デジタル領域

マイクロコントローラー
メモリ
通信インターフェース
デジタルI/O

電源領域

スイッチングレギュレーター
パワーMOSFET
バルクキャパシタ

電源領域は、スイッチングレギュレーターが主要なEMIソースであるため、敏感なアナログ回路から離して保ちます。デジタルとアナログ領域は隣接できますが、必要な場合にのみ信号が越える明確な境界を持つべきです。

スターグランドが意味を持つ場合

スターグランド - 別々のグランド領域を単一の共通点に接続する - は、特定の状況でのみ適切です。

非常に低周波アナログ(<100 kHz) - オーディオ機器、DCオフセットが重要な精密計測器
高電力混合システム - 敏感なアナログと基板を共有するモータードライブ
ガルバニック絶縁システム - 安全絶縁が別々のグランドを必要とする場合

警告

スターグランドを使用する場合、グランド領域間のギャップを越えて信号を配線してはいけません。領域間の唯一の接続は、スターポイントを通じてでなければなりません。信号が越えると大きなEMIループが作られます。これが、スターグランドが高速インターフェースを持つ現代の混合信号設計でほとんど機能しない理由です。

銅注ぎとグランド充填

銅注ぎ(グランド充填またはフラッドとも呼ばれる)は、未使用のPCBエリアをグランドに接続された銅で埋めます。正しく行われると、EMI性能と熱放散が改善されます。誤って行われると、解決するよりも多くの問題を作成します。

グランド注ぎのベストプラクティス

常に注ぎをグランドに接続 - 銅をフローティングのままにしないでください。フローティング銅はアンテナとして機能し、近くの信号にノイズを結合できます。
注ぎをグランドプレーンにステッチ - 10-15mmごとにビアを使用して、表面注ぎを内部グランドプレーンに接続します
信号へのクリアランスを維持 - 容量結合を避けるために、注ぎと信号トレース間に少なくとも2倍のトレース幅のクリアランスを保ちます
小さな孤立した島を削除 - EDAツールを設定して、1mm平方未満の銅島を削除します(目的を果たさず製造を複雑にします)

フローティング銅島の回避

フローティング銅 - どのネットにも接続されていない銅 - は重要なEMIハザードです。次のことができます。

信号間にノイズを容量結合する
特定の周波数で共振し、ノイズを増幅する
アンテナとして機能し、干渉を放射または受信する

フローティング銅の一般的な原因:

配線によって作成された銅島が注ぎの一部を切り離す
グランドビア接続がないエリアの注ぎ
誤って構成された注ぎからネットへの割り当て

EasyEDA/KiCadのヒント

接続されていない銅を特に探すDRCチェックを実行します。ほとんどのEDAツールは、フローティング銅島を識別できます。EasyEDAでは、デザイン → DRCチェックを使用し、"Copper area not connected"警告を探します。製造前にこれらの島を削除または接続してください。

高速設計のためのグランドプレーン

高速信号(USB、HDMI、DDR、PCIe、Ethernet)は、厳格なグランドプレーン要件を持っています。グランドプレーンは単なるリターンパスではありません - 信号のインピーダンスと品質を定義する伝送線の不可欠な部分です。

グランド基準によるインピーダンス制御

制御されたインピーダンス伝送線は、一貫したグランド基準を必要とします。インピーダンスは次に依存します。

トレース幅(W) - より広いトレースはより低いインピーダンスを持つ
誘電体高さ(H) - トレースからグランドプレーンまでの距離
誘電率(Er) - 材料特性、FR4では通常4.2-4.8
銅厚(T) - 通常1oz(35um)または2oz(70um)

インターフェース	シングルエンド(オーム)	差動(オーム)
USB 2.0	-	90
USB 3.0	-	90
HDMI	-	100
DDR4	40	80
Ethernet(10/100)	-	100
一般的なシングルエンド	50	-

制御されたインピーダンストレースの下のグランドプレーンのあらゆる不連続性は、インピーダンスの不連続性を作り、信号反射と信号品質の低下を引き起こします。小さなギャップでさえ、典型的な+/-10%の許容範囲を超える10-20%のインピーダンススパイクを引き起こす可能性があります。

マイクロストリップ対ストリップライン

2つの主要な伝送線タイプは、異なるグランドプレーン要件を持っています。

マイクロストリップ

外層の信号
隣接する内層のグランドプレーン
空気にさらされる(より低い実効Er)
製造が容易
シールドが少なく、より多くのEMI

ストリップライン

内層の信号
上下のグランドプレーン
誘電体に埋め込まれている
より良いシールド、より低いEMI
より多くの層が必要

最良のEMI性能のために、高速信号をグランドプレーン間のストリップラインとして配線します。これには少なくとも6層の基板が必要です。4層を使用する場合、層2にグランドがある層1のマイクロストリップは許容できますが、より高いEMIを持ちます。

グランドバウンスとSSN緩和

グランドバウンスは、多くの出力が同時にスイッチングすると発生し、ICグランドとPCBグランド間の過渡電圧差を引き起こします。同時スイッチングノイズ(SSN)は、この効果のシステムレベルの現れです。

グランドバウンスが引き起こすもの:

誤った論理遷移
タイミングエラー(セットアップ/ホールド違反)
増加したジッター
EMI放射

緩和戦略:

デカップリングキャパシタ - すべての電源ピンの3mm以内に100nFキャパシタを配置します。近くに1-10uFバルクキャパシタを追加します。
複数のグランドピン - すべてのグランドピンをグランドプレーンに直接接続します。グランドピンをデイジーチェーン接続しないでください。
ずらされたスイッチング - 可能であれば、同時電流需要を減らすために出力スイッチング時間を1msずつずらします。
低インダクタンスパッケージ - BGAパッケージは、短いボンドワイヤーのためQFPよりもはるかに低いインダクタンスを持っています。
LVDSを使用 - 低電圧差動信号伝送は、論理状態に関係なく一定の電流引き込みを持ち、スイッチング過渡を排除します。

熱的考慮事項

グランドプレーンはヒートシンクとして機能し、PCB全体に熱エネルギーを分散します。適切な熱設計により、電気的性能を維持しながらコンポーネントが動作温度内に保たれます。

サーマルリリーフパッド

コンポーネントパッドが大きな銅プレーンに接続されると、はんだ付け中にプレーンがヒートシンクとして機能し、適切なはんだ接合を達成するのが困難になります。サーマルリリーフパッドは、狭いスポークを使用してパッドをプレーンに接続することでこれを解決します。

スルーホールパッドにサーマルリリーフを使用 - プレーンに接続するすべてのスルーホールピンはサーマルリリーフを使用すべきです
SMDパッド：アプリケーションに依存 - ほとんどのSMDパッドにはサーマルリリーフを使用します。低抵抗が必要な高電流パッドには、ソリッド接続を使用します。
ビアは一般的にサーマルリリーフを必要としない - ビアははんだ付けされないため、低インピーダンスのためにソリッド接続が優先されます

典型的なサーマルリリーフ設定

スポーク幅: 8-12 mil(0.2-0.3mm)
スポーク数: 4(90度間隔)
ギャップ幅: 10-15 mil(0.25-0.4mm)
アンチパッド直径: パッド直径 + 2×ギャップ

グランドプレーンへの熱ビア

熱ビアは、コンポーネントの熱パッドから内部グランドプレーンと反対側の銅に熱を転送し、熱性能を大幅に改善します。

ビア直径 - 0.2-0.4mm(8-16 mil)。密なレイアウトでは小さく、より良い熱伝達では大きく。
ビア間隔 - リフロー中のはんだ吸い込みを防ぐために、中心間1-1.2mm(40-48 mil)
ビア数量 - 5Wコンポーネントの場合、0.3mm直径のビアを少なくとも4-6個使用します。これにより局所温度を20度C下げることができます。
接続 - 熱ビアは、最良の熱伝達のためにソリッド接続(サーマルリリーフなし)でグランドプレーンに接続すべきです

計算例

0.3mmドリル、1ozめっき(25um)の熱ビアは、約70-100度C/Wの熱抵抗を持ちます。5つのそのようなビアを並列にすると、約15-20度C/Wを提供し、内部プレーンへの効果的な熱伝達を可能にします。

RFとアンテナのためのグランドプレーン

RF回路とアンテナは、標準的なデジタル設計とは異なる特定のグランドプレーン要件を持っています。グランドプレーンは単なる基準ではありません - 放射構造の一部です。

アンテナグランドプレーン要件

モノポールアンテナ(WiFi/Bluetooth用のチップアンテナなど)の場合、PCBグランドプレーンはダイポールの第2要素として機能します。適切なグランドプレーンのサイズは重要です。

周波数	波長	最小グランドプレーンサイズ
2.4 GHz(WiFi/BT)	125mm	35mm x 35mm
915 MHz(LoRa)	328mm	82mm x 82mm
433 MHz	693mm	173mm x 173mm

グランドプレーンは、すべての方向でアンテナ給電点から少なくとも1/4波長延びる必要があります。2.4 GHzチップアンテナの場合、これはアンテナの後ろと横に少なくとも35mmのソリッドグランドプレーンを意味します。

RFキープアウトゾーン

アンテナの真下と周囲のエリアは、すべての層で銅がない必要があります。

アンテナの下 - すべての層で完全な銅なしゾーン。グランド、電源、トレースなし。
アンテナの端 - アンテナ要素のエッジを超えて3-5mmキープアウトを延長します
ビアステッチング - アンテナ近くのグランドプレーンのエッジに沿ってステッチングビアを配置し、1/10波長未満の間隔(2.4 GHzで約1.25mm)にします

一般的なRFの間違い

アンテナキープアウトゾーンにコンポーネント、トレース、または銅注ぎを配置することは、ワイヤレス性能不良の第一の原因です。常にアンテナメーカー推奨のキープアウト寸法に正確に従ってください。疑わしい場合は、キープアウトを大きくしてください。

一般的なグランドプレーンの間違い

EMI不合格と信号品質の問題を引き起こす、これらの頻繁なグランドプレーン設計エラーを避けてください。

1. グランドプレーンのギャップ上に信号を配線

ギャップ上に配線された信号は、リターン電流を迂回させ、大きなループアンテナを作成します。小さなギャップでもEMC不合格を引き起こす可能性があります。

2. アナログ/デジタル分離のためのグランドプレーンの分割

これはほとんど常にEMIを悪化させます。物理的な分割の代わりに、パーティショニングと配線規律を使用してください。

3. フローティング銅島を残す

接続されていない銅はアンテナとして機能します。ビアでグランドに接続するか、完全に削除してください。

4. 層遷移でのリターンパスビアの欠落

すべての信号ビアには、リターン電流のために近くのグランドビアが必要です。信号ビアの2-3ビア直径以内にグランドビアを配置してください。

5. 不十分なビアステッチング

内部プレーンにステッチされていないグランド注ぎは利益を提供しません。10-15mmごとにビアを使用してください(RFではより頻繁に)。

6. スタックアップの間違った層にグランドプレーン

グランドは層2(トップ信号の真下)にあるべきで、層3ではありません。信号-電源-グランド-信号のスタックアップは問題があります。

7. ICグランドピンのデイジーチェーン接続

各グランドピンは、独自のビアを介してグランドプレーンに直接接続すべきです。デイジーチェーン接続はインダクタンスとグランドバウンスを増加させます。

8. アンテナキープアウトゾーンの銅

アンテナの下または直近にある銅は性能を低下させます。メーカーのキープアウト仕様に正確に従ってください。

結論

グランドプレーンは、すべての成功したPCB設計の基礎です。すべての信号のリターンパスを提供し、高速トレースのインピーダンスを確立し、EMIからシールドし、電源分配を安定化します。それを正しく行うには、リターン電流が実際にどのように流れるかを理解する必要があります - 最短距離ではなく、最小インダクタンスの経路に従います。

覚えておくべき重要な原則:

連続性を維持 - 連続したグランドプレーンは、ほとんど常に分割されたものよりも優れています。分離には物理的なギャップではなく、配線規律を使用してください。
3Dで考える - ビアステッチングを使用して、層間でグランドプレーンを接続し、層遷移を通じてリターンパスを維持します。
スタックアップを計画 - トップ信号に隣接する層2のグランドは重要です。高速設計には6層以上を検討してください。
すべての信号をサポート - すべてのトレースには、その下にグランド基準が必要です。高速信号に例外はありません。

この記事のガイドラインに従うことで、EMCテストに合格し、信号品質を維持し、量産で確実に動作する基板を作成できます。適切なグランドプレーン設計に投資した時間は、デバッグの削減、再スピンの削減、より良い製品性能で配当を支払います。

よくある質問

2層基板でグランドプレーンを使用すべきですか？

はい、底層の可能な限り多くをグランドに割り当ててください。その層に信号もあるため真に連続的なプレーンを実現できませんが、グランドカバレッジを最大化することでEMIが大幅に改善されます。トップ層の未使用エリアにもグランド注ぎを使用し、可能な場所で底のグランドにステッチしてください。

アナログとデジタルのためにグランドプレーンを分割すべきなのはいつですか？

ほとんどありません。現代のベストプラクティスは、慎重なコンポーネントパーティショニングと配線規律を持つ単一のソリッドグランドプレーンを使用することです。分割されたプレーンは、信号が不可避的にセクション間を越えなければならないため、解決するよりも多くのEMI問題を引き起こします。非常に低周波精密アナログ(<100 kHz)または安全のためにガルバニック絶縁が必要な場合にのみ、分割を検討してください。

ビアステッチングにはいくつのビアが必要ですか？

一般的な設計では10-15mm、高速デジタルでは5-10mm、RFでは1/10波長未満(2.4 GHzで約3mm)でステッチングビアを配置します。より多くのビアは一般的により良いです - コストはEMI利益と比較して最小限です。

グランドプレーンのギャップ上に高速信号を配線するとどうなりますか？

リターン電流はギャップの周りを迂回しなければならず、大きなループ面積を作ります。これにより、インピーダンスの不連続性(信号反射)、増加したループインダクタンス、重大なEMI放射が発生します。USBまたはEthernetトレースの下の単一のギャップが、設計がEMC認証に不合格になる原因となる可能性があります。

すべてのグランド接続にサーマルリリーフを使用すべきですか？

スルーホールパッドと手ではんだ付けされるSMDパッドにはサーマルリリーフを使用してください。リフローのみの組み立てのビアとパッドには、ソリッド接続が許容でき、より良い電気的および熱的性能を提供します。熱伝達のために設計された熱ビアには、サーマルリリーフを使用しないでください。

デカップリングキャパシタはIC電源ピンにどれくらい近くあるべきですか？

標準的なデジタルICでは3mm以内、高速ICではできるだけ物理的に近くにしてください。キャパシタのグランドビアは、数ミリメートル離れているのではなく、キャパシタのすぐ隣にあるべきです。電源ピン、キャパシタ、グランドビアによって形成されるループ面積は最小化すべきです。

WiFiアンテナの最小グランドプレーンサイズは？

2.4 GHz WiFi/Bluetoothの場合、グランドプレーンは、グランドが存在するすべての方向でアンテナ給電から少なくとも35mm(約1/4波長)延びる必要があります。より小さなグランドプレーンは、アンテナ効率と範囲を大幅に低下させます。アンテナの直下と周囲(通常5-10mm)のエリアは、完全に銅がない必要があります。

4層基板は常にEMIのために2層よりも優れていますか？

一般的にはい - 専用グランドプレーンを持つ4層基板は、通常2層基板よりも15dB低いEMIを持っています。ただし、改善は適切なスタックアップ(層2のグランド)とグランドギャップ上の配線をしないことに依存します。グランドプレーンを通じて信号配線がある不適切に設計された4層基板は、適切に設計された2層基板よりも悪くなる可能性があります。