プリント回路基板（PCB）設計者は、基板レイアウト時に電磁干渉（EMI）の問題に悩まされることがよくあります。システム仕様を満たすためには、電磁両立性（EMC）を考慮する必要があります。レイアウトにおける小さな見落としでさえ、短絡やEMI/RFIノイズといった電磁的な問題を引き起こす可能性があります。そこでPCBシールドが役立ちます。
PCB シールドとは何ですか?
PCBシールドは、PCBを保護し、電気的干渉を低減するためにPCBを囲む筐体です。通常、電磁シールドとして機能する導電性の金属材料で作られています。最も一般的に使用される材料は、アルミニウム、スチール、スズです。
シールドは、PCBを他の部品や表面との接触から保護することで、ショートを防止します。また、ショートの原因となる埃やゴミからも保護します。さらに、ラジオやモーターなど、繊細な回路に悪影響を与える可能性のある電磁干渉（EMI）も遮断します。
PCBシールドを使用する利点
PCB シールドを使用する主な利点は次のとおりです。
- ショートを防止 – シールドは、 はんだ パッド または、電子部品を分離して PCB 上のコンポーネントを保護します。
- EMI/RFI 干渉を低減 - 電磁シールドは、回路の動作に干渉する可能性のある受信および送信 EMI/RFI ノイズをブロックします。
- 衝撃から保護 – PCB の周囲の堅固なシールドは、物理的な衝撃、振動、その他の機械的ストレスから保護します。
- 放射を抑制 - PCB によって生成された電磁エネルギーが放射され、近くの電子機器に干渉するのを防ぎます。
- 安全性の向上 - シールドにより通電中の部品や回路との接触を防ぎ、感電のリスクを軽減できます。
- プロトタイプ作成が可能 – シールドを使用すると、カスタム エンクロージャを作成する前に、PCB 設計をより安全にテストし、より簡単に修正できます。
PCBシールドの種類
一般的なシールド方法は、無線周波数 (RF) シールドと Arduino シールドの 2 つです。
PCB RFシールド
高周波シールドは、電磁場、静電気、電波を遮断します。一般的な高周波シールドソリューションとしては、金属缶、エラストマー材料、フェライトビーズとプレート、導電性メッシュ、絶縁グランドプレーンなどがあります。これらのソリューションは、 ファラデーケージ外部からの干渉によって敏感なコンポーネントが妨害されるのを防ぎます。
Arduino シールド
Arduinoシールドは、Arduinoボードに取り付けて機能を追加できるモジュール式PCBです。例えば、無線、イーサネット、GSM、プロトタイピング用のシールドは、Arduinoの機能を拡張します。シールドピンは、I2CバスやSPIバス用の予約ピンを避けながら、スタック可能なボード同士を接続します。Arduinoシールドは、あらかじめ構築された回路とコードライブラリを備えているため、カスタム設計に比べて迅速な実装が可能です。
RFシールドとArduinoシールドにはそれぞれ長所と短所があります。RFシールドは堅牢なEMI保護を提供しますが、コストが高く、実装が複雑になる場合があります。Arduinoシールドは手頃な価格でシンプルですが、シールドの特殊性はそれほど高くありません。特定のアプリケーションにおいて、保護、コスト、複雑さのバランスをとるには、シールド設計を慎重に検討することが重要です。
PCB シールドはどのように機能しますか?
PCBシールドは、PCBからの電磁場を封じ込め、他の発生源からの外部EMIを遮断することで機能します。導電性の筐体が電子機器の周囲にファラデーケージを形成し、EMIはシールドの外側に沿って流れるように強制されます。これにより、シールド領域内の部品への干渉が防止されます。
シールドを適切に接地することで、放射エミッションを吸収し、接地へと転換することができます。テストポイント、ディスプレイ、およびコントロールへのアクセスを可能にするため、通常は小さな開口部が設けられています。隙間は可能な限り最小限に抑えられています。
PCBレイアウトにおけるEMIシールド設計の6つのヒント
プリント基板設計における電磁干渉を軽減するには、慎重なレイアウト技術が必要です。以下の6つの主要な戦略に従うことで、電磁干渉を抑えることができます。
- 低インダクタンスのグランドプレーンを使用します。
レイヤー全体を専用にする 多層基板 グランドプレーンとして。グランドプレーン面積を最大化することで、誘導ループ面積を削減します。これにより、電流リターンパスのインピーダンスが低下し、コモンモードノイズと放射エミッションが低減します。リターンパスアンテナを回避するため、すべての信号をビアを用いてグランドプレーンに直接接続します。
- 敏感なコンポーネントを保護します。
干渉の影響を受けやすいコンポーネントの周囲には、接地された導電性の筐体を使用してください。電磁界はシールドに電流を誘導し、反射と吸収によって侵入する電磁界を打ち消します。必要な減衰量に応じて、缶、ガスケット、スクリーンなどの適切なシールドを選択してください。
- 整合された伝送ラインでインピーダンスを制御します。
幅とスペースの比率のルールに従って、トレースインピーダンスをソースおよび負荷インピーダンスに整合させます。これにより、リンギングやEMIの原因となる反射や共振を防止できます。 制御されたインピーダンス 高速トレースの設計。必要に応じて、インピーダンス調整スタブと終端抵抗を使用してください。
- デカップリング コンデンサを使用して電源レールをバイパスします。
低インダクタンスのセラミックデカップリングコンデンサを各IC電源ピンに配置します。これにより、高速スイッチングノイズに対処するための電荷貯蔵庫が確保され、電源レールをクリーンな状態に保ちます。異なる容量のコンデンサを複数使用することで、広い周波数範囲に対応できます。
- ボードのセクションを分離してフィルタリングします。
ボードをアナログ、デジタル、高速などに分割し、信号をローカルに保持します。信号が複数のドメインをまたがる場合は、フェライト、コモンモードチョーク、コンデンサを使用してフィルタリングします。これにより、各セクションのノイズが抑制されます。
- コンポーネントの配置を整理します。
関連するコンポーネントをグループ化し、均一な方向に配置します。ノイズの多いデジタル回路は、ノイズに敏感なアナログ回路から離して配置します。トレースを効率的に配線し、長さと交差を最小限に抑えます。グラウンドへのビアを周期的に配置することで、アンテナ効果を低減します。
主なポイント
プロジェクトに適切なPCBシールドを追加すると、短絡、EMI/RFIノイズ、静電気ショックなどの問題を防ぐことができます。不要な電磁干渉を完全に遮断するには、慎重なシールド設計が必要です。PCBレイアウトと筐体に堅牢なシールドを組み込むことで、電子機器の信頼性の高い動作を確保できます。
