EMC対策はいつから始める？設計初期に検討しておきたいポイント

基板設計では、アナログ回路とデジタル回路を分けたり、ノイズ源から影響を受けやすい回路を離したりする目的で、グラウンドプレーンを分割することがあります。

一方で、分割の仕方によっては信号のリターン電流が遠回りし、かえってノイズや信号品質の悪化につながることもあります。そのため、「ノイズ対策のためにグラウンドを分ける」という考え方だけで設計するのは注意が必要です。

この記事では、グラウンドプレーンを分割するときに起こりやすい問題や、ノイズを増やさないための設計ポイントを解説します。

グラウンドプレーンはリターン電流の経路になる

グラウンドプレーンは、基板上で基準電位をつくるだけでなく、信号電流の戻り道としても重要な役割を持っています。

信号線を流れる電流は、必ずどこかを通って戻ります。特に高速信号では、リターン電流は信号線の近くを通ろうとするため、信号線の直下に連続したグラウンドプレーンがあることが重要です。

この戻り道が短く保たれていれば、電流ループを小さくしやすくなります。

反対に、グラウンドプレーンに大きな切れ目があると、リターン電流がその部分を避けて流れなければならず、経路が長くなることがあります。

分割部分を信号線がまたぐとノイズが増えることがある

グラウンドプレーンを分割したときに特に注意したいのが、信号線が分割部分をまたぐ配置です。

信号線の直下にグラウンドがないと、リターン電流は近くの別の経路を探して迂回します。

すると、信号線とリターン経路でつくられるループ面積が大きくなり、放射ノイズが増える可能性があります。

また、戻り電流がほかの回路の近くを通ることで、不要な結合やクロストークが発生することもあります。

高速クロックや通信信号などでは、単に信号線の長さだけでなく、その下に連続したリターンパスがあるかを確認することが大切です。

アナログとデジタルでも必ず分割するとは限らない

アナログ回路とデジタル回路が混在する基板では、両者のグラウンドを分離する設計が使われることがあります。

ただし、アナログとデジタルという理由だけでグラウンドプレーンを完全に分割すればよいわけではありません。

デジタル回路からアナログ回路へノイズが回り込むのを防ぐには、まず部品配置や電流経路を分けることが重要です。

たとえば、高速クロックやスイッチング回路をアナログ入力部から離し、デジタルのリターン電流がアナログ領域を通らないように配置します。

グラウンドプレーンを一枚につなげたままでも、回路の配置や配線を工夫することで干渉を抑えられる場合があります。

分割する場合は接続位置を考える

回路の条件によっては、グラウンドプレーンを分割する方法が適することもあります。

その場合は、どこで分割したグラウンド同士を接続するかが重要です。

複数箇所で接続すると、意図しない電流経路やグラウンドループができることがあります。

一方、接続位置が遠すぎると、必要なリターン電流が長い経路を通る可能性があります。

特にADCやDACなど、アナログ信号とデジタル信号の両方を扱うICでは、メーカーが推奨するグラウンド接続方法を確認することが大切です。

端子名だけを見て独自に分離せず、データシートやリファレンスレイアウトを参考にしましょう。

プレーンを分割する前に部品配置を見直す

グラウンドプレーンを切る前に、基板上の部品配置を見直すことで解決できることもあります。

ノイズ源となるスイッチング電源、高速デジタル回路、モーター駆動回路などは、センサや増幅回路などの影響を受けやすい回路から離して配置します。

さらに、同じグラウンドプレーンを使う場合でも、大電流が流れる経路と微小信号を扱う経路が重ならないようにします。

このように電流の流れる領域を整理すると、プレーンを物理的に分割しなくてもノイズの回り込みを抑えやすくなります。

高速信号では連続したグラウンドを優先する

高速デジタル信号では、グラウンドプレーンの連続性が特に重要です。

信号の立ち上がり時間が短いほど高周波成分を多く含むため、リターン電流は信号線のすぐ近くを流れようとします。

このとき、プレーンにスリットや分割があると、信号品質やEMC性能に影響する可能性があります。

そのため、高速信号線の直下にはできるだけ連続したグラウンドを確保し、分割部分をまたがないように配線します。

どうしても別の領域へ信号を通す必要がある場合は、リターン電流がどこを通るかを含めて検討する必要があります。

グラウンド設計は回路図だけで判断しない

グラウンドの問題は、回路図だけを見ても分からないことがあります。

回路図上では同じGND記号でつながっていても、実際の基板では電流の流れる経路や距離が異なります。

ノイズ対策では、信号の行きと戻りを一組として考え、どの電流がどこを流れるのかを基板レイアウト上で確認することが重要です。

特に、高速信号や大電流回路がある場合は、プレーンの分割よりも先にリターンパスを確認しましょう。

まとめ

グラウンドプレーンは、ノイズ対策のために必ず分割すればよいものではありません。

分割部分を高速信号がまたぐと、リターン電流が迂回し、電流ループが大きくなって放射ノイズや信号品質の悪化につながることがあります。

まずは部品配置や配線経路を見直し、ノイズ電流と影響を受けやすい回路を分けることが大切です。

グラウンドプレーンを分割する場合は、接続位置やリターンパスまで確認し、高速信号の直下にはできるだけ連続したグラウンドを確保しましょう。

回路図上のGNDだけで判断せず、実際の基板上で電流がどのように戻るかを意識することが、ノイズを増やさないグラウンド設計につながります。