JP2006314046A

JP2006314046A - プリント配線板

Info

Publication number: JP2006314046A
Application number: JP2005136471A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Uematsu; 吉晃植松
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-05-09
Filing date: 2005-05-09
Publication date: 2006-11-16

Abstract

【課題】主配線から高周波ノイズを分岐させる分岐配線構造を低コストで実現したプリント配線板を得ることを目的とする。
【解決手段】共振パターン１１ａは、電源側スルーホール６に電気的に接続された電源引き込みパターン７に一端を接続され、他端は開放端である。また、共振パターン１１ｂは、ＧＮＤ側スルーホール１０に電気的に接続されたＧＮＤ引き込みパターン９に一端を接続され、他端は開放端である。共振フィルタ８は共振パターン１１ａ、１１ｂを備えている。
【選択図】図２

Description

この発明は、携帯電話基地局や海底ケーブルシステム、陸上端局等の通信インフラ装置に代表される高速信号伝送装置に用いるプリント配線板に関するものである。

近年のインターネット等の通信サービスの伝送速度高速化や需要増加に伴って、基盤となる通信インフラシステムも信号処理能力の高速化、大容量化が求められている。この要求を実現するため、通信インフラ装置や端末装置に用いられるＬＳＩ（ＬａｒｇｅＳｃａｌｅＩｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）も高速化が進み、ＬＳＩを実装する基板も高速信号の伝送に適した設計技術が求められるようになってきた。

高速伝送に適した基板設計技術は、信号の反射や損失を考慮した配線設計を行うＳＩ（ＳｉｇｎａｌＩｎｔｅｇｒｉｔｙ）技術や基板からの放射ノイズを考慮した設計を行うＥＭＩ（ＥｌｅｃｔｒｏＭａｇｎｅｔｉｃＩｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）抑制技術がある。インターネットの高速化に伴って、１秒あたりのデータ転送量がギガビットを超える高速信号を処理する製品が家庭内に入り込むため、放射ノイズにより他の電子機器に悪影響を与えないことが求められており、ＥＭＩ抑制技術が重要となっている。

従来のＥＭＩ抑制技術としては、通信インフラ装置に用いるプリント配線板において、一般的に電源パターンとＧＮＤパターンがプレーン状で対向した構造とすることで大きなコンデンサを形成し、電源パターンからの高調波ノイズをＧＮＤパターンに逃がすことで放射ノイズを抑制する構成がある。更に、コンデンサ素子、インダクタ素子、フェライトビーズ等のノイズ抑制素子を電源パターンとＧＮＤパターンの間、あるいは信号パターンとＧＮＤパターンの間に配置することで、より多くのノイズを抑制する構成がある。

また、複数の電源ピンと複数の信号ピンを有するＬＳＩが実装されるプリント配線板においては、ノイズ抑制素子を最適な位置に配置して効率的にノイズを抑制するために、電源ピンの一部または全部がインダクタンスパターンやＬＣ共振フィルタを介して電源パターンと接続される構成がある（例えば、特許文献１参照）。

特許第３５１３３３３号公報（第１０−１１頁、第１図）

従来のプリント配線板は、以上のように構成されていたので、主配線から高周波ノイズを分岐させるためにハイパスフィルタ等を配置した場合には、同フィルタの分だけコストが増大してしまうという課題があった。
また、特許文献１に記載の多層プリント配線板では、電源パターンにインダクタ素子を接続した場合は低周波成分のみを通過させるローパスフィルタとして働くため、遮断周波数以上のノイズをカットできないという課題があった。
特に、デジタル信号を処理するＬＳＩや伝送するパターンから発生するノイズの周波数帯域は、伝送速度に応じた基本周波数とその２ｎ−１（以下、ｎは整数）倍の高調波成分を持つため広帯域フィルタが必要であるが、従来のフィルタは特定の周波数帯域しか通過させないため、ノイズの高調波成分は除去できないという課題があった。
更に、インダクタ素子とコンデンサ素子を組み合わせたＬＣ共振フィルタを接続した場合には、特定の周波数帯域のみを通過させるバンドパスフィルタとして機能するため、帯域外のノイズをカットできないという課題があった。

この発明は上記のような課題を解消するためになされたもので、主配線から高周波ノイズを分岐させる分岐配線構造を低コストで実現したプリント配線板を得ることを目的とする。

この発明に係るプリント配線板は、主配線に一端を接続され、他端は開放端である第１の共振パターンと、ＧＮＤ配線に一端を接続され、他端は開放端である第２の共振パターンとを備えている。

この発明によれば、主配線から高周波ノイズを分岐させる分岐配線構造を、低コストで実現することができる。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１について説明する。図１は、実施の形態１に係るプリント配線板において、ノイズ抑制対策を施したＬＳＩとその周辺部を示す図である。なお、多層プリント配線板１としているが、単層のプリント配線板にも適用可能である。また、以下に記載の“接続”とは“電気的な接続”を意味するものとする。また、主配線を流れる信号は、電源供給信号、クロック信号、通常の信号のいずれであってもよい。

図１において、ノイズ抑制対象のＬＳＩ２は、電源ピン３、ＧＮＤピン４、信号ピン５を有している。また、図示しないが、多層プリント配線板１の内層には電源パターンとＧＮＤパターンが設けられている。電源パターンには電源側スルーホール６が接続され、ＧＮＤパターンにはＧＮＤ側スルーホール１０が接続されている。更に、電源側スルーホール６は、電源引き込みパターン７（主配線）を介して電源ピン３と接続され、ＧＮＤ側スルーホール１０は、ＧＮＤ引き込みパターン９（ＧＮＤ配線）を介してＧＮＤピン４と接続されている。電源引き込みパターン７とＧＮＤ引き込みパターン９には、パターンで構成した共振フィルタ８を接続している。

次に、多層回路基板１の動作について説明する。電源ピン３に対して、電源側スルーホール６から電源引き込みパターン７を経由して電源が供給される。その際に、電源に含まれる高調波ノイズ成分の大半は、共振フィルタ８及びＧＮＤ引き込みパターン９を経由して、ＧＮＤ側スルーホール１０からＧＮＤパターンに逃げる。その結果、高調波ノイズは共振フィルタ８で除去されるので、電源ピン３にはノイズが抑制された電源が供給される。

次に、共振フィルタ８の構成について説明する。図２は、図１中の共振フィルタ８の構成図である。図２において、共振フィルタ８は半波長共振器を構成するパターン（以下、共振パターン）１１ａ、１１ｂで構成されている。共振パターン１１ａ、１１ｂは、多層プリント配線板１の表層、内層のどちらに設けてもよい。共振パターン１１ａ、１１ｂは、ある一定の特性インピーダンス（例えば５０Ω）を有している。一方、電源引き込みパターン７、ＧＮＤ引き込みパターン９は共振パターン１１ａ、１１ｂよりも高い特性インピーダンスを有している。共振パターン１１ａは、電源引き込みパターン７と接続していない端部を開放端としている。同様に、共振パターン１１ｂも、ＧＮＤ引き込みパターン９と接続していない端部を開放端としている。

ここで、共振パターン１１ａ、１１ｂの配線長は、ノイズの基本周波数の半波長となっている。また、共振パターン１１ａと１１ｂが平行に並ぶ間隔（以下、共振パターン同士の間隔）１２を一定としている。更に、共振パターン１１ａ、１１ｂの重複する部分の長さ（以下、共振パターン同士の重複長さ）１３を、ノイズの基本周波数の１／４波長としている。

次に、共振フィルタ８の動作について説明する。図３は、図２の電源引き込みパターン７と共振パターン１１ａの接続点から共振フィルタ８への入力インピーダンスを示した図である。共振フィルタ８を構成する共振パターン１１ａ、１１ｂは、ノイズの基本周波数の半波長となるような配線長を有しているので、基本共振周波数ｆｏ［Ｈｚ］で入力インピーダンスがＺ１まで低下する。入力インピーダンスが基本共振周波数ｆｏで低下すると、電源引き込みパターン７の電源に含まれる周波数ｆｏのノイズ成分は共振フィルタ８を通り抜け、ＧＮＤ引き込みパターン９及びＧＮＤ側スルーホール１０を経由してＧＮＤパターンに逃げる。更に、分布定数理論に基づき、基本共振周波数ｆｏの奇数倍（３×ｆｏ，５×ｆｏ，・・・（２ｎ−１）×ｆｏ）の共振周波数でも共振が起き、基本共振周波数ｆｏの場合と同様に入力インピーダンスがＺ１まで低下する。

また、共振パターン１１ａ、１１ｂの配線長により基本共振周波数が決定されるが、共振パターン同士の間隔１２を調整することによって、入力インピーダンスの値（Ｚ１）を調整することができる。具体的には、共振パターン同士の間隔１２を狭くすれば入力インピーダンスは低くなり、逆に広くすれば入力インピーダンスは高くなる。従って、共振パターン同士の間隔１２を調整することにより、所望の共振フィルタ特性を有する共振フィルタ８が得られ、ノイズ除去量を制御することができる。

以上のように、この実施の形態１によれば、主配線から高周波ノイズを分岐させる分岐配線構造を、低コストで実現することができる。
また、共振フィルタ８の基本共振周波数を、信号の伝送速度に応じて発生するノイズの基本周波数に合わせることで、基本周波数ノイズの他、基本周波数の２ｎ−１倍の高調波ノイズも、１つの共振フィルタ８で除去することができる。
更に、主配線を流れる信号が急峻な立ち上がり／立ち下がりを有する入力信号である場合には、同信号に含まれる不要な高周波成分のみを除去するため、急峻な立ち上がり／立ち下がりを保ったままノイズを除去することができる。

実施の形態２．
以下、この発明の実施の形態２について説明する。図４は、実施の形態２における共振フィルタ８の構成図である。共振フィルタ８を搭載する多層プリント配線板１の構成については、実施の形態１（図１）と同様であるので説明を省略する。図４において、共振フィルタ８は３つの共振パターン１１ａ〜１１ｃで構成されている。共振パターン１１ａ〜１１ｃは、ある一定の特性インピーダンス（例えば５０Ω）を有している。一方、電源引き込みパターン７、ＧＮＤ引き込みパターン９は共振パターン１１ａ〜１１ｃよりも高い特性インピーダンスを有している。共振パターン１１ａは、電源引き込みパターン７と接続していない端部を開放端としている。また、共振パターン１１ｂは、両端を開放端としている。更に、共振パターン１１ｃは、ＧＮＤ引き込みパターン９と接続していない端部を開放端としている。

ここで、共振パターン１１ａ〜１１ｃの配線長は、ノイズの基本周波数の半波長となっている。また、共振パターン１１ａと１１ｂ、１１ｂと１１ｃそれぞれの共振パターン同士の間隔１２を一定としている。更に、共振パターン１１ａと１１ｂ、１１ｂと１１ｃそれぞれの共振パターン同士の重複長さ１３を、ノイズの基本周波数の１／４波長としている。従って、共振パターン１１ａと１１ｂで１つの共振回路を、共振パターン１１ｂと１１ｃで１つの共振回路を構成することになり、共振フィルタ８は、これらの共振回路を結合させた２段共振回路の構成をとる。

次に、共振フィルタ８の動作について説明する。図５は、図４の電源引き込みパターン７と共振パターン１１ａの接続点から共振フィルタ８への入力インピーダンスを示した図である。共振フィルタ８の共振原理は実施の形態１と同様であるので説明は省略する。図５において、共振パターン１１ａと１１ｂからなる共振回路と、１１ｂと１１ｃからなる共振回路を２つ結合させた２段共振回路を構成したことにより、入力インピーダンスがＺ１まで低下する基本共振周波数ｆｏの帯域を広くすることができる（図５中の矢印方向）。基本共振周波数ｆｏの奇数倍の共振周波数（２ｎ−１）×ｆｏの帯域についても同様である。

この実施の形態２によれば、共振パターン１１ａと１１ｂ、及び１１ｂと１１ｃからなる２段共振回路にて共振フィルタ８を構成することで、基本共振周波数ｆｏの帯域及びその奇数倍の共振周波数（２ｎ−１）×ｆｏの帯域（共振周波数帯域）を広くできるため、より広帯域のノイズを除去できる共振フィルタを提供することができる。

実施の形態２では、２段共振回路の共振フィルタ８を説明したが、更に共振パターンを増やして多段共振回路とすることで、共振周波数帯域をより広くすることもできる。また、共振パターン同士の間隔１２を全て一定としたが、それぞれ別の間隔として共振フィルタ特性を変更することもできる。その結果、共振フィルタ８の共振周波数帯域を更に広げることができるため、設計段階で想定したノイズの基本周波数が実機で測定した周波数と異なる場合でも、ノイズを除去することができる。

実施の形態３．
以下、この発明の実施の形態３について説明する。図６は、実施の形態３における共振フィルタ８の構成図である。共振フィルタ８を搭載する多層プリント配線板１の構成については、実施の形態１（図１）と同様であるので説明を省略する。図６において、共振パターン１１ａ、１１ｂは、ある一定の特性インピーダンス（例えば５０Ω）を有している。一方、電源引き込みパターン７、ＧＮＤ引き込みパターン９は共振パターン１１ａ、１１ｂよりも高い特性インピーダンスを有している。共振パターン１１ａは、電源引き込みパターン７と接続していない端部を開放端としている。同様に、共振パターン１１ｂも、ＧＮＤ引き込みパターン９と接続していない端部を開放端としている。更に、共振パターン１１ａの開放端の延長線上には、同じパターン幅の銅箔１４ａが、共振パターン１１ｂの開放端の延長線上には、同じパターン幅の銅箔１４ｂがそれぞれ形成されている。

ここで、共振パターン１１ａ、１１ｂの配線長は、ノイズの基本周波数の半波長となっている。また、共振パターン１１ａと１１ｂの共振パターン同士の間隔１２を一定としている。更に、共振パターン１１ａ、１１ｂの共振パターン同士の重複長さ１３を、ノイズの基本周波数の１／４波長としている。

次に、共振フィルタ８の動作について説明する。図７は、図６の電源引き込みパターン７と共振パターン１１ａの接続点から共振フィルタ８への入力インピーダンスを示した図である。共振フィルタ８の共振原理は実施の形態１と同様であるので説明は省略する。設計段階で想定したノイズの基本周波数が、実機で測定した周波数より高い場合、設計段階での共振フィルタ８の基本共振周波数ｆｏを下げる必要がある。図６において、共振パターン１１ａと銅箔１４ａ、共振パターン１１ｂと銅箔１４ｂを銅テープ等の導電性材料で接続すると配線長が長くなるので、ノイズの波長も長くなる。従って、共振フィルタ８の基本共振周波数をｆａに下げることができる（図７中の矢印方向）。基本共振周波数ｆｏの奇数倍の共振周波数（２ｎ−１）×ｆｏについても同様である。

以上のように、この実施の形態３によれば、共振フィルタ８の基本共振周波数ｆｏ、及びその奇数倍の共振周波数（２ｎ−１）×ｆｏを、状況に応じてｆａ及び（２ｎ−１）ｆａまで下げることができるため、設計段階で想定したノイズの基本周波数が実機で測定した基本周波数より高い場合であっても、ノイズを除去することができる。

実施の形態３では、共振パターン１１ａと１１ｂからなる１段の共振回路にて共振フィルタを構成したが、更に共振パターンを増やすことで多段共振回路として、実施の形態２と同様に共振周波数帯域を広くすることもできる。また、共振パターン同士の間隔１２をそれぞれの共振パターン間で異なる間隔として、共振フィルタ特性を変更することもできる。

本発明に係るプリント配線板は、実施の形態１〜３に記載の構成のうちいずれか、或いは全ての構成を組み合わせて選択的に使用可能とする構成であっても良い。

実施の形態１〜３では、代表例としてノイズ抑制の実現方法を電源ピンが１ピンのＬＳＩで説明しているが、複数の電源ピンを持つ場合にも適用可能である。

本発明の実施の形態１に係るプリント配線板において、ノイズ抑制対策を施したＬＳＩとその周辺部を示す図である。図１中の共振フィルタ８の構成図である。図２の電源引き込みパターン７と共振パターン１１ａの接続点から共振フィルタ８への入力インピーダンスを示した図である。本発明の実施の形態２における共振フィルタ８の構成図である。図４の電源引き込みパターン７と共振パターン１１ａの接続点から共振フィルタ８への入力インピーダンスを示した図である。本発明の実施の形態３における共振フィルタ８の構成図である。図６の電源引き込みパターン７と共振パターン１１ａの接続点から共振フィルタ８への入力インピーダンスを示した図である。

符号の説明

１多層プリント配線板、２ＬＳＩ、３電源ピン、４ＧＮＤピン、５信号ピン、６電源側スルーホール、７電源引き込みパターン、８共振フィルタ、９ＧＮＤ引き込みパターン、１０ＧＮＤ側スルーホール、１１ａ〜１１ｃ共振パターン、１２共振パターン同士の間隔、１３共振パターン同士の重複長さ、１４ａ銅箔、１４ｂ銅箔。

Claims

主配線に一端を接続され、他端は開放端である第１の共振パターンと、
ＧＮＤ配線に一端を接続され、他端は開放端である第２の共振パターンとを備えたプリント配線板。
前記主配線を流れる信号が立ち上がり及び立ち下がりを有する信号であることを特徴とする請求項１記載のプリント配線板。
前記第１の共振パターンまたは前記第２の共振パターンの配線長が、除去対象ノイズが持つ基本周波数成分の半波長であることを特徴とする請求項１または請求項２記載のプリント配線板。
前記第１の共振パターンと前記第２の共振パターンとが、所定の間隔で平行に並んでいることを特徴とする請求項３記載のプリント配線板。
前記第１の共振パターンと前記第２の共振パターンとの重複部分の長さが、前記除去対象ノイズが持つ基本周波数成分の１／４波長であることを特徴とする請求項４記載のプリント配線板。
前記第１の共振パターンと前記第２の共振パターンとの間に少なくとも１つ以上の共振パターンを有することを特徴とする請求項１から請求項５のうちのいずれか１項記載のプリント配線板。
前記第１の共振パターンの開放端または前記第２の共振パターンの開放端の延長線上に、前記第１の共振パターンまたは前記第２の共振パターンと同じ幅の銅箔を備えることを特徴とする請求項１から請求項６のうちのいずれか１項記載のプリント配線板。