JP2016171289A - 複数のグランドパターンを有する電子装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電子装置において、グランドパターン間でのグランド電位差の変動を、回路基板上の限られたスペースの範囲内で効果的に防止する。【解決手段】電子回路を構成する回路部品が搭載された回路基板（２００）を備え、前記回路基板は、少なくとも２つのグランドパターン（３３０、３３２）と、２つの前記グランドパターン間を接続する接続パターン（３３４）と、を有し、前記接続パターンは、その長さ方向の中間に、その幅が他の部分よりも広く延在する少なくとも一つの幅広部（３３６）を有している。【選択図】図３

Description

本発明は、回路基板を備える電子装置に関し、特に、当該回路基板に複数のグランドパターンを有する電子装置に関する。

電子回路を構成する回路基板を備える電子装置においては、回路基板上に複数のグランドパターンを設け、当該電子回路を構成する複数の回路ブロックの各グランドラインを、それぞれ当該回路ブロックが扱う信号の大きさやグランド電流の大きさに応じて異なるグランドパターンに接続することが多い。

例えば、センサ等からの微弱な信号に基づいてアクチュエータ等の動作を制御する制御装置は、通常、当該センサ等からの微弱なアナログ信号を増幅し、デジタル信号に変換して出力する小信号増幅回路ブロックと、当該小信号増幅回路ブロックから出力されるデジタル信号を演算処理して出力する論理演算回路ブロックと、当該論理演算回路ブロックが出力する上記演算処理の結果であるデジタル信号をアナログ信号に変換し、当該アナログ信号に基づいてアクチュエータ等の負荷を駆動する大電流又は高電圧の駆動信号を出力する駆動回路ブロックと、を備える。

このような制御装置では、各回路ブロックから流れ出る電流の大きさが異なり、回路ブロック間での干渉が発生しやすいことから、各回路ブロックのグランドラインは、回路基板上に形成された異なるグランドパターンに接続される。例えば、小信号増幅回路ブロックは小電流系グランド（いわゆる、信号グランド（ＳＧ，Signal Ground））に接続され、論理演算回路ブロックは中電流系グランド（いわゆる、論理グランド（ＬＧ、Logic Ground））に接続され、駆動回路ブロックは大電流系グランド（いわゆる、パワーグランド（ＰＧ、Power Ground））に接続される。

この場合、ＳＧ、ＬＧ、ＰＧは、それぞれのグランド電位を同じ電位に保つべく、回路基板上のいずれかの場所において互いに接続されることとなるが、回路基板上に形成されたグランドパターンといえども当該パターンに流れるグランド電流が大きければ（例えば数百ｍＡ〜数１０Ａ）、当該グランドパーンにおいて電圧降下が生じ、グランドパターン内でのグランド電位の局所的な変動や、グランドパターン間でのグランド電位差の変動が発生し得る。その結果、各回路ブロックのグランド電位が異なるものとなり、制御装置全体としての誤動作や動作異常が発生することとなり得る。

従来、このようなグランドパターン間での電位差変動を防止することを目的として、小電流系グランドを、大電流系グランドに対してグランド電流経路の上流となるように構成する制御装置が知られている（特許文献１）。このような構成は、例えば、電源装置からのグランドラインに大電流系グランドを接続し、大電流系グランドに小電流系グランドを接続することで実現することができる。

しかしながら、特に高機能の電子装置においては、回路基板上に実装すべき回路部品が多く、当該回路部品の実装密度の増大に伴って回路基板上に形成し得るグランドパターンの領域は狭くなる傾向にある。また、電子装置の小型化への要求は不変であり、装置の小型化に伴う回路基板の面積の減少とも相まって、小電流系グランドパターンと大電流系グランドパターンとを接続するための接続パターンを、その全長に亘って十分広い幅で形成することは困難となりつつある。

その結果、小電流系グランドから大電流系グランドへ流れるグランド電流の大きさによっては、接続パターンにおいて電圧降下が生じ、当該グランド電流の変動に起因して小電流系グランドと大電流系グランドとの間のグランド電位差に変動が生じることとなり、電子装置としての動作に異常をきたす事態が生じ得る。

特許第５５０６６４１号公報

上記背景より、複数のグランドパターンが形成された回路基板を備える電子装置において、グランドパターン間の接続パターンを流れるグランド電流の変動に起因した、グランドパターン間でのグランド電位差の変動を、回路基板上の限られたスペースの範囲内において効果的に防止することが望まれている。

本発明の一の態様は、電子回路を構成する回路部品が搭載された回路基板を備える電子装置であって、前記回路基板は、少なくとも２つのグランドパターンと、２つの前記グランドパターン間を接続する接続パターンと、を有し、前記接続パターンは、その長さ方向の中間に、その幅が他の部分よりも広く延在する少なくとも一つの幅広部を有している。
本発明の他の態様によると、前記幅広部の面積は、前記接続パターンの当該幅広部以外の面積の少なくとも１０倍の面積を有する。
本発明の他の態様によると、前記幅広部は、前記接続パターンを流れる電流の方向に沿って開いた凹部又は閉じた凹部を有さず、当該接続パターンの幅方向に沿って連続な部分のみで構成されている。
本発明の他の態様によると、前記幅広部は、矩形、円形、台形、又は菱形である。
本発明の他の態様によると、前記２つのグランドパターンの一つは、所定の電流値以上のグランド電流を流すグランドパターンである。

本発明の一実施形態に係る電子装置の外観を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係る制御装置と外部装置との接続関係を示す図である。 本発明の実施形態に係る制御装置の、回路基板の構成を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。なお、本実施形態では、一例として、車両に搭載されて当該車両の動作を制御する電子装置（制御装置）を示しているが、本発明は本用途に限られるものではなく、車両制御を行う制御装置以外の、他の電子装置にも広く一般に適用され得る。

図１は、本発明の一実施形態に係る電子装置の外観を示す図である。
本電子装置１０は、例えば車両に搭載されて当該車両の動作、例えばエンジンの燃料噴射弁等の動作を制御する電子制御ユニット（ＥＣＵ、Electronic Control Unit）である。

電子装置１０は、電子回路が搭載された回路基板を収納する筺体１００と、当該電子回路を外部装置等と接続するためのコネクタ１０２と、を備える。

筺体１００は、導電性の部材（例えば、アルミニウム等の金属や、導電性樹脂）で構成され、車体と電気的に直接接続されることにより、内部に収容した電子回路を環境内に存在する電磁輻射ノイズからシールドして保護すると共に、内部で発生したノイズが環境内へ放射されるのを防止する。なお、以下において「接続」とは、特にことわりのない限り、電気的に直流的に接続されることを意味するものとする。

図２は、電子装置１０と外部装置との接続を示す図である。
電子装置１０の筺体１００の内部には、電子回路が搭載された回路基板２００が収容されており、回路基板２００上の電子回路には、コネクタ１０２と、ケーブル２０２、２０４、２０６と、を介して、それぞれ電源装置２１０、センサ２１２、制御対象２１４に接続されている。

センサ２１２及び制御対象２１４は、例えばエンジンのクランク角センサと、燃料噴射弁を駆動するアクチュエータであり、電子装置１０は、電源装置２１０からの電源供給を受けて、クランク角に応じた適切なタイミングで上記アクチュエータを動作させて燃料噴射弁を開閉する。

図３は、回路基板２００の構成を示す図である。なお、図３においては、グランド経路の接続関係の理解を容易にするため、一部の回路部品や回路ブロックと共にグランド経路の説明に関連する回路パターンのみを示している。すなわち、回路基板２００上には、電子装置１０に求められる機能に応じて、図３に示されていない他の回路部品や回路ブロック、他のグランドパターンや電源パターン、これらの回路部品や回路ブロックの間を結ぶ接続パターン等が設けられ得る。

回路基板２００上には、小信号増幅回路ブロック３００と、論理演算回路ブロック３０２と、駆動回路ブロック３０４と、通信回路ブロック３０６と、電源回路ブロック３０８と、が設けられている。小信号増幅回路ブロック３００は、ケーブル２０４を介してセンサ２１２からの微弱なアナログ信号を受信して増幅する増幅器３１０と、当該増幅器３１０から出力される増幅されたアナログ信号をデジタル信号に変換して出力するＡＤコンバータ（ＡＤＣ、Analog-to-Digital Converter）３１２とにより構成されている。

論理演算回路ブロック３０２は、ＡＤＣ３１２から出力されるデジタル信号を演算処理して、当該演算処理の結果であるデジタル信号を出力するマイクロコンピュータ３１４と、当該マイクロコンピュータ３１４の動作のためのプログラムや上記演算処理に用いるデータ等を記憶するメモリ３１６とで構成されている。また、駆動回路ブロック３０４は、マイクロコンピュータ３１４が出力するデジタル信号をアナログ信号に変換して出力するＤＡコンバータ（ＤＡＣ、Digital-to-Analog Converter）３１８と、当該ＤＡＣ３１８が出力するアナログ信号に基づいて、制御対象２１４を動作させるための大電流（又は高電圧）信号を出力するパワートランジスタ３２０とで構成されている。パワートランジスタ３２０からの出力は、コネクタ１０２を介してケーブル２０６により制御対象２１４に与えられる。

通信回路ブロック３０６は、マイクロコンピュータ３１４が他の装置とデータ通信を行うための通信インタフェース（ＩＦ）用ＩＣ３２２と、通信ＩＦ用ＩＣ３２２の送受信データを一時記憶するバッファ３２４とで構成されている。また、電源回路ブロック３０８は、三端子レギュレータやスイッチングレギュレータ等の電源ＩＣ３２６を含んでいる。

さらに、回路基板２００上には、小電流系グランドである論理回路用グランド（ＬＧ、Logic Ground）３３０と、大電流系グランドであるパワーグランド（ＰＧ、Power Ground）３３２とが形成されている。

ＬＧ３３０は、信号グランド（ＳＧ、Signal Ground）も兼ねており、所定の電流値未満のグランド電流を流し出す回路部品が主に接続される。本実施形態では、小信号増幅回路ブロック３００を構成する増幅器３１０及びＡＤＣ３１２と、論理演算回路ブロック３０２を構成する迷黒コンピュータ３１４及びメモリ３１６と、駆動回路ブロック３０４を構成するＤＡＣ３１８と、通信回路ブロック３０６を構成する通信ＩＦ用ＩＣ３２２及びバッファ３２４と、が接続されている。

ＰＧ３３２は、上記所定の電流値以上のグランド電流を流し出す回路部品が主に接続される。本実施形態では、駆動回路ブロック３０４を構成するパワートランジスタ３２０のグランドラインと、電源回路ブロック３０８を構成する電源ＩＣ３２６のグランドラインが接続されている。

また、回路基板２００上のＬＧ３３０の一部は、接続パターン３３４によりＰＧ３３２の一部と接続されている。また、ＰＧ３３２は、コネクタ１０２を介して、ケーブル２０２により電源装置２１０のグランド端子に接続されている。これにより、ＬＧ３３０、接続パターン３３４、ＰＧ３３２、ケーブル２０４から成るグランド電流経路において、ＬＧ３３０が上流に配され、ＰＧ３３２はその下流に配されることになる。

本実施形態に係る電子装置１０では、特に、回路基板２００上に形成されたＬＧ３３０とＰＧ３３２とを接続する接続パターン３３４の少なくとも一部に、他の部分よりも幅の広い幅広部３３６が設けられている。ここで、接続パターン３３４の「幅」とは、当該接続パターン３３４を流れるグランド電流の方向に対し直交する方向に図った接続パターン３３４のエッジ間の距離をいう。

上記の構成を有する電子装置１０は、ＬＧ３３０とＰＧ３３２とを接続する接続パターン３３４に幅広部３３６が設けられているため、幅広部３３６のない従来の電子装置に比べて、ＬＧ３３０から流れ出るグランド電流の変動に伴うＬＧ３３０／ＰＧ３３２間の電位差の変動を低減することができる。

すなわち、幅広部３３６は、その幅が他の部分よりも広いため、そのインピーダンスは他の部分よりも小さくなる。より具体的には、幅広部３３６においては、他の部分よりもグランド電流が通過する導体断面積が大きくなるため、直流抵抗が他の部分よりも小さくなると共に、誘導係数（インダクタンス）も小さくなる。すなわち、幅広部３３６があることにより、接続パターン３３４全体としての直流抵抗値が下がるため、ＬＧ３３０から流れ出るグランド電流が変動したときの当該変動に伴う接続パターン３３４での電圧降下の変動は小さくなり、ＬＧ３３０とＰＧ３３２との間の電位差変動が軽減される。また、幅広部３３６があることにより、接続パターン３３４全体としてのインダクタンスも小さくなるため、ＬＧ３３０から流れ出るグランド電流が急激に変動した場合でも、当該急激な変動に起因するＬＧ３３０とＰＧ３３２との間での電位差の発生も抑制される。

一般に、部品実装密度が高い等の理由から回路基板上の限られたエリアの中でＬＧ／ＰＧ間の接続パターンの線幅（パターン幅）を当該接続パターンの全長に亘って十分広く確保できない場合でも、当該接続パターンの長さ方向の少なくとも一部において幅方向にスペースのある部分を見出すことは比較的容易であることが多い。したがって、接続パターン３３４の少なくともその一部にのみ幅広部３３６を設ける本実施形態の構成は、特に回路部品の実装密度が高くグランドパターンを形成するスペースに余裕のない回路基板において有用であり、限られたスペースの範囲内においてＬＧ／ＰＧ間のグランド電位差変動を効果的に抑制し得るという優れた効果を発揮する。

なお、上記の効果をより効果的に発揮するためには、幅広部３３６の面積は、幅広部３３６以外の接続パターン３３４の部分の面積の１０倍以上であることが望ましい。

本実施形態においては、幅広部３３６を、平面視が矩形形状であるものとして図３に示したが、Ｘ３３６の形状はこのような矩形形状には限られず、任意の形状とすることができる。例えば、幅広部３３６を、平面視が円形、台形、菱形等の形状を持つように形成してもよい。導体パターンのエッジを通過し易いという電流の性質を考慮すると、幅広部３３６の形状としては、エッジ電流がスムーズに通過しやすい円形形状が望ましい。また、電流が荷電粒子の流れであるということを考慮すると、幅広部３３６の形状は、グランド電流の方向に沿った（例えばコの字状の）折り返しや、当該方向に開いた又は閉じた凹部、Ｖ字形状部、Ｕ字形状部などがなく、接続パターン３３４の幅方向に沿って連続する部分のみで構成されていることが好ましい。すなわち、幅広部３３６は、例えば、当該幅広部３３６のエッジ上の任意の２点間を線分で結んだ時に、当該線分上に幅広部３３６でない部分を含むこととならないような形状であることが望ましい。

また、本実施形態では、回路基板２００上にＬＧ３３０とＰＧ３３２の２つのグランドパターンを有し、幅広部３３６を有する接続パターン３３４をＬＧ３３０とＰＧ３３２との間に設ける構成としたが、これに限らず、回路基板上に３つ以上のグランドパターンを設けるものとし、任意の２つのグランドパターン間が、幅広部３３６を有する接続パターン３３４と同様の幅広部分を含む接続パターンにより接続されるものとすれば、上述したように当該２つのグランドパターン間のグランド電位差の変動を軽減又は抑制することができる。

１０・・・電子装置、１００・・・筺体、１０２・・・コネクタ、２００・・・回路基板、２０２、２０４、２０６・・・ケーブル、２１０・・・電源装置、２１２・・・センサ、２１４・・・制御対象、３００・・・小信号増幅回路ブロック、３０２・・・論理演算回路ブロック、３０４・・・駆動回路ブロック、３０６・・・通信回路ブロック、３０８・・・電源回路ブロック、３１０・・・増幅器、３１２・・・ＡＤＣ、３１４・・・マイクロコンピュータ、３１６・・・メモリ、３１８・・・ＤＡＣ、３２０・・・パワートランジスタ、３２２・・・通信ＩＦ用ＩＣ、３２４・・・バッファ、３２６・・・電源ＩＣ、３３０・・・ＬＧ、３３２・・・ＰＧ、３３４・・・接続パターン、３３６・・・幅広部。

Claims (5)

1. 電子回路を構成する回路部品が搭載された回路基板を備える電子装置であって、
   前記回路基板は、少なくとも２つのグランドパターンと、２つの前記グランドパターン間を接続する接続パターンと、を有し、
   前記接続パターンは、その長さ方向の中間に、その幅が他の部分よりも広く延在する少なくとも一つの幅広部を有している、
   電子装置。
2. 前記幅広部の面積は、前記接続パターンの当該幅広部以外の面積の少なくとも１０倍の面積を有する、
   請求項１に記載の電子装置。
3. 前記幅広部は、前記接続パターンを流れる電流の方向に沿って開いた凹部又は閉じた凹部を有さず、当該接続パターンの幅方向に沿って連続な部分のみで構成されている、
   請求項１又は２に記載の電子装置。
4. 前記幅広部は、平面視が矩形、円形、台形、又は菱形である、
   請求項１ないし３のいずれか一項に記載の電子装置。
5. 前記２つのグランドパターンの一つは、所定の電流値以上のグランド電流を流すグランドパターンである、
   請求項１ないし４のいずれか一項に記載の電子装置。

Images