JP4351948B2

JP4351948B2 - プリント配線基板

Info

Publication number: JP4351948B2
Application number: JP2004124267A
Authority: JP
Inventors: 則晃上倉
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2004-04-20
Filing date: 2004-04-20
Publication date: 2009-10-28
Anticipated expiration: 2024-04-20
Also published as: JP2005310961A

Description

この発明は、電子機器等のプリント配線基板、特に高周波ノイズ耐性（ＥＭＳ：電波免疫性）を向上させるパターンレイアウトを施したプリント配線基板に関するものである。

プリント配線基板上の配線パターンを工夫することによりノイズ耐性を向上させる方法としては、配線パターンをなるべく短く配線することや、対になる配線パターンのループ面積を小さくするために配線パターンを平行に近接して配置することや、多層基板等の場合であればシールド効果を目的として導電層を設けることや、各層間に電源ベタパターンとグランド（ＧＮＤ）ベタパターンが向き合うように配置しストレキャパシタンスを増加させる方法などがある。

ノイズフィルタやシールド板等のノイズ対策部品を実装する方法にて対策を行えば、ノイズ対策のためだけに余計な部品を実装することとなりコストアップを引き起こすが、前記のようにプリント配線基板上の配線パターンの構成をいろいろ工夫してノイズ対策を行えばコストアップを引き起こすことはないため、対策手段としては最も好ましいものである。

プリント配線基板上に形成する配線パターン構成を工夫することによりノイズ対策を実現させた技術としては、プリント配線基板上に存在するストレキャパシタンスがノイズ抑制に効果があることに着目し、信号パターンの周りにより多くのストレキャパシタンスを形成、配置し、ノイズ抑制を図っている例がある。（例えば特許文献１参照）。

特開平０７−２８３５８０号公報

従来のプリント配線基板では、導電層によるシールド効果の他、導電層とその導電層とは逆極性となる電源パターン間のストレキャパシタンスや信号パターンの周りに導電パターンを配置することにより形成、配置したストレキャパシタンスにより外来ノイズの抑制を行っていたが、プリント配線基板上の回路の寄生インダクタンスと前記ストレキャパシタンスにより寄生共振回路が構成されてしまい、外来ノイズがその共振周波数と同一または近傍の周波数であれば、前記共振回路から共振電流が流れ、プリント配線基板上の回路を誤動作させてしまうという問題点があった。

また、プリント配線基板をそのプリント配線基板の外部の装置と接続する場合には、プリント配線基板とプリント配線基板の外部の装置と接続している回路の寄生インダクタンスとストレキャパシタンスによって前記同様に寄生共振回路が構成されてしまい、外来ノイズがその共振周波数と同一または近傍の周波数であれば、プリント配線基板とプリント配線基板の外部の装置と接続している回路に前記共振回路から共振電流が流れ、そのプリント配線基板とプリント配線基板の外部の装置と接続している回路を誤動作させてしまうという問題点もあった。

この発明は前記のような問題点に対処するためになされたもので、外来高周波ノイズ対策（ＥＭＳ対策）に必要な専用部品を用いることなく、プリント配線基板上に形成する配線パターンを工夫することにより寄生共振回路の共振周波数を共振電流が流れていた周波数より高い周波数へシフトさせ、共振電流が流れていた周波数帯のＥＭＳを向上させることができるプリント配線基板を提供することを目的とする。

この発明に係るプリント配線基板は、プリント配線基板上の電源から前記プリント配線基板の外部にある微小電流駆動装置に微小電流を流し得るようにしたプリント配線基板において、前記電源の電源側（＋側）と前記微小電流駆動装置の一端とを接続する信号パターン及び前記電源の接地側（−側）と前記微小電流駆動装置の他端とを接続する信号パターンの２本の信号パターンの間に２mm以上の距離を保持することによりストレキャパシタンスを低減させるようにしたものである。

この発明に係るプリント配線基板は以上のように構成されているため、対になる２本の信号パターン間のストレキャパシタンスが減少して、２本の信号パターンとプリント配線基板の外部にある微小電流駆動装置とを接続している回路に存在する寄生共振回路の共振周波数を高周波数側へシフトさせることができ、外来高周波ノイズにより共振電流が流れていた周波数帯のＥＭＳを向上させることができる。

また、プリント配線基板上の電源からプリント配線基板の外部にある微小電流駆動装置に微小電流を流すための電源側パターンと接地側パターンの２本の信号パターンが配設されている層において、前記２本の信号パターンから１mm以上の距離を取って導電パターンを配設するようにしたため、前記２本の信号パターンとその周囲に配設される導電パターン間のストレキャパシタンスが減少し、前記２本の信号パターンとプリント配線基板の外部にある微小電流駆動装置とを接続している回路に存在する寄生共振回路の共振周波数を高周波数側へシフトさせることができ、外来高周波ノイズにより共振電流が流れていた周波数帯のＥＭＳを向上させることができる。

更に、プリント配線基板上の電源からプリント配線基板の外部にある微小電流駆動装置に微小電流を流すための電源側パターンと接地側パターンの２本の信号パターンが配設されている層の上層または下層に配設された導電パターンを前記２本の信号パターンから１mm以上の距離を取って配設するようにしたため、前記２本の信号パターンと前記２本の信号パターンが配設されている層の上層または下層に配設された導電パターン間のストレキャパシタンスが減少し、前記２本の信号パターンとプリント配線基板の外部にある微小電流駆動装置とを接続している回路に存在する寄生共振回路の共振周波数を高周波数側へシフトさせることができ、外来高周波ノイズにより共振電流が流れていた周波数帯のＥＭＳを向上させることができる。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１に係るプリント配線基板の構成について説明する。
図１は、実施の形態１の概略構成を示すブロック回路図である。
この図に示すように、プリント配線基板１１内の定電流源１とフィルタ２とを接続し、フィルタ２から電源側（＋側）信号パターン３ａ及び接地側（−側）信号パターン３ｂによってプリント配線基板１１の外部にある微小電流駆動装置４に接続する。

この回路では、プリント配線基板１１を例えば電気自動車用電力変換装置内のパワーモジュール制御用基板とし、プリント配線基板１１の外部にある微小電流駆動装置４をＰＮ接合ダイオードを直列に接続して構成した前記パワーモジュール内の電力変換を行うスイッチング素子の温度を検出するための温度センサ５とし、プリント配線基板１１と温度センサ5とを接続して温度センサ回路を構成している。プリント配線基板１１から温度センサ５に微小な電流を流し、温度センサ５に発生した電圧をプリント配線基板１１内のＩＣ６でモニタする構成としている。

図２にこの実施の形態のプリント配線基板１１の層構成を示す。即ち、プリント配線基板１１は例えば６層の構成からなり、第１層１０、第３層３０、第４層４０及び第６層６０はそれぞれ信号線を含む層であり、第２層２０はＧＮＤベタパターン層、第５層５０は電源ベタパターン層である。また、各層間には図示しない絶縁層が形成されている。

図３は、プリント配線基板１１の第１層１０の配線パターンの構成を例示する概略図である。この図に示すように、プリント配線基板１１のフィルタ２と、外部にある温度センサ５の接続端子１２ａ、１２ｂとを接続するための電源側（＋側）信号パターン３ａと、同じく接地側（−側）信号パターン３ｂと、それらの周囲を取り囲む形でシールド用導電パターン７が設けられている。信号パターン３ａと３ｂとの間隔はD1、信号パターン３ａ、３ｂと導電パターン７との間隔は図示のようにD2とされている。

また、図４は、プリント配線基板１１の第２層２０の配線パターンの構成を例示する概略図である。この図に示すように、周囲を取り囲む導電パターン９と、中央部に第１層１０の信号パターン３ａ、３ｂの位置を透過した信号パターン形状３ａ’、３ｂ’を示している。
この場合、導電パターン９と信号パターン形状３ａ’、３ｂ’との間隔は図示のようにD2’とされている。

次に、この実施の形態の作用効果について説明する。
図５は、プリント配線基板１１の配線インピーダンスを含む電気的な等価図を示している。この図では、プリント配線基板１１には、信号パターン３ａ、３ｂの配線インダクタンス１３、１３’と、信号パターン３ａと３ｂの信号パターン間のストレキャパシタンス１４ａと、信号パターン３ａ、３ｂそれぞれに対する導電パターン９とのストレキャパシタンス１４ｂ、１４ｂ’と、信号パターン３ａ、３ｂそれぞれに対する導電パターン９’とのストレキャパシタンス１４ｃ、１４ｃ’と、導電パターン９と導電パターン９’間のストレキャパシタンス１４ｄが存在していることを表している。

図６は前記ストレキャパシタンス１４ａ、１４ｂ、１４ｂ’、１４ｃ、１４ｃ’、１４ｄ全てを信号パターン３ａと３ｂ間のみのストレキャパシタンスとして合成したものをストレキャパシタンス１４としてプリント配線基板１１のインピーダンスを示した電気的な等価図である。

図７は、この実施の形態のプリント配線基板１１の前記間隔Ｄ２を0.2mm、Ｄ２’を0.2mm、３ａ’と３ｂ’で挟み囲まれる部分にも導電パターンを配置した時の、前記間隔Ｄ１と信号パターン３ａと３ｂ間のストレキャパシタンス１４の関係を示す。図８は、この実施の形態のプリント配線基板１１の前記間隔Ｄ１を４mmとした時、前記間隔Ｄ２及びＤ２’（Ｄ２＝Ｄ２’とする）と信号パターン３ａと３ｂ間のストレキャパシタンス１４の関係を示している。なお、このストレキャパシタンスは電磁界解析結果により求めたものである。

図７から明らかなように、この実施の形態のプリント配線基板１１の間隔Ｄ１は２mm以上確保すればストレキャパシタンス１４の低減効果が得られる。また、図８から明らかなように、この実施の形態のプリント配線基板１１の間隔Ｄ２、Ｄ２’は１mm以上確保すればストレキャパシタンス１４の低減効果が得られる。

一般的に共振回路の共振周波数は、次式（１）に示す周波数ｆとなる。

Ｌ：信号パターン３ａ、３ｂの配線インダクタンス
Ｃ：信号パターン３ａと３ｂ間のストレキャパシタンス
ｆ：共振周波数

図９に、共振周波数別にプロットした寄生インダクタンスとストレキャパシタンスの関係を示す。この図に示すように、ストレキャパシタンスが低減できれば共振周波数は高周波数側へシフトすることができる。

従って、この実施の形態では、第１層１０における信号パターン３ａと信号パターン３ｂの間隔Ｄ１を４mm、信号パターン３ａ、３ｂと導電パターン７との間隔Ｄ２を４mm、第２層２０における導電パターン９と信号パターン３ａ’、３ｂ’との間隔Ｄ２’を４mmに保持することにより、従来、対になる２つの信号パターンを平行に近接して配置し、かつ、前記信号パターンを含む層やその上下層の導電パターンを前記信号パターンの近傍に配置していた時と比較すると、ストレキャパシタンスを約0.7pFから約0.2pFへと大幅に低減できたため、共振周波数を高周波数側へシフトさせることができ、従来共振電流が流れていた周波数帯の外来高周波ノイズによりこの実施の形態の温度センサ回路に寄生する共振回路から共振電流が流れることはなく、この実施の形態の温度センサ回路のＥＭＳを向上させることができる。

なお、実施の形態１では、6層のプリント配線基板として説明したが、6層以外の多層プリント配線基板でも実施の形態１のようにすれば、同様にストレキャパシタンスを低減することができるため、共振周波数を高周波数側へシフトさせることができ、従来、共振電流が流れていた周波数帯の外来高周波ノイズによりこの実施の形態の温度センサ回路においては、寄生する共振回路から共振電流が流れることはなく、温度センサ回路のＥＭＳを向上させることができる。

また、実施の形態１では、プリント配線基板１１上の対になる２つの信号パターン３ａ、３ｂ間に４mmの距離を取り、かつ、前記信号パターン３ａ、３ｂを含む層において前記各信号パターンそれぞれと前記各信号パターンの周囲に配設される導電パターンの間に４mmの距離を取り、更に、前記信号パターンを含まない導電パターン層の導電パターンと前記信号パターンを含む層の前記信号パターンとの間に４mmの距離を取るようにしているが、各々単独もしくは任意の２つの組み合わせで実施しても良い。

この発明の実施の形態１によるプリント配線基板の概略構成を示すブロック回路図である。実施の形態１におけるプリント配線基板の層構成を示す図である。実施の形態１におけるプリント配線基板の第１層である信号パターン層の配線レイアウトを示す図である。実施の形態１におけるプリント配線基板の第２層である導電パターン層の配線レイアウトを示す図である。プリント配線基板の配線インピーダンスを含む電気的な等価図である。信号パターンのみの配線インピーダンスとして示す電気的な等価図である。実施の形態１の信号パターン間隔とストレキャパシタンスの関係を示す図である。実施の形態１の信号パターンと導電パターンの間隔とストレキャパシタンスの関係を示す図である。寄生インダクタンスとストレキャパシタンスの関係を示す図である。

符号の説明

１定電流源、２フィルタ、３ａ、３ｂ信号パターン、４微小電流駆動装置、５温度センサ、６ＩＣ、７、９導電パターン、１０プリント配線基板の第１層、１１プリント配線基板、１２ａ、１２ｂ接続端子、１３配線インダクタンス、１４ストレキャパシタンス、２０プリント配線基板の第２層、
３０プリント配線基板の第３層、４０プリント配線基板の第４層、５０プリント配線基板の第５層、６０プリント配線基板の第６層。

Claims

プリント配線基板上の電源から前記プリント配線基板の外部にある微小電流駆動装置に微小電流を流し得るようにしたプリント配線基板において、前記電源の電源側（＋側）と前記微小電流駆動装置の一端とを接続する信号パターン及び前記電源の接地側（−側）と前記微小電流駆動装置の他端とを接続する信号パターンの２本の信号パターンの間に２mm以上の距離を保持することによりストレキャパシタンスを低減させるようにしたことを特徴とするプリント配線基板。
複数層からなるプリント配線基板上の電源から前記プリント配線基板の外部にある微小電流駆動装置に微小電流を流し得るようにしたプリント配線基板において、前記電源の電源側（＋側）と前記微小電流駆動装置の一端とを接続する信号パターン及び前記電源の接地側（−側）と前記微小電流駆動装置の他端とを接続する信号パターンの２本の信号パターンが配設されている層に、前記各信号パターンから１mm以上の距離を保持して導電パターンを配設することによりストレキャパシタンスを低減させるようにしたことを特徴とするプリント配線基板。
複数層からなるプリント配線基板上の電源から前記プリント配線基板の外部にある微小電流駆動装置に微小電流を流し得るようにしたプリント配線基板において、前記電源の電源側（＋側）と前記微小電流駆動装置の一端とを接続する信号パターン及び前記電源の接地側（−側）と前記微小電流駆動装置の他端とを接続する信号パターンの２本の信号パターンが配設されている層の上層または下層に、前記各信号パターンから１mm以上の距離を保持して導電パターンを配設することによりストレキャパシタンスを低減させるようにしたことを特徴とするプリント配線基板。