JP4801538B2 - 不要電磁輻射抑制回路及び実装構造及びそれを実装した電子機器 - Google Patents
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Description
しかし、逆に、基板GNDと筐体とが接続されることにより、不要電磁波の発生源となるLSI等205から回路基板204、接続部品206を介して筐体202へと電流が流れてしまい、この筐体電流201に起因して筐体202から電磁放射203が発生することとなる。また、回路基板のGNDは筐体の他にコネクタやハーネス等を介して他のコンポーネントのGNDと接続される場合もあるが、ケーブルやハーネスのGNDインピーダンスは特に高周波数領域において高くなってしまうため、この場合でもやはり筐体との接続が必要となり、これに起因した筐体からの電磁放射の問題は免れない。
なお、ここでは、電源層が筐体に面する構造を仮定しているが、GND層が筐体に面していたとしても、電流の向きが変わるのみでその効果は変わらない。
図4は、検証実験に用いた基板を示す。回路基板400は電源層、GND層、表層と裏層の4層基板を用い、電源401、雑音源となるIC402及び図に示すような位置に電源〜GND間のコンデンサ403を配置した。接続部品用開口部であるネジ穴は4箇所(ネジA404、ネジB405、ネジC406、ネジD407)であり、筐体(図示しない)には3.5インチのHDD(Hard Disk Drive)を用いた。
ネジA(図5(a))やネジD(図5(d))を締めた時の結果に比べ、ネジB(図5(b))やネジC(図5(c))を締めた時の結果は最大9dB程度低くなっていることが分かる。これは、それぞれのネジ位置から直近のコンデンサまでの距離の相対関係と一致する。即ち、ネジ等の筐体との接続部の近傍にコンデンサを配置すると、筐体電流を抑制可能であるという結果を表しているものと考えられる。これは、電源〜GND間のコンデンサが、電源〜GND間の電位変動を抑制しているためと考えられる。
まず、一般的な電源・GND層の寄生インダクタンス及び寄生容量はそれぞれ0.1nH/mm及び0.4pF/mmであり、これから求められる伝搬遅延時間tpdは次式より、
と求められる。ここで、上記L及びCはモーメント法による電磁界解析から求めた値であるが、層間距離等が変わったとしても、L・Cのバランスとしてはほぼ変わらず、tpd=6〜7psec/mmとなる。
d=1/(4・f・tpd)―(式2)
周波数とコンデンサの効果到達距離最大値の関係を図6に示す。1GHzでは約40mmとなる。ここで、この値は到達距離の最大値であり、より明確な電位変動の抑制効果を得るには、コンデンサを更に近い位置に設けた方がよい。図7はコンデンサとその周囲の電位変動抑制効果を模式的に表した図である。コンデンサは周囲よりも多くの電荷が蓄えられており、これによって形成される電位が周囲の電位変動を抑制する。ある量の電荷が周囲に形成する電位は、電荷からの距離をrとしてa/rで表すことができ(aは電荷量、誘電率に依存する定数)、コンデンサの電位変動抑制効果をより強く得るためには、コンデンサ403の中央部からの距離を効果到達最大距離701の1/2以下、更に望ましくは1/10以下にするのが良く、効果到達距離の最大値d以下であれば短ければ短い程効果を有する。
図8は解析に用いた回路図を示す。GND層801、電源層802及び筐体803をそれぞれ簡易的に4×4のメッシュで区切った。1メッシュは5mm×5mmの物理量に合うようにそれぞれシミュレーションに用いるパラメータを求めた。GND層及び電源層が各々有する寄生インダクタンスをLpとし、筐体が有する寄生インダクタンスをLcとし、GND層と電源層の間に存在する寄生容量をCp、電源層と筐体の間に存在する寄生容量をCcとし、それぞれLp=0.18nH、Lc=0.9nH、Cp=6pF、Cc=0.3pFとした。また、GND層と電源層が有する抵抗成分Rpと筐体が有する抵抗成分Rcはともに0.1Ωとした。Cp及びCcの漏れ抵抗はそれぞれRlp、Rlcとし、Rlp=1.3kΩ、Rlc=34kΩとした。Vd1〜Vd5はそれぞれの場所におけるGND層と電源層間の変動する層間電圧を表す。
また、図10はCb3を6pFとした場合において、Cb1の値を100nFとした時のVd1からVd5までの電源〜GND間電位変動を示している。コンデンサCb1から離れるほど電位変動が大きくなっており、距離が近ければ近い程、コンデンサによる電位変動抑制効果が高いことがわかる。
さらに、図11は、Cb1を6pFとした場合において、容量値Cb3を100nF、10nF、6pFと変化させた時の、回路基板から筐体へ流れ出る電流値周波数特性を示している。容量値を大きくするほどより回路基板から筐体へ流れ出る電流値が小さくなっていることが分かる。
以上の結果からも、電源〜GND間のコンデンサが筐体電流を抑制すること、特にコンデンサの容量を大きくすればするほど、また接続部品(回路基板における接続部品用開口部)から直近に配置すればするほど、その効果があることが確認できた。
図1は、回路基板から筐体へ接続部品を介して流れる筐体電流を抑制するための回路及びこれを実現するための導体パターンレイアウトの第一の実施例を示す。
筐体電流抑制回路は、電源とGND(図示しない)を有する回路基板に設けられ、回路基板と筐体とを接続するための筐体接続部品用開口部101の周縁に配置され、基板GNDとGNDスルーホール104を介して電気的に接続された周縁導体102と、周縁導体の近傍に配置され、基板の電源と電源スルーホール105を介して電気的に接続された電源導体パターン106と、前記周縁導体102と前記電源導体パターン106とを接続するコンデンサ等の低インピーダンス部品103とを用いて構成される。本実施例の場合、周縁導体102の一部には凸部を有し、前記周縁導体102の凸部と、電源導体パターン106上の部品実装用パッド107との間に搭載するようにインピーダンス部品103が設置されている。
すなわち、接続部品を介して筐体のGNDと電気的に接続された回路基板のGNDと、回路基板の電源レベルとの間に、目的の周波数範囲で低インピーダンスとなる電子部品又は回路が上記効果を有する距離の範囲で設置されるものであれば、他の構成は適宜変更可能である。
図13は電源〜GND間のコンデンサ以外に、インダクタ等の直列部品を実装できるようにした構造である。
すなわち、回路基板表面の導体パターン1300の一部であって、回路基板と筐体とを接続するための筐体接続部品用開口部101の周縁に設けられた周縁導体102と、基板GNDとGNDスルーホール104を介して電気的に接続されたGND導体パターン1201と、電源層と電源スルーホール105を介して電気的に接続された少なくとも2つの電源導体パターン106を有し、第一の電源導体パターン106と前記導体パターン1300とを接続する部品A1301と、前記導体パターン1300と前記GND導体パターン1201とを接続する部品B1302と、前記GND導体パターン1201と第二の電源導体パターン106とを接続する部品C1303とを用いて構成される。
接続部品用開口部101の周縁導体102を回路基板のGNDに接続せず、部品B1302を介して回路基板GNDに接続しているが、この実施例の場合でも、筐体接続部品開口部101の中央部とインピーダンス部品A1301、C1303との距離を、前記した電位変動抑制効果の到達最大距離dよりも短くすることで、筐体電流を抑制し、筐体からの電磁放射を低減することが可能となる。
ただし、本実施例の場合、筐体と回路基板GNDの間に有限のインピーダンスが存在することになり、回路基板のGNDの不安定性を招く恐れが有るため、回路が動作する周波数において部品B1302のインピーダンスは出来るだけ小さくすることが好ましい。なお、この回路的な接続を実現するための構造やパターンレイアウトは上記に限らない。
上記実施形態においては、筐体等と回路基板の接続部の近傍において、電源〜GND間にコンデンサ等の低インピーダンス部品を実装する例を示してきたが、電源〜GND間という点に制限は無く、GNDがアナログGNDとデジタルGNDに分かれており筐体とアナログGNDが接続されている場合にはデジタルGND〜アナログGND間に実装しても良い。電源に関しても複数の電圧を使用している基板では対象とする電源電圧に制限はない。
また、所望の周波数で低インピーダンスを実現する部品として主にコンデンサを例にとって述べたが、これに限定されるものではなく、トランジスタを組み合わせてインピーダンスを制御し、問題となっている雑音周波数において低インピーダンスを実現してもよい。また、基板の導体パターンを用いて平行平板コンデンサを形成する構成を用いてもよく、部品の実装を省略することも可能である。また、一の接続部に対して複数の低インピーダンスの部品又は回路を設けてもよい。
また、一つの接続部位置を変えた時の例について述べたが、接続部が回路基板上に複数ある場合においても、接続部近傍のコンデンサ等低インピーダンス部品は筐体電流抑制効果を有する。接続部が複数有る場合にはある接続部を介して基板から筐体へ流れた電流が別の接続部を介して筐体から基板へ流れ込み、ループ電流を形成し、これが電磁放射増加の原因となることが考えられるが、本発明はこれの元となる基板から筐体へ流れ出る電流を抑制する。その際、複数ある接続部は、全ての接続部近傍にコンデンサ等低インピーダンス部品を配置することが望ましい。更に、複数個実装したコンデンサ等低インピーダンス部品の、問題となっている周波数におけるインピーダンスは統一する必要は無く、筐体の各接続部から見たインピーダンスのばらつきとバランスが取れるようにそれぞれの値を最適化することが望ましい。
また、これまでは接続部の近傍にコンデンサ等低インピーダンス部品を追加して配置する例について述べてきたが、回路基板上に存在するコンデンサ等低インピーダンス部品の近傍に接続部を配置転換する等しても良い。具体的には、電源〜GND間のコンデンサはバイパスコンデンサとして多くの電子機器用回路基板の特に電源付近やLSI等の能動素子付近に用いられているため、基本的な回路機能設計をした時点で搭載されていることが多い。従って、このように基本設計にて実装されるバイパスコンデンサから効果を有する距離以内に接続部品用開口部を配置してもよく、この場合EMC用に新たにコンデンサ等の低インピーダンス部品を追加する必要が無くなる点で有効である。
102 周縁導体
103 インピーダンス部品
104 GNDスルーホール
105 電源スルーホール
106 電源導体パターン
107 部品実装用パッド
201 筐体電流
202 筐体
203 電磁放射
204 回路基板
205 LSI等
206 接続部品
301 GND層
302 電源層
303 雑音源
304 寄生インダクタンス
305 寄生容量
306 コンデンサ
400 回路基板
401 電源
402 IC
403 コンデンサ
404 ネジA
405 ネジB
406 ネジC
407 ネジD
701 効果到達最大距離
801 GND層
802 電源層
803 筐体
1201 GND導体パターン
1300 導体パターン
1301 部品A
1302 部品B
1303 部品C
Claims (6)
- 電源層と、GND層と、筐体と接続するための接続部品を挿入するための開口部と、を有する回路基板であって、
前記接続部品が挿入されたときに前記接続部品を介して筐体のGNDと接続するよう前記開口部の縁を囲むように円形状に設けられ、スルーホール及び前記GND層を介して回路基板のGNDと電気的に接続されたGND導体パターンと、
スルーホール及び前記電源層を介して回路基板の電源と電気的に接続され、前記GND導体パターンの近傍に配置された電源導体パターンと、
前記GND導体パターンと前記電源導体パターンとを接続し、前記GND導体パターンと直接接続される少なくともコンデンサを含んだインピーダンス部品とを有し、
前記インピーダンス部品は、発生する雑音電圧の周波数がf、伝播遅延時間がtdpである回路基板に対し、前記筐体に接続される接続部品が挿入される前記開口部の中央部から1/(4・f・tdp)以下の距離において、前記開口部周縁の前記GND導体パターンと前記電源導体パターンとに接続されて実装されており、
前記GND導体パターンと前記電源導体パターン及び前記インピーダンス部品とは、該回路基板の一の面に配置され、
前記GND層は、前記回路基板中又は前記回路基板の一の面の反対の面に形成され、
前記電源層は、前記回路基板中又は前記回路基板の一の面の反対の面に形成され、
前記一の面において、前記開口部と前記インピーダンス部品との間には前記GND導体パターンのみが配置されていることを特徴とする回路基板。 - 請求項1記載の回路基板であって、
前記開口部は複数個あり、その各々の開口部ごとに前記インピーダンス部品が各々設けられていることを特徴とする回路基板。 - 請求項2記載の回路基板であって、
前記複数個のインピーダンス部品は、異なる電気的値のものであることを特徴とする回路基板。 - 請求項1乃至3のいずれか一項に記載の回路基板であって、
前記インピーダンス部品は、一の開口部に対して複数個設けられていることを特徴とする回路基板。 - 請求項1乃至4のいずれか一項に記載の回路基板であって、
前記インピーダンス部品は、コンデンサであることを特徴とする回路基板。 - 請求項1乃至5のいずれか一項に記載された回路基板と、前記回路基板の開口部に挿入された接続部品と、前記接続部品を介して前記回路基板と接続された筐体とを有し、
前記回路基板のGNDと前記筐体のGNDとが、前記接続部品及び前記回路基板の開口部周縁の導体パターンを介して電気的に接続されていることを特徴とする電子機器。
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