電源プレーンはGNDプレーンより小さくすべき？

本来のルールとしては、GNDプレーンに対して電源プレーンのサイズを小さくするという内容なので、GNDプレーンのサイズをそのままにして電源プレーンのサイズを小さくして検証すべきです。
ただ、電源プレーンのサイズを小さくすると電源プレーンの共振特性が変わってしまい、GNDプレーンに対する電源プレーンのサイズの違いという本当に見たい部分(フリンジ電界の影響)が見えなくなってしまうのではないかと考えられます。
そこで、まずは電源プレーンサイズをそのままにしてＧＮＤプレーン面積を大きくして解析してみようと思います。
評価は3ｍ放射電界強度(30～1000MHz)によって行います。
解析する基板の条件をFig.3に示します。

• 0H: 電源プレーンとGNDプレーンのサイズが同じ
• 10H: 電源プレーンに対しGNDプレーンのサイズが10mm大きい
• 20H: 電源プレーンに対しGNDプレーンのサイズが20mm大きい

なお、ノイズ源は1V(30～1000MHz)とし、LT8641の電源入力ピンに設定します。(Fig.4)

• 0H: GNDプレーンと電源プレーンのサイズが同じ
• 10H: GNDプレーンに対し電源プレーンのサイズが10mm小さい
• 20H: GNDプレーンに対し電源プレーンのサイズが20mm小さい

なお、ノイズ源の設定はGNDプレーンのサイズを変更した場合と同様です。

これまでの解析内容で、以下のことがわかりました。

今回の解析条件下において:

• GNDプレーンを大きくすると、フリンジ電界が抑制され広帯域で放射電界強度がわずかに低下
• 電源プレーンを小さくすると、共振周波数が高周波側へ移動し低周波帯の放射電界強度が低下
• ただし、フリンジ電界抑制よりも共振周波数シフトの影響が支配的

上記を踏まえると、一般的には「GNDプレーンは可能な限り大きくし、電源プレーンは可能な限り小さくする」というのが、フリンジ電界の抑制効果と共振周波数のシフトによる効果を両取りできる基本的な設計指針になるように思えます。

しかし、気を付けなければならない点が一点あります。
それは、共振周波数はシフトしているだけで共振によるピークが消えるわけではないという点です。

Fig.8を見ると20H基板が最も放射電界強度が低く良い結果のように見えますが、420～700MHzにおいては共振によって放射電界強度が他の条件よりも高くなっていることが確認できます。
それでは、20H基板で放射電界強度が最も高い530MHzにおける電界強度分布を確認してみます。(Fig.9)

電源プレーンとGNDプレーンのサイズに関して、今回の基板においては以下の結論が得られました。

• 電源プレーンよりもGNDプレーンを大きくすると広い周波数帯域で放射電界強度が下がる
  ただし、大きな効果は得られない可能性がある
• 電源プレーンを小さくすると低い周波数帯域で放射電界強度が低減する傾向がある
  ただし、共振周波数がシフトするため別の周波数帯で放射が増える可能性もある。
• ルールを守ることで問題が起きる可能性を下げることはできるがリスクを完全になくすことはできない。

➡ リスクを最小限にするためにはシミュレーションの活用が重要である。

なお、この結論はあくまで今回解析した基板にもとづくものであり、基板サイズや形状が異なれば別の問題が発生する可能性もあります。

このように、昔自分が言われた「シミュレーションしてみないとわからない」というのが結論になってしまうのは少し心苦しいですが、シミュレーションをどのように活用すればよいかを考えるうえで、本コラムの内容が一つの参考になれば幸いです。

なお、今回の解析は「Ansys HFSS」を使用して実施しましたが、共振解析であれば冒頭でも触れた「DEMITASNX」でも実施が可能です。

これからもPCBパターン設計時の疑問をシミュレーションによって解消していきたいと思いますので、もし興味があればチェックしてみてください。
また、「こんなときどうすればいいの？」といった疑問があれば、ぜひお気軽に以下のボタンからお問い合わせください。

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