“GNDビア”の個数はどう決める？

今回使用するモデルは、本シリーズコラムの第１回と第２回でも使用したAnalog Devices社製の「LT8641」を使用したDCDCコンバータ基板です。(PCBレイアウトは少し変えています。)
回路図をFig.5、PCBレイアウトをFig.6に示します。

コラムのタイトルは「個数」となっていますが、個数で評価すると非常にわかりづらいのでGNDビアを配置する間隔(ピッチ)で以下のように条件を振りました。

• 25mm : 約300MHzの1/20λ
• 10mm : 約700MHzの1/20λ
• 5.0mm : 約1.4GHzの1/20λ
• 2.5mm： 約2.8GHzの1/20λ
• 1.0mm: 約6.9GHzの1/20λ

また、1/20λになる周波数は基板材料であるFR-4（比誘電率4.2）を考慮し、自由空間に比べて波長が約半分に短縮されることを前提に算出しています。
なお、今回検証する周波数範囲は30MHz～2.5GHzとします。
この条件では2.5mmピッチが「ノイズ波長の1/20以下の間隔で配置する」という一般的な指標を満たす設計となります。
各条件の基板モデルをFig.7に示します。

解析結果から、GNDビアのピッチ（個数）の違いが放射ノイズに与える影響を確認していきます。
直感的には、ビア数が最も少ない25mmピッチの基板で放射ノイズレベルが最も高くなりそうです。
一方で、「ビアは多すぎても良くない」という意見が正しければ、ビア数の多い2.5mmピッチや1.0mmピッチの基板で放射ノイズが増える可能性も考えられます。
解析結果はどうなっているでしょうか？

各基板モデルにおける3m放射電界強度をFig.8に示します。

Fig.8より、100MHz以下の低周波帯域と1GHz以上の高周波帯域でGNDビアの個数による差が確認できます。一方で、100～1000MHzではすべての条件で差はほぼ見られませんでした。
今回はＧＮＤビアの個数に着目しているので、影響の大きかった100MHz以下および1GHz以上の周波数帯域に関して、それぞれ詳細を確認していきます。
まずは、100MHz以下における3m放射電界強度をFig.9に示します。

電磁界シミュレータを用いることによって、今回の基板条件においてＧＮＤビアの個数が与える放射ノイズへの影響を確認することができました。
また、シミュレーションを実施することで、今回の基板に関してはGNDビアの個数に関して以下のような傾向が確認できました。

• GNDビアが少なすぎると、放射ノイズが増加するリスクがある
• ただし、ある程度の個数を超えると、それ以上増やしても抑制効果は小さくなる
• 5～10mmピッチ程度でも十分な抑制効果が確認できた

一般的な指標や設計者の経験・勘だけを頼りに検討を進めると、判断の根拠が個人に依存し、ノウハウが属人化してしまう要因になりがちです。
一方で、電磁界シミュレータを活用すれば、GNDビアの個数をどの程度に設定すべきかを解析結果に基づいて検討できるようになります。
さらに、基板を試作して実測結果との相関を確認していくことで、解析の精度を段階的に高めることが可能です。
その結果、特定の設計者の経験に依存しない、社内共通の設計指標を作り上げていくこともできます。

なお、最後に一点注意事項があります。
GNDビアを過度に増やすと、基板製造コストの上昇や、ビア配置によっては部品実装への影響が生じる可能性があります。
そのため、基板製造業者様や部品実装業者様と相談しながら、EMC性能だけでなく、コストや基板品質とのバランスも考慮して設計を進めることが重要です。

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。

サイバネットは、お客様のEMCに関するお悩みをトータルで解決いたします。 

「なにから始めればよいかわからない」 

そんなときこそ、まずはサイバネットに相談してみませんか？ 

ご相談・お見積りは無料です。