シングルチップマイクロコンピュータ制御ボードのPCB設計原則

回路基板の設計の最も基本的なプロセスは、回路図設計、ネットリスト生成、プリント基板設計の3つのステップに分けられます。基板上のデバイスのレイアウトや配線など、具体的な要件があります。

例えば、入力と出力の配線は、干渉を避けるためにできるだけ避ける必要があります。2本の信号線の並列配線は、接地絶縁を行う必要があり、2つの隣接する配線層は、できるだけ互いに垂直にする必要があります。並列配置では、寄生結合が容易に発生する可能性があります。電源線とグランド線は、できるだけ2つの層に分離し、互いに垂直にする必要があります。線幅に関しては、デジタル回路PCBのループとして広いグランド線を使用して、グランドネットワークを形成することができます（アナログ回路ではこの方法は使用できません）。また、広い面積の銅を使用します。

以下の記事では、マイクロコントローラ制御基板のPCB設計において注意すべき原則といくつかの詳細について説明します。

1. 部品レイアウト

部品のレイアウトに関しては、関連する部品はできるだけ近くに配置する必要があります。例えば、クロックジェネレータ、水晶発振器、CPUのクロック入力などはノイズが発生しやすいため、近くに配置する必要があります。ノイズが発生しやすいデバイス、低電流回路、高電流回路のスイッチング回路などは、マイクロコントローラのロジック制御回路やストレージ回路（ROM、RAM）からできるだけ離して配置します。可能であれば、これらの回路を回路基板にまとめることができ、これは干渉防止に役立ち、回路の信頼性を向上させます。

2. デカップリングコンデンサ

ROM、RAM、その他のチップなど、主要な部品の隣にデカップリングコンデンサを取り付けるようにしてください。実際、プリント基板のトレース、ピン接続、配線などには、大きなインダクタンス効果が含まれている可能性があります。大きなインダクタンスは、Vccトレースに深刻なスイッチングノイズスパイクを引き起こす可能性があります。Vccトレース上のスイッチングノイズスパイクを防ぐ唯一の方法は、VCCと電源グランドの間に0.1uFの電子デカップリングコンデンサを配置することです。回路基板に表面実装部品を使用する場合は、チップコンデンサを部品に直接当てて、Vccピンに固定することができます。このタイプのコンデンサは、静電損失（ESL）が低く、高周波インピーダンスが高く、誘電体の温度と時間の安定性も非常に優れているため、セラミックコンデンサを使用するのが最善です。タンタルコンデンサは、高周波でのインピーダンスが高いため、使用しないようにしてください。

デカップリングコンデンサを配置する際には、以下の点に注意してください。

プリント基板の電源入力端に100uFの電解コンデンサを接続します。容量に余裕があれば、より大きな容量の方が良いです。

原則として、各集積回路チップの隣に0.01uFのセラミックコンデンサを配置する必要があります。回路基板の隙間が小さすぎて収まらない場合は、10個のチップごとに1〜10個のタンタルコンデンサを配置できます。

耐干渉性が弱く、オフ時に大きな電流変化があり、RAMやROMなどのストレージ部品については、電源線（Vcc）とグランド線の間にデカップリングコンデンサを接続する必要があります。

コンデンサのリード線は長すぎないようにしてください。特に高周波バイパスコンデンサはリード線を取ることができません。

3. グランド線設計

シングルチップ制御システムには、システムグランド、シールドグランド、ロジックグランド、アナロググランドなど、さまざまな種類のグランド線があります。グランド線の合理的なレイアウトは、回路基板の耐干渉能力を決定します。グランド線と接地点を設計する際には、以下の問題を考慮する必要があります。

ロジックグランドとアナロググランドは別々に配線し、一緒に使用することはできません。それぞれのグランド線を対応する電源グランド線に接続します。設計時には、アナロググランド線をできるだけ太くし、端子の接地面積をできるだけ大きくする必要があります。一般的に、入力と出力のアナログ信号をフォトカプラを介してマイクロコントローラ回路から分離するのが最善です。

ロジック回路のプリント基板を設計する際には、グランド線が閉ループを形成し、回路の耐干渉能力を向上させる必要があります。

グランド線はできるだけ太くする必要があります。グランド線が非常に細い場合、グランド線の抵抗が大きくなり、電流の変化に伴ってグランド電位が変化し、信号レベルが不安定になり、回路の耐干渉能力が低下します。配線スペースに余裕がある場合は、メイングランド線の幅が少なくとも2〜3mm、部品ピンのグランド線が約1.5mmであることを確認してください。

接地点の選択に注意してください。回路基板上の信号周波数が1MHz未満の場合、配線と部品間の電磁誘導の影響が小さく、接地回路によって形成される循環が干渉に大きな影響を与えるため、ループを形成しないようにポイント接地を使用する必要があります。回路基板上の信号周波数が10MHzを超える場合、PCB配線設計の明らかなインダクタンス効果により、グランドインピーダンスが非常に大きくなり、接地回路によって形成される循環電流はもはや大きな問題ではありません。したがって、グランドインピーダンスを最小限に抑えるために、マルチポイント接地を使用する必要があります。

4. その他

· 電源線のレイアウトに加えて、トレースの幅は電流の大きさに応じてできるだけ太くする必要があります。PCBレイアウト設計では、電源線とグランド線の配線方向は、データ線の配線と一致させる必要があります。PCBレイアウト設計の最後に、トレースがない回路基板の底面をグランド線で覆います。これらの方法はすべて、回路の耐干渉能力を高めるのに役立ちます。

データ線の幅は、インピーダンスを減らすためにできるだけ広くする必要があります。データ線の幅は、少なくとも0.3mm（12mil）以上であり、0.46〜0.5mm（18mil〜20mil）を使用するのがより理想的です。

回路基板上のビアホールは、約10pFの容量効果をもたらし、高周波回路に過度の干渉を引き起こすため、PCBレイアウト設計では、ビアホールの数をできるだけ減らす必要があります。さらに、ビアホールが多すぎると、回路基板の機械的強度も低下します。