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EMC

PCB トレース・クロストーク (EMC)

容量結合と誘導結合によるPCBトレースのクロストークを解析します。EMC プリコンプライアンスのためのカップリング電圧と dB アイソレーションを計算します。

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公式

Vcap=VA×Cm×2πf×Z,Vind=Lm×2πf×(VA/Z)V_cap = V_A × C_m × 2πf × Z, V_ind = L_m × 2πf × (V_A/Z)

仕組み

PCB CrosstalkEMC Calculatorは、放射エミッション解析用にトレース間の電磁結合を計算します。これは、CISPR 32準拠、シグナルインテグリティの検証、およびクロストーク結合ノイズが-40dB（1% 結合）のしきい値を超えないようにするために不可欠です。EMCのエンジニアは、これを利用して、ノイズの多いアグレッサーと結合すると二次的なエミッション発生源となる被害トレースを特定します。

ヘンリー・オットの「EMC エンジニアリング」とジョンソン/グラハムの「ハイスピード・デジタル・デザイン」によると、クロストークは容量性カップリング（ (V_cap = C_m x dV/dt x Z_load) ）と誘導カップリング（ (V_ind = L_m x dI/dt）を介してノイズを注入します。クロストークの合計は、周波数と並列実行長に比例して増加します。100 MHz では、間隔が 0.3 mm の 2 本の 50 オームのトレースを 50 mm 並列に接続すると、約 -40 dB のクロストークが生成されます。500 MHz では -26 dB になります。

結合ノイズが I/O コネクタに到達すると、クロストークによって EMC の問題が発生します。Ottによると、ケーブルにルーティングされた被害者トレースが2次アンテナになります。1mのケーブルに200MHzで-30dBのクロストークが発生すると、その周波数での 放射エミッションが10dB増加し、CISPR 32クラスBの障害が発生する可能性があります。IPC-2141Aの「3Wルール」（トレース間隔は3x トレース幅）により、クロストークは-40dBに制限されています。これは、ほとんどのデジタル信号に十分です。

近端クロストーク (NEXT) は被害者トレースのソース側に、遠端クロストーク (FEXT) は遠端に表示されます。Johnson/Grahamによると、同種の伝送線路（ストリップライン）では、容量結合と誘導結合が相殺されるため、FEXTはゼロに近づきます。これが、EMCに敏感な設計の長い並列経路にストリップラインが好まれる理由です。

計算例

問題:プリコンプライアンススキャンにより、65 dBuV/m (CISPR 32 クラス B の制限:3 m で 40 dBuV/m) で USB ケーブルからの 200 MHz 放射が示されました。USB データトレースは、200 MHz のクロック・トレースと 0.5 mm の間隔で 80 mm 平行に走っています。クロストークの影響を計算します。

Ottによるソリューション:

  1. 0.5mm間隔、地面からの高さ0.2mmの場合のクロストーク係数：25mmあたり約-35dB
  2. 80mm の平行長さ:80/25 = 3.2 セクション、クロストークは 10 x log10 (3.2) = 5 dB 増加する
  3. 200 メガヘルツでのトータル・クロストーク:-35 + 5 = -30 dB
  4. クロック振幅:3.3V = 70 dBuV と仮定
  5. USB トレースへの結合電圧:70-30 = 40 dBuV
  6. 200 メガヘルツでの USB ケーブル (1m) のアンテナファクター:約 +25 dB/m
  7. クロストークからの放射フィールド:40 + 25 = 65 dBuV/m — 測定されたエミッションと一致します！

解決策：間隔を3Wルール（0.5mmトレースの場合は1.5mm）に増やすと、6 dB改善できます。または、パラレルランニングを20mmに減らすと、6 dB向上します。いずれの場合も、エミッションは 59 dBuV/m になりますが、それでも制限値を 19 dB 上回ります。クロック・フィルタリングと間隔の拡大が必要です。

実践的なヒント

  • ✓デジタル信号には3Wルール（間隔 = トレース幅の3倍）を適用します。IPC-2141Aによると、これにより、ほとんどのアプリケーションで十分な-40dBのクロストークが得られます。敏感な信号 (クロック、リファレンス) には、-50 dB の間隔を 5 W に設定してください。
  • ✓隣接する層に直交配する — Johnson/Grahamによると、垂直配線では並列結合がなくなり、交差点（数mmのオーバーラップ）のみが寄与します（通常は-60dB未満）。隣接するレイヤーには決して平行に配線しないでください。
  • ✓敏感な信号にはストリップラインを使用してください。Ottによると、2番目のグランドプレーンはフィールド制限のため、マイクロストリップよりも6〜10dB優れたアイソレーションが得られます。高速クロックや基準信号には不可欠です。

よくある間違い

  • ✗クロストークはシグナルインテグリティの問題に過ぎないと仮定すると、Ottによると、I/Oトレース上のクロストーク結合ノイズはケーブルから放射され、I/Oインターフェースに誤って起因するEMC障害を引き起こすことがよくあります。放射源は必ずクロストーク経路を通って追跡してください。
  • ✗高速クロックをI/Oトレースと並列にルーティングする — Johnson/Grahamによると、クロックの高調波は300MHz以上に及んでいます。10mmのパラレル実行カップルでも300MHzで-45dBになり、CISPR 32の制限を超える可能性があります。クロックはすべての I/O トレースに対して垂直に配線してください。
  • ✗適切な接地されていないガードトレースに頼る場合 — IPC-2141Aによると、接地されていないガードトレースは特定の周波数で共振し、その周波数でのクロストークが増加する可能性があります。一貫したシールドを実現するために、10mmごとにビア付きのグラウンドガードトレースを行います。

よくある質問

Johnson/Grahamによると、インピーダンスに依存します。犠牲者の負荷インピーダンスが高い場合（100オーム以上）は容量性クロストークが支配的になり、被害者のインピーダンスが低い（25オーム未満）場合は誘導クロストークが支配的になります。50 Ω (制御されたインピーダンスでは共通) では、どちらもほぼ等しく寄与します。IPC-2141Aの3Wルールでは、両方のメカニズムを同程度の量だけ削減できます。
はい、もちろんです。Ottによると、I/Oトレース上のクロストーク結合ノイズは、接続されたケーブルを介して放射されます。200 MHz で 1 m のケーブルに -30 dB のクロストーク結合を行うと、CISPR 32 の制限を超える電界強度が得られます。これは一般的な「隠れた」障害メカニズムです。原因は入出力インターフェイスにあるように見えますが、実際の原因はクロックまたはスイッチング電源からの内部クロストークです。
Johnson/Grahamによると、ソリッドリファレンスプレーンは各トレースの真下に低インピーダンスのリターンパスを提供し、リファレンスプレーンがないトレースと比較して、ループ面積とカップリング係数を60〜80％削減します。ストリップライン（2つのプレーン間のトレース）は、同じトレース間隔でマイクロストリップ（単一プレーンより上のトレース）よりも6〜20dB優れたアイソレーションを実現します。これは、フィールド閉じ込めが優れているためです。
Johnson/Grahamによると、NEXT（近端）は被害者のソース側で測定されたクロストーク、FEXT（遠端）は終端で測定されます。次へ = (C_m x Z0 + L_m/Z0)/4; FEXT = (C_m x Z0- L_m/Z0)/2 x 長さ/速度。均質なライン (ストリップライン) では、 L_m/Z0 は C_m x Z0とほぼ等しいため、FEXTはゼロに近づきます。マイクロストリップのFEXTは、誘電体が不均一なため、ゼロではありません。
クロストークがノイズマージンまたはEMC制限を超える場合。オットによると、クロストークは、周波数に比例して変化します。同じジオメトリでは、100 MHz で -45 dB が 500 MHz で -33 dB になります。CISPR 32 の放射制限は 30 MHz から始まり、100 MHz を超えると、デジタルクロック（高調波から 500 MHz 以上）からのクロストーク（高調波が 500 MHz 以上）によって障害が発生するのが一般的です。クロストークが最も大きい重要高調波、通常はクロックの5～7次高調波でのクロストークを解析します。

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