サウンドシステムから煩わしいハム音を経験したことがありますか? 通常、ノイズはオーディオ ツールに入る交流電源 (エネルギー) ラインから発生します。 優れた設計の複数の機器が異なるパスを介して共通のグランドに接続されている場合、グランド ループが形成されます。 このループにより、さまざまな機器のグランド間を電流が流れる経路が形成され、最終的にはオーディオ ツールのグランドを流れる電流によってハミングが発生します。

この記事は、グランド ループの概念を検討し、効果的な除去方法についての洞察を提供することを目的としています。

グランドループPCBの必要性

接地されていない回路や装置は、重大な静電気による問題を引き起こす可能性があります。 接地されていないシステムでは、絶縁漏れによりかなりの固定量が蓄積する可能性があり、そのような回路に接触すると感電の重大な危険が生じます。 導体の電位が低い場合、高静電荷が放電してアンペア電流が流れ、システムに損害を与える可能性が比較的高くなります。 接地により、ユーザーとツールの両方の安全が確保されます。

理想的なグランド ループ PCB

電気回路に電流が流れるには、閉じた経路が存在する必要があります。 この高速経路には、電流がソースに戻るための戻り経路が必要ですが、これは基板の「グランド」と呼ばれる共通点によって促進されます。

理想的なシナリオでは、アース接続の抵抗と寄生容量はゼロです。 回路要素はグランドに接続されており、同一の電位を持っていると想定されます。 このような場合、環境に存在しない場合の電位差により電流が流れなくなります。 しかし、実際のアプリケーションでは実現不可能です。

実際には、共通の接地電位の概念は理論上または机上でのみ適用できることがよくあります。 ワイヤの寄生成分や抵抗などの非理想的な要因が存在すると、グランド電位に変動が生じ、循環電流が発生します。 これらの非理想性は、潜在的な接地差の原因となります。

グランド ループ PCB とは何ですか?

電気システム内の 3 つ以上の点を接続する導電路があり、通常は接地電位にある場合、接地ループが確立されます。 さまざまな接地電位を持つこのような接地は、電位差が生じたり、コイルを介してフロア間で電流が移動したりするため、問題が生じる可能性があります。

回路内のグランド ループ PCB の形成
グランド ループは、次のようなさまざまな手段を通じて回路内に形成される可能性があります。

ドレイン線の両端がアースに接続されているシールドケーブルを例にとると、導体によってアースリンクがすでに確立されています。 シールドケーブルの下端に2本の線が取り付けられているため、2本のリンクされた経路が形成され、グランドループが形成されます。 コイル内の循環電流はワイヤのパラメータに依存します。
電気機器の設置時には、機器の接地および機器が設置される基礎の構造接地が実施されます。 ただし、2 つの電気機器が同じケーブルを使用して接地されており、フォームが直接接地されている場合、2 つの経路が生じ、接地ループが発生します。
導体、電力線、通信機器は多くの場合、地面に接続されます。 ただし、ケーブルが同じエンドポイントに接続されている場合は、グランド ループが形成されます。

グランドループPCBの影響

・ 接地：

回路内のグランド接続は、電流の主な帰還経路として機能し、さまざまなトピックにわたる電位を測定するための基準点として機能します。 グランド信号/トレースは、プリント基板の重要な部分を占めます。 したがって、不適切な接地はカップリング、接地ループ、電磁ノイズ干渉などの問題を引き起こし、回路に悪影響を与える可能性があります。

· グランドプレーン:

グランド プレーンの使用は、PCB ボードで適切な接地を確立するための一般的かつ効果的な手法です。 グランド プレーンとは、PCB 上のさまざまな点からの電流のリターン パスとして機能する銅の広い領域を指します。 これにより、低インピーダンスの電流経路が提供され、ヒートシンクとして機能します。 さらに、干渉によるクロストークの軽減にも役立ちます。

2 層 PCB を設計する場合、設計者は通常、グランド プレーンを下層に配置し、その他の信号を上層コーティングに配置します。 少数のコールはグランド プレーンでルーティングされる場合がありますが、グランド プレーンの信号トラックの数を最小限に抑えることをお勧めします。

4 層 PCB の場合、層全体を接地専用とし、その層に信号収集を配置しないことをお勧めします。 グランド層に信号トレースを追加すると、グランド ループとして知られる問題が発生する可能性があります。

PCB 上の配線により電流が循環経路を流れるときに発生します。 理想的なプリント基板に。 グランド内のすべての点が等しい電位になります。 しかし実際には、たとえそれらがすべてグランドプレーンの一部であっても、抵抗は異なるトピック間で変化する傾向があります。

グランド ループが存在すると、電流が円内で往復して跳ね返り、PCB 設計に問題が発生します。 グランド ループを防ぐには、回路内の電流の動きを理解し、ループを形成する配線を避けることが重要です。

グランド ループを排除する 1 つの方法は、特にグランド プレーンが存在する場合、ビアを使用して他のコーティングとリンクすることです。 このアプローチは、層間に連続的なグランド接続を確立するのに役立ち、電流が流れる循環経路の形成を回避します。

· アースコネクタ:

PCB ボードには、他の PCB に接続する際のインピーダンスの不整合を防ぐために、必要以上に多くのグランド ピンが付いていることがよくあります。 インピーダンスの不整合により、電流の振動が発生する可能性があります。

発振を防ぐために、プリント基板コネクタのピンの 30 ～ 40 % をアース接続に割り当てることをお勧めします。 複数のピンを含めることにより、インピーダンスの不一致を相殺し、電流の追加の経路を確立できます。

· グラウンドを隔離する

混合信号 (アナログとデジタル) を扱う場合、問題が発生する可能性があります。 アナログ信号はノイズの影響を非常に受けやすいですが、デジタル信号は本質的にノイズが多くなります。 したがって、このような状況では、アナログ接地線をデジタル信号ベースから分離して、アナログ信号の完全性を維持することが重要です。

通常、デジタル グラウンドとアナログ グラウンドは、それぞれに別個のセクションを作成し、それぞれのグラウンド プレーンを単一の通常の点に接続することによって分離されます。 ただし、アナログラインとデジタルラインを絶縁するには他にもさまざまな方法があります。 アプリケーションと基板スペースに最適なものを選択することをお勧めします。

· デカップリング:

PCB 設計における一般的なアプローチには、エネルギー トレースからグランド トレースにコンデンサを接続することが含まれます。 この技術は主に、ボード上の IC への安定した電力供給を確保し、それによって電源ノイズを最小限に抑えるために使用されます。

また、この技術は効果的なアース方法としても機能します。 デカップリングコンデンサを組み込むことにより、電源経路とグランド経路の間に発生する可能性のあるノイズを軽減し、EMI干渉を防ぎます。 基板上の各 IC にコンデンサを追加し、できるだけ近くに配置することをお勧めします。

ボード上のすべてのチップに同じ高静電容量のコンデンサを使用します。

製造された PCB の最適なパフォーマンスを確保するために、PCB 設計では広く使用されている接地技術がいくつかあります。 プリント基板製造といえば、JLCPCB は世界規模のトップクラスのプリント基板メーカーです。 同社のデザイナー チームは、受け取ったすべてのデザインを注意深く検証し、最高レベルの品質を保証します。 試してみる価値はあります。

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