ETH のプラスチック ハウジング向け PCB 設計戦略

最新のイーサネット デバイス設計では、コスト、重量、美観を考慮して、プラスチック ハウジングの採用が増加しています。プラスチック材料には、軽量、低コスト、柔軟な成形プロセスなどの利点がありますが、その絶縁特性には、電磁両立性 (EMC) 設計、特に静電気放電 (ESD) 保護に対して特有の課題があります。この記事では、プラスチック ハウジングの制約内で革新的な PCB 設計を通じて PE (保護アース) 電荷を効果的に放電する方法について詳しく説明します。

プラスチック筐体の ESD 保護特性の解析
プラスチック製のエンクロージャは本質的に隔離戦略です。 ESD 保護原理によれば、絶縁は最も直接的かつ効果的な保護方法です。放電経路の長さを長くすることで、静電気が内部回路に到達するのを防ぐことができます。 IEC 61000-4-2 規格では、8kV の空中放電ではアークの貫通を効果的に防止するために少なくとも 4mm の絶縁距離が必要であると規定しています。これは、プラスチック エンクロージャ設計の理論的基礎を提供します。つまり、十分な空隙と沿面距離が維持されている限り、プラスチック エンクロージャ自体が自然な障壁となります。ただし、この絶縁特性は副作用ももたらします。デバイス内で発生した静電荷または外部結合された電荷がスムーズに放電されず、PCB の特定の領域に高電圧の電位が形成される可能性があります。電圧がプラスチックの筐体やエアギャップを破壊するのに十分なレベルまで蓄積すると、より破壊的な二次放電が発生します。したがって、プラスチック筐体での充電管理の中核は、「受動的な絶縁」ではなく「能動的な放電」にあります。

1. 浮体式地上システムの充電ダイナミクス
   プラスチックケースのデバイスは通常、フローティング グラウンド システムを構成します。これは、PCB グラウンド プレーンと外部グラウンドの間に DC 接続がないことを意味します。浮遊接地システムの充電動作は次の原則に従います。
   電荷の保存: システム内の正電荷と負電荷の総量は等しいですが、誘導により異なる領域が異なる電位を示す可能性があります。
   容量結合: 寄生容量は、PCB と外部環境の間、および内部コンポーネントとケースの間に形成され、電荷転送のチャネルとなります。
   高電圧の蓄積: 放電経路が存在しない場合、少量の電荷によってハイ インピーダンス ノードに数千ボルトが発生する可能性があります。
   放電閾値: 電位差が絶縁媒体の破壊強度を超えると、アーク放電が発生します。

PCB のコア設計原則-レベル充電放電
原則 1: ボード-レベルの準-グランドプレーンを構築する
プラスチックケースのデバイスでは、外部グランド接続は不可能ですが、安定した基準電位面を PCB 上に確立する必要があり、これを「準グランド」と呼びます。この飛行機は充電のための「貯蔵所」と「転送ステーション」として機能します。
設計上の考慮事項は次のとおりです。
-完全なグランド プレーン: 多層基板設計を使用する場合は、連続したグランド プレーンとして、セグメント化されていない完全な銅箔層があることを確認してください。完全なプレーンは、最低のインピーダンス経路を提供し、電荷分布を迅速に均一化します。
-スター型接地トポロジ: グランド ループによって引き起こされる電位差を避けるために、すべての機能モジュールのアース線をスター型構成でメイン グランド プレーンに接続します。
-グランド セグメンテーションを避ける: グランド プレーンを機能的にセグメント化しないでください。セグメント化により、高周波のさまざまな領域で接地電位が不均一になり、電位差が生じます。
-銅充填の最大化: 未使用の PCB 領域をすべて銅箔で充填し、グランドに接続して充電容量を増やします。

原則 2: 階層型放電ネットワークを確立する

単一ノードでの過度の電荷集中を防ぐために、段階的な電荷解放を実現するように階層型放電ネットワークを設計する必要があります。このネットワークは、ダムの段階的な洪水放流システムに似ています。

レベル 1: ボード-レベル均質化層
- PCB の周囲に少なくとも 3.5 mm の幅を持つリング状のグランド プレーンを電荷「バッファ」として設計します。
-接続インピーダンスを下げるために、リング状のグランド プレーンを高密度のビア (5 mm 間隔) を介してメイン グランド プレーンに接続します。
-重要なＩＣの周囲の保護リングは、このリング状のグランドプレーンに直接接続されるべきである。

レベル 2: インターフェース放電保護
-すべての外部インターフェイス (RJ45、USB、電源など) には、独立した ESD 保護デバイスが必要です。
-保護デバイスの接地端子は、最短経路 (<5mm) を介してメインの接地面に接続する必要があります。
-グランドバウンスを防ぐために、保護デバイスと保護回路間でグランドプレーンを共有しないでください。

レベル 3: エネルギー散逸層
- PCB の四隅または端に「電荷散逸ゾーン」を設定し、広い領域の銅箔を RC ネットワークを介してメイン グランドに接続します。
- RCパラメータの選択: 1MΩ/10MΩの抵抗器と10nF/100nFのコンデンサが並列接続され、高周波、低インピーダンス、高DC-インピーダンスの放電経路を形成します。
-この設計により、DC 漏れ電流をブロックし、フローティング グラウンド特性を維持しながら、急速な高周波静電気の放電が可能になります。

原則 3: 空間分離のためにレイアウトを最適化する
プラスチックケースの下の空間レイアウトは、電荷分布と放電効率に直接影響します。 「同心円」レイアウトの概念に従う必要があります。


ESD 源の特定と隔離
- ESD テスト ポイントは通常、筐体の継ぎ目、通気孔、操作ボタン、表示灯などに配置されます。
- PCB レイアウト中に、これらの敏感な場所に対応する領域を、コンポーネントやトレースを配置しない「禁止ゾーン」として指定します。
- ESD 源と内部回路間の沿面距離が 20mm より大きいことを確認してください。これは二次アークの発生を防ぐために非常に重要です。

機能ゾーニング戦略
-イーサネット PHY チップやトランスなどの敏感なコンポーネントを PCB の中央に配置します。
-電源やインターフェイス ドライバーなどの堅牢な回路を PCB の周辺に配置します。
-敏感な領域とエッジの間に「保護ストリップ」、つまり少なくとも 3 mm の空白領域、またはアース線のみで構成される絶縁ストリップを作成します。

非常に敏感な信号の処理
-リセット、クロック、アナログ フロントエンド信号などの敏感なトレースは、PCB の内層に配線し、両側をグランド プレーンで囲む必要があります。
-これらの信号線は、基板端から少なくともトレース幅の 3 倍離す必要があります。
-ビアを介した電荷結合を防ぐため、敏感な信号の近くにビアを配置しないでください。

原則 4: 制御されたインピーダンスの放電経路
プラスチックケースのデバイスでは、純粋な浮遊グランドは理想的ではありません。制御されたインピーダンスの放電経路を構築する必要があります。このパスは、電源周波数干渉を抑制するためにデバイスのフローティング グラウンド特性を維持しながら、効果的な ESD エネルギーの放出を保証する必要があります。
RC 放電ネットワークの設計
IEC 61000-4-2 規格によれば、ESD テストでは、各放電ごとに 10 秒以内に 2kV の放電を行う必要があります。したがって、放電抵抗値は、R = V/I = 2000V / (Q/t) ≈ 1MΩ/2MΩ と計算できます。
実用的なデザインに推奨:
-抵抗器：1MΩ/10MΩ、耐電圧2kV以上
-コンデンサ: 10nF/100nF、耐電圧 1kV 以上、できれば X7R または C0G 材料
-レイアウト: RC ネットワークは、特に人が接触する可能性のある領域では、PCB エッジの近くに配置する必要があります。

コンポーネント周辺機器の設計原則

TVSとGDTの相乗効果
-重要なインターフェイスでは、TVS (過渡電圧サプレッサー) が高速応答パスを提供し、ESD エネルギーをクランプします。
-高圧ESDの場合、GDT（ガス放電管）を並列接続して大きなエネルギーの放電経路を提供できます。
- TVS と GDT の両方の接地端子は、独立した短くて広いトレースを介してメイン グラウンド プレーンに接続する必要があります。


ネットワーク変圧器のシールド
イーサネット変圧器は ESD 伝導に対する重要な障壁であり、その設計品質は保護効果に直接影響します。
-センタータップ付きの変圧器を選択し、コンデンサを介してタップを接地します。
-変圧器の一次グランド面と二次グランド面は分離し、容量結合によってのみ結合する必要があります。
-変圧器の下にケーブルを配線しないでください。シールドとして完全なグランドプレーンを維持します。

MDI信号ライン保護
物理層のメディア依存インターフェイス (MDI) トレースは、ESD のエントリ ポイントです。
- PHY チップの MDI ピンの前に ESD 保護アレイ (SP03xx シリーズなど) を配置します。
-保護デバイスのグランド ピンは、専用のビアを介してメイン グランド プレーンに直接接続する必要があります。
- MDI 配線はできるだけ短く、理想的には 25mm 未満で、インピーダンスは 50Ω に整合する必要があります。
-トレースをグランドプレーンで囲み、両側にビアを密に挿入して「シールド壁」を形成します。