スマートホーム機器が一般家庭に広く普及する中で、その中核を担う制御システムの安定性と信頼性は、製品開発の重要な焦点となっています。その中でも、PCBA（プリント基板実装）はシステムの“頭脳”としての役割を果たしており、電磁両立性（EMC）の設計は特に重要です。限られたスペースとコストの中でEMC性能を確保することは、多くの技術者にとって共通の課題となっています。

PCBGOGOとの複数のプロジェクト協力と設計の繰り返しを通じて、スマートホーム用PCBAに適したEMC最適化の手法を整理しましたので、開発現場の皆様にご参考いただければと思います。

一、電源層設計によるノイズ低減の基本

高集積のスマートホームPCBAにおいて、電源層の配置はシステムの耐干渉性に直結します。多層基板構造を優先的に採用し、電源層とGND層をそれぞれ独立したプレーン層として設けることで、電源ループの面積を最小化し、放射ノイズの低減が可能になります。

たとえば、PCBGOGOと共同で開発したスマートゲートウェイ制御基板では、最終的に6層の基板構造を採用し、中央の2層に完全なGND層と電源層を配置しました。この“サンドイッチ”レイアウトによって電源リップルが大きく低減され、基板全体のEMC性能が向上しました。

二、信号の整合性と差動配線設計

USB、Wi-Fi、Bluetoothなどの高周波信号はEMIの発生源になりやすいため、配線設計においては等長配線、差動ペア配線、インピーダンス制御を徹底することが重要です。また、高速信号が層をまたぐ回数を減らすことで、不要なアンテナ効果の発生を防ぎます。

あるマルチプロトコル対応スマートパネルの開発では、PCBGOGOのエンジニアによる設計レビューで、初期版における高速信号の層間移動の多さとインピーダンス不整合が指摘されました。その後のレイアウト調整によって、放射ノイズが約30パーセント低減され、規格の上限値を超えることはなくなりました。

三、重要部品のシールドおよび接地対策

DC-DCコンバーター、電源管理IC、水晶発振器など、ノイズの発生または干渉を受けやすい部品については、金属シールドでカバーし、確実に接地することが推奨されます。また、アナログ回路とデジタル回路を物理的に分離し、GNDのゾーニングを明確にすることで干渉を防ぎます。

EMC対策の最終段階では、小さな接地パッドの見落としが原因で、モジュール全体の放射ノイズが規格を超えることもあります。PCBGOGOの製造技術チームは、SMT工程においてシールドケースの接地ピンとパッドの整合性を確保するよう指導し、後工程でのはんだ不良によるトラブルを未然に防いでくれました。

四、EMC試験前のシミュレーションによる予測

設計初期段階で電磁界シミュレーションを導入することで、後工程での修正コストを大きく削減することが可能です。CSTやHFSSなどのツールを使用して、重要な配線や電源ループをモデリングし、EMIの“ホットスポット”を早期に発見できます。

さらに、PCBGOGOは一部プロジェクトにおいて、試作段階でのEMC簡易評価サービスを提供しており、開発段階で潜在的な問題点を事前に把握することで、開発スピードと成功率の向上に貢献しています。

PCBGOGOとの複数回の協業経験を通じて感じたことは、信頼できる製造?技術パートナーの存在が、EMCの難題に直面したときに想像以上の専門的な気づきを与えてくれるということです。