往路電流と復路電流がつくる磁界

プリント基板EMC Q＆A

信号線幅と磁界強度の関係

プリント基板の信号配線には必ず電流が流れます．信号線を通過する電流は往路電流であり，その電流は必ず復路電流と対になっています．復路はグラウンド面やリターン・パスを通じて元に戻る流れであり，両者がそろってはじめて電流ループが閉じます．電流が閉じたループを形成すると，その周囲には磁界が発生します．したがって往路と復路をどのように配置するかは，磁界強度や放射ノイズの大小に直接関係します．

信号線幅と磁界強度の関係

信号線に電流が流れると，その周囲に磁界が生じます．磁界の強さは電流量と，磁界が取り囲む経路の長さで決まります．1Aの電流が流れる信号線を例に考えると，信号線の幅が狭ければ磁界を囲む距離が短くなり，磁界は強くなります．逆に信号線の幅が広がれば，磁界は広い範囲に分布するため強度は弱くなります．信号線の直下にグラウンド面が存在する場合，磁界強度は線に近い位置では大きく，グラウンド面に近づくほど弱まるという分布を示します．

誤解されやすいポイント

1. 誘電体の透磁率が増加しても磁界強度にはほとんど影響しない
2. 信号の遷移時間が短くなっても磁界強度には直接関係しない
3. 信号線の幅が狭くなると磁界は強くなる
4. 信号線とグラウンド面との距離が変化しても，影響は限定的である

したがって最適な答えは「信号線の幅が減少すると磁界強度が増す」です．これはプリント基板設計の基本的な知識であり，ノイズ対策を考える上で欠かせない視点です．

復路電流の流れと設計上の注意

復路電流は往路電流に対してもっともインダクタンスが小さくなる経路を選びます．多層基板において信号線の直下にグラウンド面が配置されている場合，復路電流はそのグラウンド面を通って戻ります．往路と復路の距離が近ければ近いほどループ面積は小さくなり，発生する磁界も抑えられます．逆に復路が遠回りするとループ面積が大きくなり，磁界が強まりノイズ源になりやすくなります．

基板レイアウトでは，次の点に注意する必要があります．

1. 信号線とグラウンド面の距離を近づける
2. 復路が途切れないようにグラウンド面を連続させる
3. 信号線幅をむやみに狭くせず，電流容量とノイズの両面から最適化する

これらを理解することで，往路と復路がつくる磁界を正しくイメージでき，EMCを考慮した基板設計につながります． 〈著：ZEPマガジン〉

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著者紹介

• 櫻井 秋久
• 1982年　九州大学大学院総合理工学研究科修了
• 1982年　日本アイ・ビー・エム株式会社入社．通信端末の製品開発，数値シミュレーションを応用したEMC 製品設計技術の研究，開発に従事
• 2005年　IBM ディスティングイッシュド・エンジニア，技術開発センター長
• 2010年　数値気象予測などIBMの基礎研究成果を活用したソリューション開発に従事
• 2020年　同社退社
• 2021年　株式会社システムデザイン研究所・顧問，山形大学ナスカ研究所教授．iNARTE EMCマスタ・デザイン・エンジニア
• クレムソン大学の電気・コンピュータ工学の名誉教授，LearnEMCの社長．MITでBSEE，パデュー大学でMSEE，ノースカロライナ州立大学でPh.D.を取得．IBMで7年間エンジニアを務め，ミズーリ大学ローラ校で17年間教員を務めた後，2006年にクレムソン大学に入社
• クレムソン大学の車両エレクトロニクスのミシュラン教授として，クレムソン車両エレクトロニクス研究所を設立し，車両エレクトロニクス，電磁適合性，ディジタル・シグナルインテグリティの研究プロジェクトを監督し，授業を担当．
• 同氏が運営するウェブサイト“LearnEMC”では，自動車，航空宇宙，民生用電子機器の各業界で働くエンジニアを対象に，EMCに関する指導，コンサルティング，設計支援を行っている．
• 電気電子学会(IEEE)フェロー，Applied Computational Electromagnetics Societyフェロー，IEEE Electromagnetic Compatibility Society Past-President．

著書

1. ［Book/PDF］デシベルから始めるプリント基板EMC 即答200，ZEPエンジニアリング．

参考文献

1. ［PDF］デシベルから始めるプリント基板EMC 即答200，ZEPエンジニアリング株式会社．
2. ［VOD/KIT］ポケット・スペアナで手軽に！基板と回路のEMCノイズ対策 10の定石，ZEPエンジニアリング株式会社．
3. ［VOD］Gbps超 高速伝送基板の設計ノウハウ＆評価技術，ZEPエンジニアリング株式会社．
4. ［VOD/KIT］3GHzネットアナ付き！RF回路シミュレーション＆設計・測定入門，ZEPエンジニアリング株式会社．
5. ［VOD/KIT］3GHzネットアナ付き！初めてのIoT向け基板アンテナ設計，ZEPエンジニアリング株式会社．
6. ［VOD］Pythonで学ぶ マクスウェル方程式 【電場編】＋【磁場編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
7. ［VOD］Pythonで学ぶ やりなおし数学塾1【微分・積分】，ZEPエンジニアリング株式会社．
8. ［VOD］Pythonで学ぶ やりなおし数学塾2【フーリエ解析】，ZEPエンジニアリング株式会社．
9. Pythonではじめる 数値解析入門 [Vol.1 Pythonの開発環境をインストールする]，ZEPエンジニアリング株式会社．
10. Pythonではじめる 数値解析入門[Vol.2 グラフ描画ライブラリ“Matplotlib”で2次元のグラフを描く]，ZEPエンジニアリング株式会社．
11. 5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室，ZEPエンジニアリング株式会社．