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Altium Designer
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Altium Designer - 回路・基板設計ソフトウェア

Buckコンバータ用インダクタの選択方法 Thought Leadership Buckコンバーター用インダクタの選択方法 SMPSは、お気に入りの電子機器をスムーズに動かすために、静かに（しかし電気的にはノイジーに）活動しているデバイスの一つです。彼らは背景で静かに役割を果たしていますが、彼らがいなければボードは動作しません。電力をたくさん消費するアプリケーションのDC-DCコンバータ設計の一環として、安定した電力供給を高効率で負荷に提供するためには、コンポーネントの選択が非常に重要です。 数多くのDC-DCコンバータトポロジーの中で、バックコンバータは入力電圧を下げるために、高効率の電力変換を提供するために多くの用途で使用されます。これらの電力コンバータのコンポーネント選択に関する一般的な質問は、バックコンバータ用のインダクタをどのように選択するかです。バックコンバータ内のインダクタや他のコンポーネントを扱う際の目標は、電力損失を熱に限定し、同時に電流リップルを最小限に抑えることです。 バックコンバータのインダクタ 以下に示すのは、SMPS用の基本的なバックコンバータトポロジーです。この図では、MOSFETからの出力がPWM信号で駆動され、ユーザーが選択したデューティサイクルでMOSFETをオン/オフします。インダクタとキャパシタは、PWM信号が切り替わる際に負荷に安定した電流を供給するために重要な役割を果たします。最終的に、PWM信号のデューティサイクルは、ユーザーが負荷に供給される出力電圧を制御するための主要な機能です。 インダクタはPWM信号と同じレートで常に切り替わるため、出力に送られる電流にわずかなリップルを重ねる役割を担います。インダクタとキャパシタはLフィルタを形成し、これは基本的に2次のバンドパスフィルタです。十分に 大きくESRが低いキャパシタを使用すると、キャパシタは低インピーダンスを提供し、リップルを構成する高周波成分は大部分が取り除かれます。 バックコンバータ用のインダクタの選択方法 インダクタの適切な値は、設計が許容できるリップル電流と、PWM信号に使用する予定のデューティサイクルに依存します。以下の方程式は、ダイオードの順方向電圧降下とMOSFETを通過するON状態の電圧降下の関数としての出力電圧を示しています。これらの電圧を考慮した後、出力電圧は次のようになります： いくつかの数学をスキップして、重要な結果に直接移ります。まず、インダクタンスとPWM周波数はリップル電圧に反比例します。次に、リップルはPWMデューティサイクルの二次関数でもあります。バックコンバーターのリップル電流は次のようになります： PWM信号の立ち上がり時間はどちらの方程式にも現れません。しかし、立ち上がり時間は、 コンバーターから発生するノイズおよび損失（詳細は以下を参照）を決定する上で重要な役割を果たします。重要な結果は以下のようにまとめることができます： デューティサイクルを増加させるとリップルは減少しますが、出力電圧を入力電圧に近づけることにもなります。 PWM周波数を上げるとリップルは減少しますが、これによりMOSFETでの 熱放散が増加します。ただし、これには注意点があります。エッジレートが速いPWM信号を使用すると、高いPWM周波数からの損失が減少します（再度、下記参照）。 より大きな入力電圧を使用するには、リップルを許容レベルに減少させるためにより大きなインダクタを使用する必要があります。一般的に、リップルを減少させるためにはより大きなインダクタを使用します。 PWM立ち上がり時間が重要な理由 インダクタは、出力電流上のリップルを生成し、同時に抑制する役割を担っていますが、これは上記のガイドラインを使用して設計で設定できる設計目標とすることができます。しかし、インダクタが制御できないスイッチングレギュレータのいくつかの重要な側面があります： スイッチング要素からの放射EMI：このトランジスタからのスイッチングノイズは、下流回路にいくらかのノイズを誘導することがあります。 スキン効果による熱損失：これはインダクタの幾何学的形状の機能であり、インダクタンス値ではありません。インダクタがより大きな断面積と高い熱伝導率を持っている場合、インダクタからの熱がより高い速度で放散されます。 トランジスタの熱損失：トランジスタは、スイッチングと調整中に最も多くの熱を発散します。しかし、より速いエッジレートを使用することで、この熱損失を抑制できます。なぜなら、MOSFETがPWM振動の間により完全にオフに切り替わるからです。
PCBテストクーポンの設計方法とテストできる内容 Thought Leadership PCBテストクーポンの設計方法とテストできる内容 コンポーネントの動作速度が上がるにつれて、デジタル、アナログ、混合信号システムにおいて制御インピーダンスが一般的になってきています。インターコネクトの制御インピーダンス値が正しくない場合、インサーキットテスト中にこの問題を特定するのが非常に難しくなります。わずかな不一致がボードの故障を引き起こさない場合がありますが、テスト失敗の原因として不正確なインピーダンスを特定するのは難しい場合があります。特に、ベアボードインピーダンステストを容易にするために、正しいテストポイントやテスト構造がボードに配置されていない場合はそうです。 インピーダンスは多くのパラメータ（トレースの形状、ラミネートの厚さ、ラミネートのDk値）に依存するため、現在のところ、大多数のPCBは制御インピーダンスのためにテストされています。ただし、テストは通常、PCBと同じパネル上で製造されたPCBテストクーポンで実施されます（通常は端に沿って）。ボードスピンを迅速に進め、将来の設計を支援したい場合は、テストクーポンを設計して手元に置いておくことを検討すると良いでしょう。さらに、提案するインターコネクトのジオメトリに関する十分なドキュメントを製造業者に提供することは、製造業者が正しいテストクーポンを作成することを確実にするのに大いに役立ちます。 分離型または統合型PCBテストクーポン？ テストクーポンの目標は、ボードの意図されたスタックアップを正確に捉え、正確なインターコネクトインピーダンステストを容易にすることです。これを行う方法はいくつかあります。制御インピーダンス用のテストクーポンでは、製造業者がパネルの端に少しスペースを残して、制御インピーダンステストのためのテスト構造を配置することがあります。テストクーポンは、ベンダーライブラリから選択されたり、業界標準（例えば、 IPC 2221B Appendix AのDクーポン）、またはいくつかのソフトウェアを使用して生成されたりすることもあります（例えば、 IPC 2221B Gerber Coupon Generator）。 時には、テストクーポンが実際のPCBに統合され、同じパネル上で別のセクションとして作成されるのではなく、実際のPCBに統合されることがあります。この場合、テストクーポンは、生成されたものやベンダー提供のテストクーポンから期待される典型的な外観を持たないかもしれません。Kella Knackは、 最近の記事で、製造業者であれば別のテストクーポンに、設計者であればプロトタイプボードに直接含めるべき一般的なテスト構造について説明しています。 テスト構造を直接ボード上に配置することは、スペースの無駄のように思えるかもしれませんが、プロトタイピング中はもちろん、大規模生産中でも、インサーキットテストに大いに役立ちます。もし、一般的でないインターコネクトの幾何学構造を設計している場合、大量生産前にインピーダンスを評価する必要があります。インターコネクト設計を含む単一のボードを設計し、社内でテストすることは損ではありません。テストボードに前もって費用がかかりますが、生産前に必要な測定値を得られれば、後でボードを再設計する必要がなくなるかもしれません。 インピーダンスを超えて 相互接続インピーダンス、PDN容量、導体損失、伝搬遅延は、適切なテスト構造を用いればすべて測定できます。カスタム設計されたテストクーポンに配置された他のテスト構造は、基板ラミネートの 誘電率を決定するのに役立ちます。マイクロ波/ミリ波領域に達すると、挿入損失や空洞放射などがテストされるべきで、制御インピーダンス線上のアナログ信号が重大な劣化を経験しないようにする必要があります。
ウェアラブルでのハプティック振動とフィードバックの駆動 Thought Leadership ウェアラブルでのハプティック振動とフィードバックの駆動 拡張現実、仮想手術、四肢の置換、医療機器などの新技術は、装着者が自分の環境とどのように相互作用しているかを完全に感じ取るために、触覚振動モーターとフィードバックを取り入れる必要があります。これらの最先端のアプリケーションが触覚振動とフィードバックを含まない場合、ユーザーは実際のまたは仮想の環境を理解するために他の四つの感覚に頼らざるを得ません。触覚フィードバックをサポートする低コストのコンポーネントは、貝殻型携帯電話の時代から利用可能であり、デザイナーの想像力のみが限界です。 最近の新規クライアントからの問い合わせを受けて、私は触覚振動とフィードバックの世界に飛び込むことになりました。もしあなたがオーディオ電子機器のデザイナーなら、トランスデューサーとそれらをアンプ、MCU、または他のコンポーネントとどのように組み合わせるかについておそらく馴染みがあるでしょう。トランスデューサーに馴染みがあるかどうかにかかわらず、触覚フィードバックを引き起こすために使用されるセンサーを考慮すると、解決すべき組み込みソフトウェアの問題があります。 触覚振動モーターの選択 触覚振動モーターには、変動振幅型と変動周波数型の2種類があります。明らかに、これらのモーターは、垂直振動、リニア、偏心回転質量（ERM）振動モーターなど、異なるモーター構造に分けることができます。ERMモーターは、古いポケベルや初期の携帯電話に一般的でした。垂直振動モーターとリニアモーターは、パッケージに対して力を駆動する方法が似ています。これらのモーターは、ボードまたは一対のワイヤーを介してパッケージに取り付けることができます。 上に示されたコイン/パンケーキ型は基本的に振幅制御された直流モーターであり、モーターにかかる直流電圧を変えることで、周波数を約10000 RPMから約15000 RPMまで変えることができます。これらのモーターを駆動するために必要な直流電圧は通常2Vから5Vの範囲で、デバイスは約50mAから約100mAの間を必要とします。過去20年間に行われた多くの研究によると、ハプティクスに最適な振動周波数は150Hzから180Hzの範囲であることがわかっています。ACバージョンも利用可能です（下の表を参照してください）。 もう一つのタイプのハプティック振動モーターはリニア共振アクチュエータ（LRA）です。このタイプのモーターは狭い帯域内で強い共振を持ちます。これらのデバイスは周波数制御されたハプティクスには使用すべきではありませんが、駆動周波数（つまり、ACモーター）で反応するため、電圧制御されたハプティクスには非常に有用です。 インピーダンスマッチングかインピーダンスブリッジングか？ これらのモーターを実際のシステムに組み込むことはそれほど難しくありません。なぜなら、 大きなモーターと同じような導電性および放射性のEMI問題を引き起こさないからです。ボード上に配置する場合（つまり、SMDコンポーネントとして）、ボードの端に近く、ユーザーが振動を最もよく感じられる領域の近くに配置する必要があります。これらのコンポーネントのためのボードをレイアウトする際は、 他の小型DC/ACモーターと同様に行ってください。 電圧と電流の要件により、振動モーターをドライバーに接続する際には常に、 インピーダンスマッチングとインピーダンスブリッジングのどちらを使用するかという問題があります。触覚振動モーターは、低周波の電気信号に応答して特定の低周波の機械振動を出力するトランスデューサーです。 トランスデューサーに関するいくつかのチュートリアルを読むと、技術的に高度な人気のあるウェブサイトでさえ、ソースICとトランスデューサー間のインピーダンスマッチングが必要であるとする設計推奨事項が見つかります。これは、EDNやHyperphysicsで見つかるまさにそのようなアドバイスでしたが、いくつかの苦情がサイトの所有者にコンテンツの変更を強いました。インピーダンスマッチングまたはインピーダンスブリッジングを使用するかどうかは、ドライバーの性質によって異なります。 ドライバーが実質的に電流制御型の電圧源（つまり、出力インピーダンスが低い）である場合、インピーダンスブリッジングを使用して高出力電圧をモーターに伝達するべきです。これは、現代のオーディオ機器で行われていることと基本的に同じです。しかし、ドライバーが逆の機能を持つ場合、モーターはそのインピーダンスがソースインピーダンスよりもはるかに低いものを選択すべきです。伝送線効果は、数百Hzの範囲で動作しているため、ここでは関連ありません。 触覚フィードバックアルゴリズム 触覚フィードバックの重要な部分は、システムに入力される他の入力が変化するにつれて、振動感覚を変化させることです。データは外部センサーからの測定値と共にシステムに入力され、触覚振動の強度を制御するために使用されます。これらのシステムは、オープンループまたはクローズドループシステムであり、産業制御システムで使用される制御戦略に似ています。 触覚フィードバックアルゴリズムは、デバイスが製品の他の機能をサポートするのに十分な入力を持っている限り、MCUや小さなFPGAに組み込むのに十分軽量です。触覚フィードバックアルゴリズムは特定の製品に合わせて設計する必要があり、これらのアルゴリズムは依然として科学的および工学的研究の活発な分野です。 新しいPCBに触覚振動とフィードバックを組み込む予定の場合、
伝送線路インピーダンス測定 伝送線路インピーダンス測定：偶数モード対奇数モード 正確な伝送線インピーダンス測定が必要な場合、次のボードで使用する必要がある重要な値はこちらです。
Altium Designerでブラインドビアとベリードビアを使用する Thought Leadership Altium Designerでブラインドビアとベリードビアを使用する 5ポンド用のバッグに10ポンドの荷物は入らない――この古いことわざは、PCB設計の配線トレースに特にあてはまります。残念ながら最近はこのような要求がノルマになっているように見えます。近頃はだれもが設計の密度を上げることやフォームファクタを削減すること、あるいはその両方を望んでいますが、これに対応するための方法の1つが、配線でブラインドビアとベリードビアを使用することです。これらのビアを使うと、スルーホールビアが接続されていないレイヤーでスルーホールビアが占めていたはずのスペースを利用できるため、配線方法の選択肢が広がります。 この設計技術が開発されてから、かなりの時間がたっているものの、まだ使用したことがないPCB設計者は大勢います。これらのビアを使い始めたとしても、他のビアに戻りたくなくなる恐れがあるため注意が必要です。また、製造コストも上がってしまうため、使用にあたっては事前の計画も必要です。ブラインドビアとベリードビアの使い方をよくご存じでない方のために、Altium Designerでのこれらのビアの使い方を簡単に説明します。 Altium Designerでビアを使用する 製造、実装を通して、レイアウトを正確かつ確実なものにする必要があります。選択した材料とメッキ、使用予定の半田、コンポーネントと試作品の入手した見積もり、基板のその他の要件も考慮します。Altium Designerのブラインドビアとベリードビアは、レイヤースタック全体ではなく特定のレイヤーを接続するように設定される以外は通常のビアと同じです。そのため、ブラインドビアとベリードビアの設定および使用方法を理解するには、まず通常のビアの使い方を理解する必要があります。 Altium Designerのパッドスタックとビアは、属性を定義することで作成される設計オブジェクトです。パッドスタックとビアの作成を完了するには、それらのサイズ、穴のサイズ、許容差、その他の属性を指定します。これらは、テンプレートから作成することも、その場でご自身で定義することも可能です。下の画像は、PCB設定メニューのビアのデフォルト設定を示しています。 Altium Designerでのデフォルトのビア設定 上図に、デフォルトビアに使用したテンプレート、穴情報、ビアのサイズ情報を示します。また、Altium Designerでビアの詳細をコントロールするように以下の基準に従って設定できます。 [Simple]: 1つのサイズですべてのレイヤーに対応 [Top-Middle-Bottom]: トップ、ミドル、ボトムのサイズを個別に指定できます。 [Full Stack]: 全レイヤーのサイズを個別に設定できます。
Customer Success Stories RWTC Aachen University Discover how astronautical students at Germany’s RWTC Aachen University used Altium Designer to create the most stellar designs.