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適切なPCBレイアウトでは、どのようにして設計へのヒートシンクの追加を回避できるか

適切なPCBレイアウトでは、どのようにして設計へのヒートシンクの追加を回避できるか 1 min Thought Leadership 不具合のあるコンピューターモニターなどの製品リコールは、避けることのできる経済的負担です私は、何年にもわたって、コンピューター技術が提供する必要のある高解像度や色深度を表示できる新しいモニターを買い続けてきました。モニターをつないで機能をテストするさまざまなアプリケーションを試すときはワクワクしました。どのアプリケーションも全く問題なく動作していたので、私は新しいモニターを自慢するため、オフィスを離れました。戻ってくると、モニターの表示がちらついているではありませんか。動揺した私は、電源を切ったり入れたりしてちらつきが解消するか確認しました。新しいモニターは明らかに壊れていました。数日後、問題があるかどうか確認するため、モニターの筐体を開けて中をのぞいてみました。すると、ビデオ回路の1つが電源に直接取り付けられていることが判明しました。このため、仕様通りに機能しない温度にまでビデオ回路が熱くなって、モニターは壊れてしまったのでした。遮熱材を取り付けてビデオ回路から熱エネルギーを移すことで、簡単に修理できました。とはいえ、本当の問題は製品の設計にありました。ビデオ回路は、これほど電源に近い場所に配置されるべきではありませんでした。 PCBの最悪の敵である熱コンポーネントは余分な熱で壊れたり仕様外の動作をしたりすることは誰もが知っていますが、いつ熱が問題になるかわかりません。場合によっては、熱管理のトラブルシューティングは特に難しく、稀な状況でのみ問題になることがあります。例えば、高温が発生する場合があります。さらに、放熱の問題は、度重なる熱サイクルで熱膨張や熱収縮が起きたために割れたはんだ接合のように、経時的に発生する可能性があります。これらの放熱の問題は試験で見逃される可能性があります。したがって、このようなシナリオを避けるため、適切に基板をレイアウトすることが重要です。 PCBにコンポーネントを配置する前に外部熱源の位置を考慮する PCB設計者はどうすべきか PCB設計では、 SMTヒートシンク、ファン、サーマルビア、その他の技術を使って、熱を緩和するのが一般的です。これらの方法はとても効果的ですが、設計のコストと複雑さが増します。最も安価で最も信頼性の高い対策は、好ましくない外部熱源からの熱伝導が問題にならないようにPCBを設計することです。問題を回避する設計をしましょう。問題箇所にコンポーネントを配置しないことです。設計を考えるとき、PCBはより大きいシステムの一部であることを忘れないでください。PCB上で、相互に関連する発熱部品どうしの配置や、製品全体の他の部分と関連する発熱部品の配置を考慮する必要があります。PCBは、それが設計されるデバイスによって異なるので、外部熱源は基板の周りに3次元的に配置される可能性があります。このことを念頭に置いて、以下の点を考慮する必要があります。熱源の隔離: 電源など、発熱するサブシステムをレイアウト内で隔離し、他のコンポーネントに影響を与えないようにします。他のPCB: 近くのPCBに、発熱するコンポーネントまたは熱に弱いコンポーネントが含まれている可能性が十分にあります。物理的な部品: 機械部品、配線、および取付けフレームが、PCBから熱を吸収したり製品の他の部品に熱を伝達したりすることがあります。これには、ユーザーが接触する可能性のある部品が含まれます。筐体: 設計者として、製品をより小さくコンパクトにするプレッシャーが常にあります。つまり、PCBの周りの筐体がますます窮屈になっています。このことが、PCBからの熱伝導にどのように影響するかを注意深く検討する必要があります。空間が狭くなるほど、対流による冷却機会は減り、熱に敏感な他の場所への熱伝導の機会が増加します。 PCBの筐体のサイズを考慮しましょう。基板をどのようにレイアウトするかに影響する可能性があります。

PCB設計プロセスを容易にするモジュールの使い方

PCB設計プロセスを容易にするモジュールの使い方 1 min Thought Leadership 画像出典: Adobe Stockユーザー alexbrylovhk ヨセミテへの初めての旅で、私はとんでもなく大変なことをしようとしていました。大きな山と無謀な計画。私はクラックにすっぽりと入り込んで身動きが取れなくなってしまいました。一晩の緊急野営の後、私のプロジェクトは終わりを告げられ、谷底に戻った私は征服できなかった山を見上げる羽目になりました。PCB設計でも、概念的な仕様を実際の設計に移す際に適切に計画を立てないと、空しく終わったこの登山のような結末になる可能性があります。同時に考慮すべき要素が多数あります。例えば、空間とパフォーマンスを最適化するため、主要コンポーネントをどの場所に配置するか、どのコンポーネントを最初に配置するかなどがあります。また、サブシステムをどこに収納するか、どの配置が結果的に最もきれいにトレースできるかなども検討する必要があります。このような最初の決定事項は、面倒な作業だったり、先送りされたり、ヨセミテ登山のように完全に最初からやり直しをする必要があったりする可能性があります。設計者の障害物を打ち破るため、仮想コンポーネントにモジュール化することで設計の概念を容易にします。画像出典: Flickrユーザー Uwe Hermann （CC BY 2.0）山を分割する登山者が山にアプローチする方法と同じように、PCB設計を管理可能な「ピッチ」に分割し、頂上に到達するまで各ピッチに個別に取り組みます。設計を開始するには、設計内に自己完結している部分やよく知っているインターフェイスがある部分を探します。それらの部分は、最終的には詳細に設計する必要がありますが、最初の段階では基板上に存在することを明らかにしておくだけで十分です。それらの部分が特定できたら、プレースホルダーを使って一時的に作業対象から外し、「ブラックボックス」として扱います。これにより、登山ルートを計画するように、全体像に焦点を絞り、後で各部分に戻って作業を進めることができます。設計にプレースホルダーを使用してレイアウトのセクションに優先順位をつけることを、一般に「設計のモジュール化」と呼びます。モジュール化を検討する場合、設計で使用する実際のコンポーネントは、2つの理由でブラックボックスになります。それらのコンポーネントは、ピン配列および仕様で明確に定義されたインターフェイスを提供します。パフォーマンスは事前定義され、インターフェイスに固有であることがわかっています。この結果、それらがインターフェイスでどのように機能するかを定義する必要はなくなります。アンペア、CPU、レギュレーターなどの内部のしくみを示す必要があるとしたら、プロジェクトがどれほど複雑になるか想像してみてください。極めて複雑になるはずです。

デザインルールによるコンポーネントの電力定格の最適化

デザインルールによるコンポーネントの電力定格の最適化 1 min Thought Leadership 私は、自分が最初に設計した回路が認定に失敗したことを今でも覚えています。それは証明済みの設計で、既に以前の認定に合格していたものなので、テストが失敗したことをマネージャーから聞かされたときには非常に驚きました。「火がついた」と噂が広まりました。電子回路が実際に発火することは稀です。ほとんどの場合は、多少煙が出るだけです。どちらにしても、PCB上の焼け焦げが事実を物語っていました。トランジスタが過熱し、暴走して発煙したのです。しかし、なぜそのような結果になったのでしょうか? それは証明済みの設計でした。何が変わったのでしょうか? 簡単な調査の結果、回路は同じであることが証明されました。同じコンポーネントで、同じ入出力で、ロットや製造業者さえも同じでした。1つだけ変化したのはレイアウトでした。私がこの基板をレイアウトしたとき、機械的アセンブリの部品の周囲に収まるよう、フォームファクターを調整する必要がありました。パワートランジスタの周囲の銅箔は、元々は約1平方インチでした。この設計では、その1/3に切り詰められました。面積の制約のため、電力を生成する他のコンポーネントは、PCB上で理想よりも近くに配置されました。この両方の要因から、狭い面積の銅箔では放散できない大量の熱が発生し、トランジスタが早期に破壊されることになりました。重要なコンポーネントを定量化するデザインルールのリストを維持知識の移行はほとんどの場合、現場において最大のボトルネックで、多くの時間を必要とします。理想的には、全ての設計者が元の設計を構築するときにきちんとノートを作成し、思考プロセスを保存するべきです。しかし、a) 面倒である、b) ノートが消失することから、実際にはほとんどの場合これは行われません。問題なのは、机上では実証済みの設計を再利用するのが効率的ですが、ノートが十分に作成されなかった、または知識の移行が不完全であったために、重要な設計パラメーターの多くが忘れ去られている場合、設計パラメーターを推量してチェックするために時間を浪費するということです。いくつかのデザインルールを組み込むと、小さな変更により設計が不良になることを回避し、チームの設計時間を節約できます。これを最初からうまく行うには、次のような方法を使用します。デザインルールを作成して組み込み、恒久的に引き継がれるようにする私は、意味のあるルールを好みます。このため、管理を行うデザインルールを割り当てる前に、消費電力についての制約を定義することが重要です。このための最良の方法は、データシートを作成することです。適切に作成されたデータシートには一般に、電力定格についてベストからワーストまで、最低でも3つの区分の条件が含まれます。最初の定格は、コンポーネントのみが、自由な空間で消費する電力です。これは、ワーストケースの消費電力と考えられます。 2番目の定格は、コンポーネントが「一般的な」形式でFR-4銅箔のPCBに半田付けされたときの消費電力です。この「一般的」とは主観的な用語です。この電力の値は平均値と考えられますが、可能なら経験的に検証する必要があります。 3番目の定格は、ベストケースの消費電力です。これは、コンポーネントが 1平方インチ、2オンスの銅箔上に完璧に取り付けられた場合に達成されます。この値は、実際に達成することは困難な理論値と考えるべきです。計算に使用する消費電力の値は、一般的な値とベストケースとの間での主観的な判定となります。どれだけの電力を消費する必要があるかが判明したら、ルールを作成します。これによって、その設計を誰かが使用するとき、元のデータシートをチェックする必要もなくなります。ただしこれは、注意を払う必要がなく、データシートの文書化がいい加減でもいいという意味ではなく、バックアップや、設計をさらに明確化するために使用するということです。今日の設計ソフトウェアにはコンポーネントライブラリが付属し、コンポーネント評価の時間を節約できると同時に、ユーザーが特定のコンポーネントにルールを添付できます。レイアウトに十分なヒートシンクが使用されていない場合、まだ仮想の設計であるうちに「デバッグ」する方が、実際に火を吹いてからやり直すよりもはるかに楽です。