Tuomas Heikkila

電気設計ルールは、製造や組み立てを超えています。PCBは、信号の電気的挙動に基づいた電気設計ルールも必要とします。

個々のコンポーネント、電気ブロック、あるいは電子システム全体の消費電力を理解することは、電子エンジニアにとって不可欠です。これは、コンポーネントの最大限度を超えないようにするだけでなく、消費電力がシステムの電圧と電流に関連しているため、入力側または出力側の未知のパラメータを計算することも重要です。この記事では、電子設計における消費電力を分析するための私の実践を説明します。 消費電力の計算方法：基本中の基本 まず、私の分析方法の基礎となる消費電力について説明します。電力に関する最初のルールは次のとおりです：システムの入力電力は常に出力電力よりも大きく、その逆はあり得ません。つまり、コンポーネント内で常に一部の電力が損失（Ploss）し、これがその消費電力です。したがって、消費電力の式はPin–Poutです。 基本的な消費電力の流れは図1に示されています。システムに電力を入力すると、その電力の一部がシステム内で熱として失われ、出力電力が減少します。したがって、出力電力は入力電力よりも少なくなければなりません。 ほとんどの電力損失は最終的にコンポーネント内部の熱となります。これは一般に電力散逸と考えられています。アクティブコンポーネントの場合、全体の電力の一部が他のエネルギー形態に転送されることがあり、これは一般に電力消費と見なされます。例えば、LEDでは、電力は発光（電力消費）と熱（電力散逸）から成ります。したがって、電力散逸は熱であり、電力消費はシステムから得たい電力です。電力散逸の公式では、例えば電気から光への電力転送は分析せず、システムやコンポーネントがどれだけ電力を散逸させるかのみを扱います。 第二のルールは、電力と電圧、電流の関係です。ご存知の通り、これはシステムの電流消費によって加えられた電圧を乗じたもの、つまり P = UI です。電圧と電流の関係は、抵抗またはインピーダンスであり、これはお馴染みのオームの法則 U = RI または U = ZI です。これら2つの方程式とその組み合わせにより、私たちは全ての電力散逸計算を行います。これらの法則が常に有効であることを覚えておくことは良いことです。加えられた電圧が5Vで、電流が1Aの場合も、5Ωの抵抗を通る場合も、加えられた電圧が1Vだが電流消費が5Aで、0.2Ωの抵抗を通る場合も、同じ電力が得られます。どちらの場合も、電力散逸は5Wであり、電圧と電流を使って計算するか、電流と抵抗を使って計算するかに関わらずです。電流ベースの計算では、P = RI²

プリントエレクトロニクス設計とは何か？答えは簡単です。それは電子設計です。電子設計を行うために、回路理論、数学的計算、コンピュータベースのシミュレーションを利用します。プリントエレクトロニクス材料を使用して製品の電気的機能と性能を設計します。材料が重要なポイントであり、プリントエレクトロニクスに使用される材料は、従来のPCBで使用される材料とは異なる電気的性能特性を持っています。さらに、 プリントエレクトロニクス材料を使用して異なる方法で電子機器が構築されます。PCBのトレースがどのように行われるかはよく知られています。最初に、電子エンジニアが設計し、電気的要件に基づいて寸法を定義し、設計が完成した後、製造ファイルがリリースされます。 製造では、例えば、マスクされたUV感光性フォトレジストフィルムをUV光にさらすことによって、設計ファイルに従ってPCBの銅上に電気回路をコピーすることでPCBが製造されます。次に、UV光にさらされていない銅がエッチングで取り除かれます。結果として、設計通りのトレースが得られます。その寸法は正確であり、電気的要件を満たしています。プリントエレクトロニクスでは、新しい設計ルール、材料、製造方法を使用して同じ結果を達成する必要があります。 プリントエレクトロニクスの設計の入力と出力は、基本的にPCB設計のそれと同じです。入力と出力の間のコツも同じです：エレクトロニクス設計です。材料情報と設計ルールを設計プロセスに取り入れ、出力は製造ファイルです。PCBとプリントエレクトロニクスのエレクトロニクス設計において同じ物理法則が有効であり、これらが何ができるかの境界を設定します。PCBで作られた回路とプリントエレクトロニクスで作られた回路は、全く同じ機能を持つことができますが、回路設計は見た目も実際にも異なります。これは、電気回路に使用される材料の物理的能力と限界のためです。両方の回路で、インピーダンスを介して電圧差を適用することで電流を流す必要があります。両方の回路で同じ電流を流すためには、インピーダンスを同じレベルに調整するか、回路固有の電圧レベルを設定する必要があります。これらのパラメータは、プリントエレクトロニクス設計で通常扱う必要があります。インピーダンスを微調整し、正しい電圧レベルを設定することで、最適な解決策を探しています。 エレクトロニクス設計では、最終製品の材料特性を知ることが不可欠です。PCBからは、銅の厚さ、シート抵抗、その熱特性、PCB材料の誘電率などを知ることができます。印刷エレクトロニクスからも、まったく同じパラメータを知る必要があります。銀インク導体の最終厚さは何か、その平方抵抗はどのくらいか、基板材料の誘電率はどのくらいか？これらの新しい材料に対して、エレクトロニクス設計を実行します。オームの法則、キルヒホッフの回路理論の法則、マクスウェル方程式も印刷エレクトロニクスに適用されます。市場には数百種類の異なる導電性インクがあり、それぞれに独自の平方抵抗率があります。一部のインクは高い導電性を持っています（それでも通常、純銅よりはるかに高い）が、硬化後には全く伸びることができません。他のインクは硬化後に伸ばすことができますが、導電性はさらに悪いです。エレクトロニクス設計では、最終硬化後に使用されるインクの平方抵抗がどのくらいであるかを理解することが重要です。 別の設計上の課題は、印刷エレクトロニクスに使用される材料パラメータが使用される生産方法に依存することです。導電性インクの印刷方法、これらの硬化方法、導体の下に印刷された他のインクがどのように影響するか、例として、最終的な平方抵抗に影響を与えます。生産を変更する場合は、レイアウト設計を変更する必要があるかもしれません。または、その生産は設計の電気回路要件に応じて設定されなければなりません。印刷エレクトロニクスの製造方法を知っていることが非常に重要です。これはPCBでは違いはありませんが、これらがどのように構築されているか、この特定の生産の制限は何かを知る必要がありますが、PCBでは、製造方法はより標準化されており、各製造は基本的にわずかな能力差を持って似ています。印刷エレクトロニクスでは、まだこのレベルにはありません。 導電性インクは、いくつかの方法で印刷することができます。最も使用されている方法は、スクリーン印刷とインクジェット印刷であり、Googleで検索すると他にも多くの方法が見つかります。印刷プロセスに関連する重要なことは、製造能力とその制限を理解することです。トレース間に必要な最小クリアランスはどれくらいですか？何層の導電層を使用できますか？トレースの最小幅と最大幅はどれくらいですか？使用する予定の生産の設計ルールに慣れ、これらの設計ルールに対して設計をチェックしてください。PCB設計ツールで利用可能な多くの設計ルールは、正しいルール定義で印刷エレクトロニクス設計にそのまま使用できます。製造に電子設計ツールがサポートしていない設計ルールが含まれている場合、手動で設計ルールチェックを行う必要があります。たとえば、印刷された誘電体で隔てられた複数の導電層を使用できる場合、1層目と2層目の導電層トレース間には、同じ層上に印刷されたトレース間と全く同じ設計ルールが適用されることを意味します。そして、これは標準のPCB設計ツールではサポートされていません。 また、印刷された電子機器には機能を得るためのコンポーネントが必要であり、印刷された電子回路上のコンポーネントの組み立ては標準的なはんだ付けプロセスではありません。印刷電子機器に使用される典型的な材料はプラスチックであり、これはPCBやFPCと比較して熱特性が異なることを意味します。これは、接着材料も異なることを意味します。低温はんだ、導電性接着剤、またはその他の接着材料は、印刷電子機器のSMAに典型的であり、これらはコンポーネントのための特別なフットプリントを必要とする場合があります。コンポーネントの下にトレースを配置できますか？特別なキープアウトエリアが必要ですか？印刷電子機器にどのようなコンポーネントを配置できますか？これらは、PCBのSMAと比較して異なる視点から考える必要がある質問です。さらに、表面実装組立のための製造ファイルは異なる場合があります。ペーストステンシルファイルを使用できますか、それとも代わりにディスペンシンググルーマップを提供する必要がありますか？SMAが何を要求するか事前に確認してください。 プリントエレクトロニクスは比較的新しい技術領域であるため、材料特性や製造方法に関する情報は、PCBと同じ規模で利用可能ではありません。さらに、異なる電気特性を持つプリント導電性インクが大量に存在し、特性は製造装置や方法によって完成品でどのように表れるかが異なります。設計は、新しい材料や製造方法に対する電子工学の理論を実装することに依存しています。私にとって、電子設計とは、理論、物理学、数学を利用して電気的機能性と性能を保証することを意味します。これらの方法は、入力として材料の知識を必要とします。プリントエレクトロニクスでは材料情報が不足しており、時には計算の裏付けなしに決定が行われることがあると私は見てきました。それは設計ではなく、推測に過ぎません。そして、それは電子設計ではありません。 次の PCB設計でAltiumがどのように役立つか知りたいですか？ Altiumの専門家に相談するか、Altium Designerのドキュメントで 印刷電子機器について読むか、 印刷電子材料や Tactotekでの印刷電子機器に関するポッドキャストを聞いて、基板に直接電子回路を印刷する方法について詳しく学んでください。