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高速PCB設計

高速PCB設計では、高速エッジの信号が使用されます。この信号では、デバイスの状態が非常に速く切り替わり、信号がコンポーネント間を移動し終わる前に移行が完了します。高速PCB設計における相互接続には、正確なインピーダンス整合が必要であり、相互接続に伴って起こりうる損失、歪み、EMI、クロストークを考慮した配線が必要です。伝送線路の設計、レイアウト、ルーティングを適切に行うことで、これらの問題を最小限に抑えることができます。プリント基板における高速基板レイアウトや伝送線路設計を成功させるためのリソースを、ライブラリでご覧ください。

高速設計とは何か 高速設計入門（ウェビナー） 高速PCB設計の主なポイント Advanced PCB Design Techniques 高速回路基板レイアウト 伝送線路と終端 高速PCB設計 Altium Designerを使用したPCBレイアウトと高速設計
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差動ペア間隔 タイトとルーズの差動ペア間隔と結合を使用すべきか？ 1 min Blog PCB設計者 電気技術者 PCB設計者 PCB設計者 電気技術者 電気技術者 トレースインピーダンスについてや、特定のインピーダンスを達成するために必要なトレースサイズの計算方法に関して多くの質問を受けます。シングルエンドトレースの適切なトレース幅を決定することと同じくらい重要なのが、差動ペアの2つのトレース間の適切な間隔の決定です。そこでの問題は、差動ペアのトレースが互いにどれくらい近くにある必要があるか、そして「密接な結合」が本当に必要かどうかです。 この設計ガイドラインについて興味深いのは、おそらく最も不明確に定義されている唯一のPCB設計の経験則であることです。「緩い結合」や「密接な結合」が数値的には具体的に何を意味するのか？10人の異なる信号整合性の専門家に尋ねると、20種類の異なる回答を得るでしょう！ この記事では、差動ペアの間隔に関する密接な結合と緩い結合の現実的な説明に近づきたいと思います。また、差動ペアの間隔がインピーダンス、差動モードノイズ、共通モードノイズの受信、終端などにどのように影響するかについても考察します。見ていくと、密接な結合（それが何を意味するにせよ）に焦点を当てることにはその価値がありますが、しばしば間違った理由で必要とされがちです。 差動ペアの間隔が信号整合性に与える影響 上記で触れた各次元について見ていきましょう。差動ペアの間隔がどのような役割を果たし、適切な値をどのように設定するかを正確に理解します。 インピーダンス 間隔によって影響を受ける差動ペアの主要なパラメータはインピーダンスです。差動ペアのインピーダンスは、各トレースの自己容量と自己インダクタンス、および各トレース間の相互容量と相互インダクタンスに依存します。これは、異なるペアの典型的なインピーダンスの式を 奇数インピーダンスと差動インピーダンスに分解する必要があることを意味します。これらは以下のように定義されます： 相互インダクタンスと容量は、2つのペアに等価の合計インダクタンスと容量を与えるために存在します。上記の方程式では、損失（伝送線インピーダンス方程式のRとG）を無視していますが、ここで重要なのは間隔に注意を払うことです。 ペアを近づけるほど、 L Mと C Mが大きくなるため、差動インピーダンスは小さくなります。両方の L Mと C Mは、間隔が無限大になるとゼロに収束します。 言い換えると、 差動インピーダンス目標（標準で指定されているか、測定から決定されている）に到達するように設計している場合、二つのペアをあまりにも近づけてはいけません。そうすると、差動インピーダンスが小さすぎるため、インピーダンス目標を違反することになります。しかし、間隔を小さくすると、二つのトレース間の電場と磁場がルートの長さに沿って集中し、損失が増加します。 記事を読む
USB 2層PCB 2層PCB上のUSBインターフェースのための配線要件 1 min Blog 以前のブログで、デジタル信号を使用したルーティングとレイアウトをサポートするための2層PCBのルーティングルールを準備する際の基本的なポイントについて説明しました。特に、I2CやSPIのようなデジタルインターフェースをサポートするために必要な基本的なスタックアップとルーティングルールを見てきました。これらのインターフェースを扱う際、いくつかのシンプルなガイドラインがあなたのボードの信号整合性を保証し、EMIを減らすのに役立ちます。 では、USBのようなインピーダンス制御インターフェースはどうでしょうか？インピーダンス制御の必要性、そしてそれをいつ違反できるかを知ることが、2層PCB上でUSBのようなものをルーティングする際の主なポイントです。この記事では、USBのような高速プロトコルをどのようにルーティングすべきかを示します。具体的には、USBデータを運ぶトレースに受け入れることができる長さ制限を含む、ボードのルーティングに必要な重要な設計ルールを見ていきます。このシリーズの前の記事をまだ読んでいない場合は、USBルーティング要件に設定される制限を理解するために必要な概念的な基盤を築くので、ぜひご覧ください。 始めに：USB高速ルーティング要件 前回の2層PCBルーティングに関する記事では、インピーダンスマッチングを適用することなく設計できる最長のライン長を決定する手順について見てきました。私たちは、伝送線の長さに沿った入力インピーダンスの偏差をどの程度許容できるかに依存して、長さの限界が決まることを発見しました。特に、信号の移動距離の10％から25％を重要な要因としてトレース長を制限するかどうかによります。 このデモでは、このボード上でのUSB 2.0のルーティングをHigh Speed規格で見てみたいと思います。特定の理由からこの規格に焦点を当てています。USB 2.0（High Speed）は、古いデバイスとの接続性を提供するとともに、高速データ転送率を実現し、Arduinoのような人気のプラットフォームでType Bプラグとしてまだ使用されています。 2つの可能な設計を例示するために、USB 2.0の2つの仕様（Full SpeedとHigh Speed）のデータレートと立ち上がり時間を比較しました： 最小ドライバ立ち上がり/下がり時間 - 500 ps（High Speed） - 記事を読む
高速設計とは何か 高速PCB設計とは？ 1 min Blog 高速基板設計とは何かについて、また高速プリント回路基板レイアウトの適切な設計・配線方法について説明します。 記事を読む
Altium Designerにおける高速PCBレイアウト技術ガイド Altium Designerにおける高速PCB設計のガイドラインとテクニック 1 min Blog 高速PCBのレイアウトとルーティングは複雑であり、多岐にわたる考慮が必要です。重要な高速レイアウト技術とルーティングガイドラインには、伝送線上のトレース幅からグラウンドプアのクリアランス、リターンパスの追跡、定義された特性インピーダンスなど、設計に関わるあらゆるものが含まれます。シンプルな設計ソフトウェアパッケージでは、これらの制約を一度にすべて扱うことはできず、回路基板設計者はすべての相互接続を手動でチェックし、エラーが特定されたときにレイアウトの再作業に何時間も費やす必要があります。 Altium Designerは、あらゆる電子製品を扱うために構築された唯一の設計アプリケーションです。設計チームは、高度なツールセットを単一のアプリケーションで使用して、信号の整合性を確保するための最適な高速PCB設計ガイドラインを迅速かつ簡単に実装できます。PCB設計者は、高速PCBレイアウトの作成には多くの計算、測定、および設計ルールへの遵守が必要であることを知っており、Altium Designerはこれらの重要なタスクの多くを自動化するのに役立ちます。設計プロセスを合理化し、信号の整合性を犠牲にしたくない場合は、次の回路基板でこれらの高速PCB設計技術と高速ボード設計ガイドラインを実装することを確認してください。 ALTIUM DESIGNER® プロの設計者とPCB製造業者のための業界最高の電子設計およびシミュレーションアプリケーション。 今日の最先端の電子機器は、以前よりも高速で動作し、より高密度に配置され、より正確なルーティングが求められています。高速設計に対する期待は、将来、さらに高い能力を持つことが求められ、設計者はその設計が適切に機能するように、最適な高速PCB設計ガイドラインとルーティング実践を実施する必要があります。インピーダンス制御、リターンパス計画、高周波EMIなど、設計の重要な側面は、高速PCBレイアウトでの出発点に過ぎません。 高速回路基板のレイアウトには多くの要件がありますが、適切な設計ソフトウェアを使用することで、これらの要件を設計ルールとして指定できます。これらのルールは、コンポーネントを配置し、高速伝送線をルーティングする際に適用されます。Altium Designerは、高速回路基板が要求される通りに動作し、業界基準に準拠していることを保証する理想的なPCB設計ソフトウェアパッケージです。 高速PCBレイアウトと設計とは何か？ すべての高速PCBには、エッジレートが速い信号があり、これは様々な信号のパワースペクトル密度が高GHz範囲にまで及ぶことを意味します。高速PCB上のこれらのコンポーネントは迅速に切り替わり、適切にルーティングされていない場合、大きなEMIを発生させる可能性があります。したがって、レイアウト、ルーティング、リターンパスの計画、特性インピーダンスの計算、および多くの他の要因が、これらの設計の安定性と整合性を決定します。 レイアウトとルーティングにおける重要な高速PCB設計ガイドラインのいくつかを以下に示します。これらのガイドラインは、レイアウトとルーティング中の信号整合性を確保するのに役立つだけでなく、クロストーク、放射、およびインピーダンス不連続のようなEMI問題を防ぐのにも役立ちます： グラウンドプレーン、パワープレーン、およびスタックアップ：PCBスタックアップが高速伝送線の下に均一なグラウンドを持ち、グラウンド/パワープレーンのギャップを越えてルーティングしないことを確認してください。 特性インピーダンス：高速インターコネクト上で特性インピーダンスと入力インピーダンスが特定の値を持つように、伝送線の特定のトレース幅を強制する必要があります。 伝送線間隔：PCB上のトレース間に十分な間隔を強制し、重大なクロストークを防ぎ、信号が受信機でノイズマージンを超えないようにする必要があります。 電力整合性：高速コンポーネントに電力を供給するPDNの部分について、電源層とグラウンド層を隣り合わせに配置し、過度なリンギングを防ぎます。 バスと差動ペアのルーティング：並列バスと差動ペアにおいて、重要な信号間のスキューを最小限にするために、タイミングマッチングを強制します。 コンポーネントの配置：PCBレイアウトにおいて、すべての重要な信号が最小限のレイヤー遷移でルーティング可能なように、重要な高速コンポーネントを適切に配置してください。 この一般的なガイドラインのリストは、高速PCBレイアウトで一般的な信号整合性の問題に陥ることがないようにするのに役立ちます。最高のPCB設計ソフトウェアを使用すると、これらの要件を設計ルールとしてプログラムして、複雑なレイアウトが信号整合性を維持することを保証できます。 記事を読む
ルーティング中にPCBインピーダンス制御を確保する方法 PCBルーティング：式とリソースを使用してPCBインピーダンス制御を確保する方法 1 min Blog 電気技術者 PCB設計者 電気技術者 電気技術者 PCB設計者 PCB設計者 高速信号と高周波信号に共通する一つの要素があります。それは、低損失、低分散の相互接続でインピーダンス制御されたルーティングが必要であるということです。PCBのインピーダンス制御は、適切なルーティングツールと設計ツール内に統合された インピーダンス計算機がなければ達成が難しいです。ほとんどのインピーダンス計算機は、PCB基板上の実際のトレースを正確に表現しない基本方程式を使用し、信号伝播を正しく記述しません。 基準以下のPCB設計機能にボードの機能性を危険にさらす代わりに、入手できる最高の高速設計ユーティリティセットが必要です。最高のPCB設計ソフトウェアには、実際のPCB基板の材料特性を考慮した正確なPCBインピーダンス計算機が含まれています。これらのツールは、高品質の回路基板をルーティングするのに役立つように、回路図やPCBレイアウト機能とも統合されるべきです。統合ソフトウェアパッケージを使用することで、PCBのインピーダンス制御を確保し、生産性を維持できます。 ALTIUM DESIGNER プロフェッショナルな設計者向けに制御されたインピーダンスルーティング機能を備えた統合PCB設計アプリケーション。 高速回路基板やRF回路基板では、基板内の信号が目的地に到達するために非常に正確なルーティングが必要です。高速/RF設計者は、回路基板において正しいインピーダンスの設計が重要であることを知っておくべきです。高速信号を運ぶすべての接続部は、強い反射がなく負荷部品に電力が伝達されるように、正しいトレースインピーダンスを持たなければなりません。 次のPCB設計を行う前に、制御インピーダンスが必要かどうか、そしてそれをどのように計算するかを確認してください。PCBインピーダンスは手計算できますが、最適なPCBルーティングツールセットを使用してレイアウトを作成するときに計算が最も簡単です。制御インピーダンスの風景においてPCBルーティング機能がどのように適合するかを本当に理解するには、インピーダンスがどのように計算されるか、そしてほとんどのPCBインピーダンス制御計算機ができないことを理解することが役立ちます。 PCBトレースインピーダンス計算 誘電率定数とトレースの形状が分かっている限り、回路基板内のトレースインピーダンスを計算する方法はいくつかあります： マイクロストリップまたはストリップラインのインピーダンスに対してIPC-2141方程式を使用する Waddelの伝送線方程式を使用する 分散と銅の粗さを考慮できるフィールドソルバーを使用する ほとんどのトレースインピーダンス計算機は、IPC-2141メソッドに基づいていますが、これは今日のモダンな高速・高周波PCB設計には不正確であるとされています。Waddelの方程式は、インピーダンスを計算するための最も正確な分析ツールとして広く認識されていますが、PCBインピーダンス制御には使用が難しいです。これは、インピーダンス目標に到達するために必要な最適なPCBトレース幅を決定するために、これらの方程式を解くための数値アルゴリズムが必要だからです。 これらの方法の代わりに、PCB設計ツールには、インピーダンス目標に到達するために必要なトレース幅を自動的に計算できる機能が含まれているべきです。 インピーダンス計算に分散と損失を含める 実際のPCBラミネートには、インピーダンス計算に含める必要があるいくつかの損失、銅の粗さ、および分散があります。損失と分散を考慮することは、インピーダンス計算のための統合フィールドソルバーを備えたPCB設計ツールにアクセスできる場合、簡単です。Altium Designerの設計ツールを使用すると、複雑なモデルや方程式を使用せずに必要なインピーダンスを簡単に計算でき、インピーダンスプロファイルに準拠するためにボードのルーティングを開始できます。 正確なインピーダンス制御を確保するために、すべての損失源はPCBインピーダンス計算に含めるべきです。 回路基板レイアウトにおける損失と分散についてもっと学びましょう。 記事を読む
Altium Designerで軍用PCBの物理層セキュリティを設計する Altium Designerで軍用PCBの物理層セキュリティを設計する 1 min Blog 軍用システム用のPCBは、厳格な設計と性能基準を満たさなければならない高性能な存在です。機密データを保存・処理する軍用システムは、安全な筐体に閉じ込める以上のセキュリティ層が必要です。プリント基板をEMIに極めて耐性があるように設計し、データを受動的にタップされないようにルーティングし、攻撃者が機密データにアクセスするのを防ぐためにブラックアウトチップを含める必要があります。これらの軍用回路基板の物理層セキュリティを確保するための措置は、市場で唯一完全に統合されたPCB設計プラットフォームであるAltium Designerを使用することで実装できます。 ALTIUM DESIGNER® 軍用電子システムを設計するための最高のツールを備えた統一されたPCB設計パッケージ。 コンピュータ周辺機器、シングルボードコンピュータ、またはデータ処理用の組み込みシステムのPCBであれ、ミッションクリティカルなシステムの軍用PCBは物理層セキュリティ対策を実装する必要があります。適切な設計ソフトウェアは、軍用PCBを産業基準に従って設計し、回路の改ざんを防ぎ検出するために設計された物理層セキュリティプロトコルを実装するのに役立ちます。 Altium Designerは、単一のルール駆動型設計エンジンの上にあなたの設計機能をすべて統合し、どんな組み込みシステムも設計できる適応性を提供します。ミッションクリティカルなアプリケーションに必要な電気的性能でボードを設計する力、物理層のセキュリティを保証するコンポーネントを含めること、および改ざん防止通信機能を持つことができます。Altium Designerの統合設計、コンポーネント管理、および生産計画環境は、軍用PCBの物理層セキュリティを実装するために必要なツールを提供します。 ボードレベルでの物理層セキュリティ データを受信、処理、および通信する軍事システムは、高性能な商用コンポーネントを使用してこれを行いますが、攻撃者はコンポーネントおよびトレースレベルで直接回路の改ざんを試みることがあります。これらの要素がプローブされないようにするために取ることができる多くの対策があります。適切な設計ソフトウェアを使用すると、これらの物理層セキュリティ対策を持つ回路基板を設計することは比較的簡単です。 時には、最も優雅でない解決策が最良のものです。ビアは重要な物理的アクセスポイントであり、ブラインドビアやバリードビアの使用を選択することで、非導電性フィルを持つビアを防ぎ、物理的なプロービングに脆弱な場所の数を減らすことができます。厚いはんだマスクを使用して重要なトレースを隠し、保護することも、回路の改ざんを防ぎます。コンポーネント自体に関しては、攻撃者がメーカーやモデル番号を直接識別できないように黒く塗るべきです。また、コンポーネントを非導電性のエポキシで囲むことで、攻撃者がピンをプロービングしてデータをキャプチャするのを物理的に防ぐことができます。 ボードレベルのセキュリティのための設計ソフトウェア 軍用PCBの物理層セキュリティをトレースレベルで実装することは、多層ボードで埋め込まれた回路をルーティングするほどに及ぶかもしれません。できるだけ多くのコンポーネント、トレース、ビアを埋め込むことで、回路の改ざんの機会を限定します。改ざん検出は、可能な場合に取るべき別の対策です。これには、エンクロージャが開かれたり損傷したりした場合にヒューズやスイッチが作動し、ボードへの電力を遮断し、さらに基地局に警告を発するようなパッケージングを設計することが含まれます。 これらの対策を実施するには、セキュリティを確保し、攻撃者が機密データを扱う要素に物理的にアクセスできないようにするために、コンポーネントを慎重に選択し、トレースのルーティングを行う必要があります。適切な設計ソフトウェアを使用すれば、物理層セキュリティ対策をボードに設計することができます。 IoTデバイスの物理層セキュリティ対策の多くは、軍用システムのPCBで実装されています。 PCBの物理層セキュリティについてもっと学ぶ。 トレースやビアを埋め込むことで、回路基板に追加の物理層セキュリティ対策を施すことができます。 Altium Designerでのブラインドビアと埋め込みビアの扱い方についてもっと学ぶ。 記事を読む
Circuit Board Design FR4 1 min Blog PCB設計を「高速」設計にする要素はなんでしょうか。高速な処理は当然としても、クロック速度のみを指すわけではありません。多くの場合、高速設計にまつわる課題は、信号の伝送媒体の管理にあります。従来のFR4は長年、低価格で効果的な材料として定評がありましたが、高速設計には制限を及ぼす可能性があります。 利用できる優れた材料があったとしても、多くの場合、コストが高くなります。基板の製造材料は、設計プロセスの早い段階で選択する必要があります。そのため、Altium Designerには、設計、材料の選択、材料コストのバランスの判断に役立つ、すぐに使える30万点以上のコンポーネントを収めたECADライブラリへのアクセスがあります。 Altium Designerで得られる利点: データ管理用の強力なツール リアルタイムでのコストの見積もりと追跡 動的なサプライチェーン情報 柔軟なリリース管理ツール Altiumは、電気技術者/設計者が高速で、安全性が高く、効率的な設計を行える機能を提供します。 無償評価版をお試しいただけますので、ぜひご利用ください。 記事を読む