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低電力ワイヤレス通信用のRFテクノロジー: Ambient Backscatter 低電力ワイヤレス通信用のRFテクノロジー: Ambient Backscatter 1 min Thought Leadership 私は家族の再会が好きですが、私の拡大家族は40人もいるため、これはかなりの大事になります。カードで遊んだり、水泳をしたり、または夕食のテーブルなどどこでも、常に誰かが冗談を言ったり、話を始めたりします。実際に、ほとんどの人々が話を始めるため、皆に聞いてもらうには叫ばなくてはならないこともあります。電磁スペクトルの中での通信も、このように困難な場合があります。デバイスは多くの場合、データを伝送するために、空中に自分の信号を「叫ぶ」必要があります。この伝送には電子機器とエネルギーが必要で、一部のデバイスでは容積やバッテリー駆動時間の関係で実現できません。ワシントン大学の研究グループは、Ambient Backscatterによる通信を使用して、これらの問題点の解決を試みています。この方法により、データの伝送に必要な回路と電力が何桁も減少する可能性があります。Ambient Backscatterがワイヤレスネットワークへ実際に使用可能なら、大規模なモノのインターネットのセンサーネットワークに極めて有用となるでしょう。 Ambient Backscatter 技術者は、周囲の世界が電磁気信号に満ちており、その多くは人間の設計するデバイスにより生成されることを熟知しています。これらの伝送は他のデバイスにより検出可能で、さらに 発電にも使用可能 です。これらは意図しない受信機と干渉する可能性もあるため、FCCは 放射放出 について厳しい規制を行っています。しかし、これらの研究員たちは、空中の周囲の信号を逆に利用して、デバイス間で情報を伝達する方法を発見しました。 IoTセンサーとデバイスのバッテリーを 環境発電システム に置き替えることについては、最近多くの議論が行われています。一部の人々は、テレビ局の送信など高エネルギーのRF信号を電力に変え、デバイスに供給することさえも想定しています。このアイディアは いくつかの理由から 完全に実用的ではありません。しかし、この主な理由の1つは、単に電力が十分ではないということです。最低でもマイクロプロセッサー、センサー、ワイヤレス回路に電力を供給し、多くの場合は メモリ にも電力を供給可能な必要があります。低消費電力のプロセッサー、センサー、 メモリ は存在しますが、ワイヤレス接続には代償が伴います。ただし、Ambient Backscatterを使用すれば話は別です。 記事を読む
ウェアラブル デバイス: 機能的でお洒落なテクノロジー ウェアラブル デバイス: 機能的でお洒落なテクノロジー 1 min Blog 電気技術者 電気技術者 電気技術者 両親が若い頃の古い写真を見て、「どうしてこんな見苦しい服を着ていたんだろう?」と思うことがありますか? 私が特に気になるのは大きな眼鏡です。ファッションは重要です。流行は変化にするせよ、そのことは昔から変わっていません。モノのインターネット（IoT）やウェアラブル電子機器において、美観は多くの場合に軽視されています。設計者は機能と外観を同時に開発するのではなく、機能を先に決めて、外観とフォームファクターは後回しにする傾向があります。製品を売るためには、ファッションも重要であることを理解する必要があります。外観と機能を適切に両立させた、3つのデバイスを紹介しましょう。 上品なギーク 映画やテレビ番組を見れば、ギークは以前としてあまり外見が良くないことに気づくでしょう。Fonzieは、年をとってもBig Bang TheoryのSheldonよりもお洒落です。電子機器を購入する人々はオタクのように見られることを望まず、多くのウェアラブルはこの点で失敗しています。 IoTは 我々が予測したほど 急速に成長していないことが、最近のニュースで明らかになっています。これには いくつかの理由 があり、 低消費電力ワイドエリアネットワーク（LPWAN） などのスマートビルディング テクノロジーが遅れていることもその1つです。ウェアラブルはIoT市場のごく一部に過ぎず、その主な理由は 不便である ことと、お洒落でないことです。 利便性については既に解説しました し、 中高齢者 から見たファッションの側面についても説明しました。高齢者は、自分の命を救ってくれるなら、格好の悪いデバイスでも身に付けるかもしれません。しかし他の人々は、時計が命を救ってくれることを期待していません。期待するには、時間が分かること、アラームで通知してくれること、歩数をカウントしてくれること、そして外見がいいことです。見た目が悪ければ、お金を費やす価値はありません。それよりは、時間を見るためにはお洒落な時計を購入し、それ以外は携帯電話を使用する方がいいでしょう。ガジェットは適切に動作するだけでなく、格好良く見えることが必要です。 記事を読む
PCB設計におけるDRC: 設計の失敗の防止 PCB設計におけるDRC: 設計の失敗の防止 1 min Thought Leadership 私は長年にわたって小さなボートを所有しており、水上での趣味に使用していましたが、いくつかの重要なルールに従う必要がありました。ルールの1つは、ボートを水に浮かべる前に、排水プラグを必ず取り付けるということです。新しいボートをが沈んでしまい、回収するために泳ぐくらいなら、ただ泳ぐため水に入る方がはるかに安くつきます。 ルールは自分たちを保護するためのものだということは、誰でも知っています。しかし、不注意または意図的に、ルールが無視されることもあります。回路基板の設計にも、従うべきルールがあります。さいわい、今日のPCB設計ソフトウェアにはデザインルール チェック（DRC）が組み込まれています。設計者はこれらを使用するだけで十分です。 ルールは設計の失敗を防止するためのものです。 基板のDRC 回路基板の設計のサイズや複雑性にかかわらず、デザインルールのチェックは行う必要があります。特定の設計は非常に単純なため、DRCに時間を費やす価値はないと主張する人もいます。しかし、最も単純な設計でも、予期しない設計違反を見逃したたために、大きな問題を引き起こす可能性があります。DRCにより、設計を製造のため提出する前に、設計の整合性を確認できます。回路基板設計のDRCは、ツールごとに名前や説明が異なるため、基板設計ソフトウェアでレイアウトに対してチェックすべき、いくつかの一般的な要素を以下に示します。 基板のテクノロジーのルール : レイアウトツールでは、設計の各種物理パラメーターの有効性、たとえば物理レイヤーが正しく定義され、重複していないことをチェックできる必要があります。 フットプリント : レイアウトツールは、設計に使用されているフットプリントを個別に、またはバッチモードでチェックできる必要があります。 コンポーネント : レイアウトツールを使用して、コンポーネントが適切なフットプリント用に正しく設定されているかどうかをチェックできます。また、コンポーネントの間隔や位置が正しいことや、グリッド上またはグリッド外、および基板の予想される輪郭内に正しく配置されているかどうかもチェックする必要があります。 ネット : 基板上の電気的なオブジェクト（ピン、ビア、配線、フィル、プレーン）のクリアランスや、他の電気的な制約をチェックするよう、デザインルールを設定できます。 高速 記事を読む
高電圧PCB設計についての検討事項 高電圧PCB設計についての検討事項 1 min Thought Leadership 私は以前、高電圧の応用は電力工学だけに必要なものだと考えていました。発電所や変電所で働く気はまったくなかったので、高電圧PCBの設計について学ぶことを免れていたわけです。ところが、空間の応用に興味を持った時点で、その考えが間違っていたことに気付きました。そして、怠惰な自分と向き合わざるを得なくなってしまったのです。高電圧の応用は、製造や発電所から医療や航空宇宙まで、ほぼすべての業界に存在しています。 高電圧の応用に向けたPCBの設計では、設計や製造の全工程でさまざまな内容を検討しなければなりません。基板は過酷な状況で稼働することが条件となっており、部品や材料の寿命に大きな影響を受けます。これに挑戦しようという意気込みがある場合は、レイアウトの作成を開始する前に、いくつかの検討事項を確認しておきましょう。 動作周波数についての検討事項 製品の動作周波数は、 ESD と同様に高電圧設計に影響を及ぼし、 ノイズ管理 は基板に影響を及ぼします。これは、高周波が低い電圧でアーク放電を成し、信号線の周辺でより 厳重なスペース が必要になるからです。 周波数帯のもう一端にある低電圧DCについても、特別な検討が必要になります。特定の環境条件では、DC差動がエッチングやエレクトロ ケミカルマイグレーションの原因になることがあります。これらはどちらも望ましいものではなく、エレクトロ ケミカルマイグレーションは高電圧設計の性能や寿命により大きな危険をもたらします。というのも、導体パッドやトレースに whisker と呼ばれる微細な導電性のフィラメントが「成長」し、最終的には電位間でショートが発生する可能性があるからです。ここでは少なくとも、アーク放電を成しやすいポイントが発生し、基板の効果的な 沿面距離と空間距離 が減少します。 エレクトロ ケミカルマイグレーションはスズや銀で最も多く発生するものの、ときには銅でもフィラメントが破壊されることがあります。危険を最小限にするためには、不純物を含まないスズや銀をPCBの仕上げに使用しないことです。スズを使用する場合は、 鉛の含有量が少ないものが推奨されます 記事を読む
不十分なデータ管理に起因する開発後の問題の評価 不十分なデータ管理に起因する開発後の問題の評価 1 min Blog どのような設計者やチーム、企業にとっても、設計をリリースまで漕ぎつけたときは安堵のため息をつける瞬間でしょう。しかしながら、この瞬間が常に喜びに満ちたものになるとは限りません。プロジェクトの完了には、次の2種類があります。a）ドキュメント化プロセスに何の不備もなく無事設計を完了しており、リリースの準備を開始できるケース。b）設計は問題なく完了しているが、データ管理プロセスに小さな（または大きな）誤りがあるため、修正と製造の後戻りが必要であり、製品リリースを遅延せざるを得ないケース。データ管理プロセスに何らかの不備がある場合、開発後はすべての局面を通じて後悔し続けることになりかねません。 開発後の懸念と後戻りの可能性 開発後の局面で懸念が持ち上がるのは当然のことであり、特にデータ管理についての不確定要素がある場合はなおさらです。ECADデータ資産の管理が十分でないと、ドキュメント化の方法が時代遅れになる傾向にあります。その場合、データ管理システムでエラーが非常に発生しやすくなり、ECADプロセスの多数の要素を手動で構成し直す結果になるおそれがあります。 ECADデータの正しい保存方法 ECADデータの保存場所は、その保存方法と同じくらい重要です。いまだに数多くの企業が、Dropboxなどの一般向けネットワークドライブを利用してECAD資産を保存しています。これは一見便利に思えるかもしれませんが、体系化された信頼できるデータ管理システムが設計方針に組み込まれていない限り、以下のような問題が生じるおそれがあります。 アクセスの制限 不十分なデータコントロール 異種の複雑なデータ ライフサイクルの非対応 プロジェクトを重視して体系化されたデータ管理システムがない場合、特定のファイルにアクセスできないだけでなく、データの配置ミスや紛失につながる可能性があります。 迷いのない製品リリース 開発後の不確定要素を評価するときは、仮説のわなに陥り、自分を見失いやすいものです。しかし、使用するリソース、データ管理戦略の正しい実施方法、データの保存場所をきちんと理解していれば、不安を確信へと変えることができます。現在のプロセスに疑いを抱いたり、損失の大きいエラーのために設計データの修正を余儀なくされたりした場合、貴重な時間が無駄になります。設計から製造までのプロセスを進める中で、このような問題を回避するには、正確なデータを体系化して、はじめから正しい方法で管理することです。 無償の ホワイトペーパー を今すぐダウンロードしてください。このホワイトペーパーでは、Altium Vaultを利用して、時間と予算を重視した賢明なデータ管理システム運用について説明しています。 記事を読む
PCB回路設計で微細な短絡の発生を防止する方法 PCB回路設計で微細な短絡の発生を防止する方法 1 min Thought Leadership デートで出掛けたディナーのパスタに髪の毛が入っていたということほど、悲惨な話があるでしょうか。口に入れた後に気付いたとすればなおのことでしょう。この悲劇を避ける方法は2つあります。ひとつは、料理を口に運ぶ前に髪の毛が入っていないかどうかを徹底的に確かめること。もうひとつは、料理に髪の毛が入ってしまう危険を完全になくすこと（ただし、この場合は別のレストランを選ぶ必要があるかもしれません）。PCBの設計では、2～3本の髪の毛がそれほど大きな損害をもたらすことはありませんが、QCではどんなに微細な短絡も大問題になります。短絡を見つけるのには時間がかかるうえ、その修正コストはPCB実装よりも高額になることがあります。レストランの食事に髪の毛が入っていては困るように、設計でも短絡が発生するのを回避しなければなりません。とはいえ、人間はミスをするものです。短絡を完全には回避できないかもしれませんが、成功事例を実践して危険を最小限にすることは可能なはずです。 微細な短絡とは何か？どのように発生するのか？ 短絡は、関連していない2つの信号間の想定外の接続によって発生します。たとえば、正の電圧がGND信号と接続した場合には短絡と見なされます。信号が太い銅箔で接続されていれば、短絡は肉眼でも確認できます。これは、PCBが機械を使わずに手作業で作成されている場合にあてはまります。 微細な短絡が懸念事項となるのは、PCBが機械で製造される場合です。これは、髪の毛のように細い銅箔が2つの信号を接続してしまうことがあるからです。こうした短絡は、実装されたPCBで一連のQCテストが実施されるまで、肉眼では特定できません。残念ながら、製造工程のこうした遅い段階で短絡が見つかると、それまでに費やした時間や原材料のコストは確実に無駄になります。 短絡がどのように発生するのかを理解するためには、 PCB製造の一般的なプロセス を把握しておく必要があります。通常、PCBは非導電性の基板にラミネート加工された銅箔を使って製造されます。電気回路をPCBに実装するための一般的な方法は写真製版法で、電気回路の画像を含むシルクスクリーンのラミネートが、フォトレジスト コーティングされたPCB上に配置されます。 次に、PCBに紫外線（UV）が照射され、シルクスクリーンで覆われていない領域がアンモニアベースの溶液でエッチング除去されます。大半の場合、これらの処理は自動で行われ、問題がある場合は信号のパッドやトラックに接続する細い銅箔が残ることになります。製造後に徹底したテストを実施しない場合は、製造のその後の段階で不要な問題が発生する危険があります。 大半の場合、 微細な短絡を早い段階で特定することはほぼ不可能 微細な短絡は適切な電気テストによって削減可能 PCB設計を独学で勉強した私にとって、製造後の電気テストを実施しなかったために大変な痛手を負ったことは最大の教訓の1つです。「製造後に必要な電気チェックは PCBの製造業者 がすべて請け負ってくれる」と考えるのは安全ではありません。PCBを実装工程に送る前に、必ず フライングプローブテスト などの電気テストを実施して合格するようにしてください。フライングプローブテストでは、高精度のプローブが高速で移動しながらコンポーネントのパッドやビアをチェックし、製造での欠陥や設計のミスが特定されます。 なお、電気テストは100%確実なものではなく、微細な短絡を特定できない場合もあります。とはいえ、欠陥のあるPCBを実装工程に送ってしまう危険は大幅に低減できます。また、電気テストを通過したPCBに欠陥が見つかった場合に製造業者が確実に補償してくれれば、危険をさらに減らすことができます。上記の場合、評判のよい製造業者であれば、欠陥のあるPCBを交換し、実装されたコンポーネントの費用を弁償してくれます。 PCBは実装工程に送る前に必ずテストすること 微細な短絡の発生を削減するために設計者が実践できること 記事を読む
高電圧PCB設計: 沿面距離と空間距離 高電圧PCB設計: 沿面距離と空間距離 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 高電圧の応用には、通常のPCBよりも厳しい設計パラメータが必要になる 大学生のとき、私は電気化学エッチングの実験を行いました。その経験をずっと履歴書に記載していたのは、高電圧源や危険な化学品を使った実験について、面接官が必ず話を聞きたがったからです。ところが、危険な職場環境をまったく意に介さない人間が求められる仕事には就きたくないと後になって気付きました。 それがきっかけで、私は高電圧設計について学び始めました。高電圧の製品に要求される基準には圧倒されましたが、それと同時に安心もしました。私たちが作成した高電圧製品を大学院生たちが使うのを止めることはできないものの、基板がきちんと保護されているのが分かれば心配する必要はありません。 安全の確保にあたって、特定のスペースルールが必要になる場合とは 高電圧PCB設計に必要となる厳しいスペースルールは、すべてのPCB設計に適用されるわけではありません。一般的には、製品の通常の作動電圧が30VACまたは60VDC以上になると、基板設計に スペースルールを適用すべきでしょう。特に、高電圧で密集した設計の場合は慎重になる必要があります。密集したデザインではスペースが極めて困難になり、保護の観点からさらに重要になるからです。 高電圧設計ではスペースがさらに重要になります。基板全体の電圧によって、PCBの導電性要素間でアーク放電が発生しやすくなるからです。発生したアーク放電は、製品にもユーザーにも極めて大きな危険をもたらします。こうした危険を軽減するために、空間距離と沿面距離という主に2つのスペース測定の基準があります。 空間距離とは 空間距離とは、2つの導体間の空間の最短距離を指します。私はこの定義をあき高（つまり、自分の頭が何かにぶつかる前に、どのくらいの空間があるか）として覚えています。 PCBの空間距離が短すぎると、基板上で隣接する導電性要素間で過電圧によるアーク放電が発生する可能性があります。 クリアランスルールは、PCB材料、電圧、環境条件によって異なってきます。環境による影響はかなり大きくなります。最も一般的には、湿度によって空間の破壊電圧が変化し、アーク放電が発生する可能性に影響が及びます。ここでは、粉塵についても考慮しなければなりません。PCBの表面に集まった微粒子は時間とともにトラックを形成し、導体間の距離を縮めてしまいます。 アーク放電は製品に損傷をもたらし、ユーザーに被害を及ぼします。 基板でのスペースが重要な設計パラメータになるのはこれが理由です。 PCBでの沿面距離とは 空間距離と同様に、 沿面距離もPCB上の導体間の距離を指しますが、こちらは空間の距離ではなく、絶縁材の表面に沿った最短距離になります。沿面距離の要件は環境や基板の材料によっても異なり、空間距離と同じく、基板上に蓄積した水分や微粒子によって沿面距離が短くなる場合があります。 密集した設計では、沿面距離の要件を満たすことが困難になり得ます。トラックを移動させることが第一の選択になることは稀であり、表面の距離を延ばすには他にいくつかの方法があります。それは、トラック間にスロットを追加するか、または絶縁物に垂直の障壁を実装することです。いずれの方法でもトレースのレイアウトを変更することなく、沿面距離を大幅に延ばすことができます。 材料の比較トラッキング指数（CTI） 空間距離と沿面距離の要件のうちで作動電圧の次に重要な要素は、PCB材料の特性に関するものです。材料の電気絶縁性は、比較トラッキング指数（CTI）で示されます。CTIは電圧で表示され、材料の表面がいつ破壊するかを測定する標準テストによって決定されます。 破壊値に基づいて、材料は「0」から「5」までの6つのレベルに分類されます。製品に対する絶縁物の規定レベルは、このCTIの分類に基づきます。最も低いレベルは「5」で、電圧は100V未満となります。破壊値が600V以上のレベル「0」に分類される材料が最も頑丈で、多くの場合にコストも高額になります。 記事を読む