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設計にフェライトビーズを使用してEMIを低減する方法 設計にフェライトビーズを使用してEMIを低減する方法 「ロケット科学みたいに、さっぱりわからない」というのはよく使われてきた言い回しです。小さなJimmyは九九までロケット科学のようだと言っていました。今日では「ロケット科学」を「電磁気干渉」と置き換えるべきでしょう。EMIは多くの人々がぼんやりとしか理解していないものの1つです。この理由から、私は 正しい接地方法、 AC/DC回路、 高速配線、 差動ペア配線などについて記事を書いてきました。順番から、次に書くべきなのはフェライトビーズを使用してEMIを低減する方法でしょう。フェライトを使うのは少々面倒なので、まず その背後にある理論を理解することが重要です。ほとんどの電子部品は本質的にプラグアンドプレイです。しかし、フェライトはシステム内に設計して組み入れる必要があります。理論を理解すれば、LCフィルター、GNDプレーンと電源プレーンの分離、ソースのノイズのフィルタリングなどを実践できるようになります。 フェライトのLCフィルター 設計者は多くの場合、フェライトビーズのことをローパスフィルターと考えようとします。これらは確かに高周波をブロックしますが、特定の帯域しかブロックしません。それより上の帯域では、固有の容量が優先します。ビーズ自体はローパスフィルターではありませんが、バイパスコンデンサーと組み合わせてローパスフィルターにすることができます。この場合、本質的にLC（コイルとコンデンサー）フィルターとして機能します。フェライトビーズをこのように使用するときに大きな問題の1つは、LC共鳴です。 重要な点を先に述べると、回路の電源ラインにフェライトビーズを使用する場合、バイパスコンデンサーが必要です。低い周波数ではフェライトビーズはコイルとして機能し、電流の変化に抵抗します。すなわち、集積回路が電流のスパイクを引き出そうとすると、ビーズはそのピークに抵抗し、回路の動作の妨げとなります。バイパスコンデンサーは電荷を保存し、これらの電源スパイクを供給するために必要です。またバイパスコンデンサーは一般的にも良いやり方です。 コンデンサーとフェライトを設置したら、高周波をフィルタリングして除去できます。フェライトビーズには、LCフィルターに使用される通常のコイルと比較して、いくつかの利点があります。フェライトビーズは低い周波数で ロールオフが急速です。また、固有の抵抗が存在するため、発生の可能性がある共鳴を減衰させるため役立ちます。多少の減衰能力はあっても、LC共鳴は依然として発生する可能性があります。 大きなコンデンサーを使用するときは、特にリスクが大きくなります。共鳴が発生した場合、 最大10dBのゲインを招くことがあります。フィルターの設計では共鳴を避けるよう注意してください。 フェライトビーズとバイパスコンデンサーを使用して信号をフィルタリング デジアナ混在信号のGND/電源プレーンの分離 EMIが回路内を伝搬する主な手段の1つは、GNDおよび電源プレーンです。混在信号回路では、単一のGND/電源プレーンがアナログ信号とデジタル信号の両方に使用されるため、特にこれが一般的となります。このため、 GNDと電源のプレーンを別にするのが最良ですが、GNDは依然として同じ相対電圧に参照される必要があります。これらの問題から極めて困難な課題が生み出されますが、この課題を解決するためにフェライトビーズが役立ちます。 フェライトビーズは、 アナログとデジタルのGND/電源プレーンを接続するために使用できます。この方法により、両方のプレーンは依然として同じ電圧に参照されますが、互いに絶縁されるようになります。ビーズは、通常ならプレーンから別のプレーンへ直接転送される ノイズをブロックできます。
接地による、ESD損傷からのPCBの保護 接地による、ESD損傷からのPCBの保護 Star Trek の機関室を別とすれば、私は、高校生になるまで、職業として工学を検討したことはありませんでした。とはいうものの、無意識でしたが、間違いなく工学に関心がありました。 Star Trek の機関長の名前を全て挙げられたことを考えると、その兆候は早くからありました。しかしながら、ESDブレスレットをプレゼントされてとんでもなく興奮したときに、将来が決まりました。宝石箱に1つぐらいは入っていませんか? このブレスレットは、自分の皮膚に装着する、網目状のゴムと幅広の金属片と、アース端子に接続するワニグチクリップが付いたケーブルで構成されています。当時のインターネットはダイヤルアップ接続のみでしたが、私は、自分を接地する方法を理解するため、ページの読み込みを待って何時間も費やすことを止められませんでした。ブレスレットを身に付け、友人に頼み込んでコンピューターのRAMのアップグレードをやらせてもらったり、単純にコンピューターを開けさせてもらったりしました。 接地は、金属に触れたりすり足をしないなど、簡単にできますが、ESDの影響を受けやすいものを取り扱う前に接地するのが理想的です。 静電放電 から保護するための接地の利用は、製品開発の多くの段階で必要です。RAMカードなど、静電気の影響を受けやすい製品を扱っている場合、ESDマットの使用や自分自身の接地などをお勧めします。適切に設計することで、製品に対して接地による保護を適用することもできます。効果的な接地方法をPCB設計に適用し、安全な取り扱いへの依存を減らすほうが得策です。未来の顧客や導入者が全て、静電気の影響を受けやすい製品の取り扱い時に過度に自身を接地すると仮定することは合理的ではない、とSpockなら指摘するところでしょう。 GNDプレーンの使用 ESD保護のために接地を使用する方法は多数ありますが、まず最初に挙げられるのはGNDプレーンの使用です。多層設計の採用は、必ずしも実現可能ではありませんが、ESD保護について不安がある場合、GNDプレーンは本当に役立ちます。ご存知のとおり、突然の電圧放電は電磁場を誘発します。 適切に接続されたGNDプレーン は、影響を受けやすいコンポーネントから電流を離して配線することで、電圧放電による損傷を軽減できます。 GNDプレーンを使用すると、GNDトレースへの電源供給における 回路ループの領域を減らす ことができます。回路ループの領域を減らすと、ループ領域内で誘導されるEMIの総量が減ります。同様に、流れるべきでないコンポーネントに流れる可能性のある対応電流も減ります。 GNDプレーンの保護 優れたGNDプレーンがどれだけ機能できるとしても、ESDパルスが直接GNDプレーンに放電すると、GNDプレーンは影響を受けやすいコンポーネントへの直接経路となる可能性もあります。このような損傷を回避するため、必ず、影響を受けやすいコンポーネントの電源とGNDの間にTVS回路を使用して、誘導された電流を迂回させます。正しく実装された場合、コンポーネントに発生する電圧差は、TVSの制限電圧に留まります。 また、影響を受けやすいコンポーネントの電源とGNDの間に高周波の
フェライトビーズの機能と適切な選択方法 Thought Leadership フェライトビーズの機能と適切な選択方法 ときどき、電磁波が目に見えたらいいと思います。もし見えたら、EMIをはるかに簡単に検知できるでしょう。複雑な設定やシグナルアナライザーをむやみにいじり回す代わりに、私なら一体何が問題なのかを見極めます。EMIを見ることはできませんが、場合によってはオーディオ回路を通じて音を聞くことはできます。この種の干渉に対して可能な解決方法の1つがフェライトビーズです。困ったことに、フェライトビーズにはちょっと不可解なところがあります。フェライトビーズを適切に使用するためには、その電磁特性と使用中にそれがどのように変化するかを理解する必要があります。フェライトビーズの原理を理解したら、自分の基板に適したものを注意深く選択する必要があります。適切なフェライトビーズを選択しないと、最終的には手に余る問題が生じる可能性があります。 フェライトビーズの原理 フェライトビーズは、高周波信号を減衰するために使用されます。このように説明すると、コイルと同じだとお考えになるかもしれませんが、フェライトビーズはコイルよりやや複雑です。簡素化したフェライトビーズの回路モデルは、その周波数特性を理解するのに役立ちます。ただし、その特性は、電流と温度の関数として変化します。 フェライトビーズは、直列抵抗体の後にコイル、コンデンサー、抵抗器を全て並列したコンポーネントとして モデル化できます 。直列抵抗体は、DC電流に対する抵抗です。コイルは、高周波信号を減衰する主要コンポーネントです。並列された方の抵抗器は、AC電流の損失を示します。コンデンサーは、寄生容量を示します。フェライトビーズの インピーダンス対周波数の曲線 では、大部分が抵抗であるインピーダンスが、狭い帯域でのみ極端に高くなります。ここでは、フェライトビーズのインダクタンスが優位です。この帯域より上では、寄生容量が引き継ぎ、高周波インピーダンスはすぐに低くなります。 フェライトビーズには、通常、特定のDC電流に対する定格電流があります。アンペア数が指定された電流値より大きいとコンポーネントが損傷する可能性があります。問題は、この制限が熱により大きく影響を受けるということです。温度が高くなると、 定格電流がただちに下がります 。定格電流は、フェライトビーズのインピーダンスにも影響します。DC電流が大きくなると、フェライトビーズは「電磁飽和」してインダクタンスを損失します。電流が比較的大きい場合は、飽和により、 インピーダンスを最大90%減らす ことができます 負荷電流はフェライトのインピーダンスを変える可能性があります。 適切なビーズの選択方法 ここまでで、フェライトビーズの原理を理解できたことと思いますので、次に、自分の回路に適したビーズを選択します。これはそれほど難しくはありません。ビーズの仕様に注意するだけです。 多くの設計者は、フェライトビーズが「高周波を減衰する」ことを知っています。ただし、フェライトビーズは、特定範囲の周波数成分を除去できるのみで、広帯域のローパスフィルターのようには機能しません。不要な周波数成分が抵抗帯域内にあるフェライトビーズを選択する必要があります。不要な周波数成分が抵抗帯域よりやや低い/高いものを選択すると、期待する効果が得られません。 ビーズの製造業者が、ビーズのインピーダンスに対する負荷電流曲線を提供可能かどうかも確認してください。負荷電流が非常に大きい場合は、電磁飽和してインピーダンスを損失することなく電流を処理できるビーズを選択する必要があります。 注意事項 フェライトビーズは、高周波では基本的に抵抗負荷ですので、回路で若干の問題を起こす可能性があります。ビーズを配置する場合は、電圧降下と放熱を考慮する必要があります。
最も完璧なドキュメントパッケージをPCBの製造部門に送る方法 最も完璧なドキュメントパッケージをPCBの製造部門に送る方法 開発ステージの完了は常に喜ばしいことです。ちょうど今、PCBプロジェクトの最後のハードルを乗り越えたところだと考えましょう。それは新しいコンポーネントの数量確保、環境テストの最終化、またはEMC（電磁両立性）技術者からの承認かもしれません。これで基板は「リリース済み」状態になり、全ての承認が署名され、あとは製造に渡すだけです。設計仕様を作業可能なファイルに変換し、翻訳して、PCB製造業者に渡す手順は単純明快であるべきですが、実際には、そうではありません。 ドキュメントの一部が欠けていただけでも、設計者の仕様と、ドキュメントに記載されているものとを結びつけるラインは簡単に不明瞭となり、製造プロセスは簡単に停止してしまいます。「悪魔は細部に宿る」という諺は、PCBの製造や実装のドキュメントについて、まさに的確に当てはまります。複数の利害関係者が関与するプロジェクトの期間に起きたことを伝達する真実の単一の情報源として、より多くより詳細に記載するほど良い結果が得られます。設計後のプロセスを行うため使用できる全てのツールと、必要な製造ファイルの出力を使用することで、製造業者が当て推量を行い、見解の相違のため高い見積もりを要求することや、製造プロセスが遅延することや、さらに悪い結果として仕様を満たさないPCBを構築してしまうことを避ける必要があります。設計の意図をデジタルの世界から物理的な製品に変換するには、製造業者の観点から見て、完全なドキュメントパッケージはどのようなものかということを、的確に理解する必要があります。 製造ファイルの基礎 製造業者の観点から見ると、設計ファイルで参照されるドキュメントが1つでも欠けていれば、それは大きなエラーです。不完全な製造ドキュメントはほとんどの場合、問題の明確化と軽減に浪費される時間から、プロジェクトの遅延を招きます。そこで、ここに示すような 出力ファイルの分類 をまず覚えてください。 製造ドキュメントのパッケージが完全なだけでなく、PCB業界で一般的に受け入れられているフォーマットでパッケージを製造業者に送る必要があることにも留意してください。 PCB設計について最も一般的に受け入れられているファイル形式は、ガーバー（標準のRS-274-Dまたは拡張のRS-274X）、ODB++、およびExcellonです。さいわい、ほとんどのCADシステムは、これらのフォーマットのいずれかで設計データを生成またはエクスポートできます。そして、実際に製造業者へデータを送る前に、どのような製造ファイルを、どのフォーマットで必要としているのかを、製造業者との間で正確に確認しておくべきです。しかし、例外はありますが、自社内のCADフォーマットで設計を製造業者に送ることは常に避けるべきです。この単一のファイルフォーマットは多くの場合、製造業者では読み取り不能で、基板の製造に使用できません。 含めるべきもの それでは、最低限何を含めればいいでしょうか? これは製造業者によって異なりますが、製造業者が顧客と十分に情報を共有していることを確認するため、多くの場合に最低限必要とされるドキュメントは次のものです。 次のデータを含むPCBデータ ガーバーデータ ドリルデータ ネットリストデータ 次のデータを含むPCB製造指示 長穴および穴サイズ 基板の外形 完成した銅箔の重量 完成したPCBの厚さ
基板をESDから保護するための正しいPCB配線とPCBレイアウト Thought Leadership 基板をESDから保護するための正しいPCB配線とPCBレイアウト 私がランニングを始めた頃、既に何回かウルトラマラソンを完走した友人と一緒に走っていました。彼女は家から何マイルも遠くまで走り、私と一緒に短いループを走ってから、私と離れてさらに走り続けました。私が速くなると、彼女は早く家に帰る代わりに、ループを長くしました。彼女はこれに関して巧妙でもありました。彼女は常に、私が早く引き返すと退屈なルート、または私が知らない新しいルートで、近道をできないように計画していました。 彼女は都市計画家として、ランニングのルートも意図的に好きなルートを選択していました。私は技術者として、まったく異なるもの、通常は走りやすい場所を望んでいましたが、彼女の意図も理解していました。結局のところ、私がPCBを設計するときも同じことが成り立ちます。私はコストや性能に関して特定の目標を達成するような配線を希望します。配線は ESD保護 においては特に重要で、ESDで引き起こされるEMIからコンポーネントを安全に保護するため役立ちます。 回路のループの最小化 私たちのランニングのルートは多くの場合に回り道のループでしたが、PCBにおいてはその逆を行うべきです。回路のループを最小限にすれば、ESDがPCB上で伝搬されることによる損傷を大幅に低減できます。これは、変動する磁束を囲むループには誘導電流が発生するためです。この磁束がESDによるものであれば、誘導される電流が予期せずコンポーネントへ流れ込むことにより、極めて破壊的な損傷が発生する恐れがあります。 場合によっては他の選択肢がなく、レイアウトにどうしてもループが必要な場合もあります。このような場合、ループの面積を最小限にします。誘導電流の大きさは、ループのサイズに比例します。 GNDプレーンの使用 多層基板を設計するときは、必ず GNDプレーン を使用すべきです。PCB上に形成される最も一般的なループは、電源からGNDへの配線です。これらのループは非常に遍在的なため、見逃されがちです。 GNDプレーンを実装できない設計者は、ビアのグリッドパターン（格子状パターン）を使用して電源とGNDとを接続します。これは基本的に配線のあるGNDプレーンをエミュレートするものです。これは格子と考えることができ、1つの線に沿ったいくつかのポイントで電源の接続が発生し、GNDの配線が直交した線に沿って接続されます。 Semtech は非常に適切な例を用意しており、同社は6cmごとに接続を行うことを推奨しています。 同社は、電源とGNDとの配線を近くに保持することも推奨しています。ただし、これによって基板に、特にAC電源との間にエッチングが発生する可能性もあります。 グリッドパターンを使用して、電源とGNDとを接続すると、GNDプレーンを使用できないときに回路ループを最小化するために役立ちます。 配線経路の最適化 ループを最小化する以外に、互いに並列している配線を除去するよう心がけてください。これは、相互接続されているデバイス間の並列配線について特に重要です。並列した配線は互いに簡単に 結合 します。
New Jersey Institute of Technologyのバハレーシングチームのメンバーたち OnTrack Newsletters New Jersey Institute of Technologyのバハレーシングチームのメンバーたち BurghartさんはNJITで機械工学を学んでいる2回生で、バハレーシングチームの電子設計を担当するサブチームのリーダーです。レーシングカーにはメインのダッシュシステム、データ収集ボード、ディスプレイ盤、20のセンサーに接続されている前方と後方のドングルが搭載されています。 Burghartさんは子どもの頃からエンジニアの好奇心が芽吹いており、いろいろなものを分解して遊んでいたと言います。中学と高校では、ロボット工学にも触れました。ラッキーなことに、彼が通っていた高校には3Dプリンタがあったため、彼はそれを使って完全に機能するクアッドコプターを設計して完成させました。NJITに入学後は、現在40名が在籍し、Daniel Brateris教授が顧問を務めるSAEバハレーシングチームに参加しています。電気工学科で教鞭をとっているBrateris教授は、経験に基づく学習の指導者も務めています。Altiumは、NJITで構築中のMaker Spaceへの資金援助を行うスポンサーの1社となる予定です。 今年、NJITのハイランダーレーシングチームはカリフォルニア、イリノイ、カンザスで開催される3つのレースに出場します。現時点での成績は、カリフォルニアで総合13位、シーズン初の4時間耐久レースでは1位となっています。（動画を見る） https://youtu.be/3EsAoJC1MM0 「百聞は一見にしかず」という諺があります。レースでの成功を実現させたNJITのハイランダーバハレーシングチームから、感謝の言葉とともに送られてきた写真をぜひご覧ください。とはいえ、次世代のイノベーターを生み出すこうした素晴らしいプロジェクトに参加できるのを心から感謝しているのはAltiumのチームのほうです。 皆さん、本当におめでとうございます！