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インタラクティブなPCB自動配線を最大限に活用するPCB配線 Thought Leadership インタラクティブなPCB自動配線を最大限に活用するPCB配線 数年前、私は家の屋根を替える手伝いをしました。最初の作業は古い屋根板の撤去でした。1度に1枚ずつ屋根板を引きはがして私は得意満面でしたが、プロの屋根職人がこちらにやって来て首を左右に振りました。その職人は、雪かきのようなシャベルを使って、私が手で5枚引きはがすより少ない時間で200～300枚の屋根板を撤去しました。その日、私は屋根の上で、よい仕事をするためには常によりよい方法を探す必要があることを学びました。 PCB設計の配線でも、私たちは作業を行うためのより効率的な方法を求めます。設計者は、おそらく、可能な限り最も整然とした配線を手動で行うのに必要な時間がわかっています。また、オートルーターならより短時間で作業を完了できるが、 望ましくない配線結果になることも知っています。屋根板をはがすためのより有効な方法としてシャベルがあったように、私たちには、より効率的に配線できる自動インタラクティブルーターがあります。 「自動インタラクティブルーター」という語をあまりご存知ない設計者にとって、これは 比較的新しい配線技術です。この機能は、手動による配線の外観と精度を提供しながら、 1秒あたり約1つのネットを配線できるよう設計されています。自動インタラクティブルーターはバッチオートルーターではありません。また、基板全体を配線するようにも設計されていません。これは、ユーザーがコントロールし、ルーターが作業を行う、インタラクティブなPCB自動配線機能です。 自動インタラクティブルーターは、ほとんどの場合プロセスの時間を短縮できますが、これによってとりわけ効率化される回路の領域があります。特に、レイヤーを変更せずに特定の順番で接続する必要がある単一または複数のネットがそれです。さらに具体的には、point-to-point配線、BGA breakout配線、バス配線などです。 Point-to-point配線 ご存知のとおり、PCBには多くのpoint-to-point接続があります。例えば、狭い回路グループのコンポーネントピンを接続する短いネット、SMTパッドからのビアのエスケープパターン、基板の全長にわたるネットなどです。手動での配線は難しくはありませんが、時間がかかります。オートルーターは非常に短時間で配線できますが、基板の他の部分に望ましくない配線が行われる可能性があります。オートルーターの使用を短い接続に限定することはできますが、使用に先立ち設定時間が余分に必要になります。 自動インタラクティブルーターは、信じられないくらい高速で同じ配線を行います。ユーザーは、配線するネットを選択して ルーターを動作させるだけです。自動インタラクティブルーターは、データベースで設定済みの設計規則に従い、可能な限り最短の経路を使って配線を行います。また、オートルーターでは必要となるような面倒な設定はありません。 自動インタラクティブルーターは最短でpoint-to-point 接続をするようにうまく機能します BGA配線 BGAから手動で配線する前に、最適なネットの接続順序を明らかにしておく必要があります。設計者が可能な限り最も効率的な配線パターンで配線し、BGAを接続するには、この順序が重要です。効率的な配線パターンは、基板に配線を追加するための空きスペースを残すだけでなく、ビアを不要にします。ビアは他の配線に必要になるかもしれないスペースを使ってしまいます。また望ましくない信号特性を引き起こす可能性があります。オートルーターによるBGA配線では、通常オートルーターが最適なネットの接続順序を選択しないので、実際のところビアの数が増えます。 このような場合、自動インタラクティブルーターが役に立つことができます。自動インタラクティブルーターは、ユーザーに代わってすばやくBGA接続の順序を決定します。ユーザーが選択したネットは、配線が有効になっている基板レイヤーにトレースを均等に配分できる順序で評価されます。続いて、ビアを使用せずに統一性のある精密な配線パターンでBGAを接続するよう、配線が行われます。これらの統一された配線パターンでは、後のトレース調整や配線編集のために必要な予備の基板スペースができます。 バス配線で、自動インタラクティブルーターは別の強みを発揮できます バス配線 多くの場合、バスは統一された配線パターンを作成するため、手動で配線します。統一された配線パターンでバスを配線しなかった場合、
自動インタラクティブルーターの配線がオートルーターより整然としている理由 Thought Leadership 自動インタラクティブルーターの配線がオートルーターより整然としている理由 少年の頃、私の部屋は常に散らかっていました。あらゆるものがどこにあるかわかっていると思っていたので、掃除する理由はありませんでした。最終的には、両親と友人からの強いプレッシャーに屈し、私は部屋を掃除しました。違いは驚くべきものでした。足の踏み場ができて、はるかに歩き回りやすくなりました。 オートルーターによるPCB配線についても同じことが言えます。オートルーターの配線は、 見た目が悪く雑然とする ことが知られています。そのような基板は、場合によっては追加設計が難しく、またいいかげんな設計に見える可能性もあります。こういった望ましくない配線は、通常次の3タイプのいずれかに分類されます。 1) バス配線の分割 2) 長く曲がりくねった配線 3) 望ましくないコーナーやスタブがある配線 何年もの間、PCB設計者は、オートルーターのスピードを必要とするたびに、配線に関するこれらの問題に対応してきました。自動インタラクティブルーターは、代替ルーターとしてはあまり知られていませんが、オートルーターに付き物の配線の問題はなく時間を節約することができます。 均一なバス配線 オートルーターは、PCBの配線時に多くの問題を引き起こす可能性があります。最初に目を引く問題は、バス配線の分割です。 バス配線は、類似するネットをグループ化した、均一な配線パターンです。例えば、8ネットのデータバス（D0からD7）はできる限りすき間なく配線する必要があります。このような配線は、トレースの長さとトポロジーを一致させることで、データバスの信号特性を維持します。 オートルーターは、バスをグループとして配線せず、バス内のネットを別々のものとして認識します。各ネットを配線するため、オートルーターは、そのバス配線から他のネットの配線を押しのけます（push & shove）。全てのネットの配線が完了したときには、オートルーターは、均一なバスを完全に分割しています。 これに対して、 自動インタラクティブルーター は、デザイン内の全てのネットではなく、ユーザーが選択したネットを操作します。また、パターン幅、クリアランス、レイヤー、およびトポロジ―についてユーザーが設定したネットおよびネットクラスのデザインルールに従います。その結果、整然として緻密なパターンのバス配線になります。さらに、自動インタラクティブルーターでは、オートルーターが配線方向を決定するのとは異なり、ユーザーがバス配線の経路を指定します。
部品表在庫管理とオンライン部品リクエストシステムの利点 Thought Leadership 部品表在庫管理とオンライン部品リクエスト文書システムの利点 ある時、頭金として使うために家族の一員にお金を借りようと頼んだことがあります。彼の返答には私が理解できない反提案が含まれていたので、そのままにしてしまいました。残念ながら、彼の返答を理解しなかったことで、最初に求めていたものよりもさらに良い機会を逃してしまいました。 そのやり取りは、明確なコミュニケーションの重要性を示す例として私の心に残っています。PCB設計の世界では、特に新しい部品をリクエストする際には、明確なコミュニケーションが不可欠です。しかし、部品リクエストの文書が適切に配布されないために、これらのリクエストが混乱したり、遅れたり、あるいは失われたりすることがあります。エンジニアが利用可能でない部品や、承認されたベンダーリストにないサプライヤーからの部品をリクエストすることもあります。これらの問題はすべて、コストのかかる再設計を引き起こし、製造を遅らせる可能性があります。幸いなことに、部品リクエストの問題を解決するのに役立つ 部品表在庫管理ツールがあります。 新しい部品リクエストを提出する従来の方法 プリント基板が設計されて以来、設計チームによる部品の要求は常にありました。PCB設計が進むにつれて、部品は回路図に追加され、回路を完成させるために接続されます。設計にこれまで使用されていない新しい部品が必要な場合、通常以下の手順が取られます： エンジニアリングチームは、必要な部品を見つけるために部品ベンダーを調査します。 部品が見つかったら、エンジニアリングはスプレッドシート、Eメール、または紙の文書の形で購買およびCAD部門に新しい部品のリクエストを提出します。 購買は部品のコストと入手可能性を調査し、それに企業の部品番号を割り当てます。 CAD部門は、エンジニアリングによって収集された部品データを使用して、回路図とレイアウトのための予備のライブラリ部品を開発します。 入手可能性が確認されると、承認された部品リクエストがエンジニアリングに返送されます。 ライブラリ部品、回路図、およびレイアウトはすべて、承認された部品情報で更新されます。 このプロセスには多くのステップがあり、そのいずれかが部品リクエストに問題を引き起こす可能性があります。 従来の部品リクエストシステムの問題点 従来の部品リクエストシステムに関連する問題点 従来の部品リクエスト方法には、いくつかの問題が生じる可能性があります。これらの問題の中で最悪の2つは、未承認のベンダーから新しい部品をリクエストすること、および購入できない部品をリクエストすることです。 正確な部品を見つけるために、エンジニアリングは会社で承認されたベンダーとして資格を持たない部品供給業者を検討することがあります。要求された部品が設計にとって完璧な解決策であっても、部品ベンダー自体がエンジニアリングには明らかでないビジネス上の理由で受け入れられない可能性があります。また、承認されたベンダーによって新しい部品が提供されている場合でも、まだ使用できないか、または製造ニーズをサポートするのに必要な数量で利用できない場合があります。 新しいベンダーを認定するか、利用できない部品の代替品を見つけるには時間がかかります。設計が進行して新しい代替部品を収容するための再設計が設計スケジュールに深刻な影響を与える段階に達しているかもしれません。 もう1つの問題は、部品リクエスト文書の配布に失敗することが発生することです。これは次のような理由で起こる可能性があります： 1) 紙の部品リクエストは、うっかり失くされたり破壊されたりすることがあります。「宿題を犬が食べた」という古い言い訳を笑っていたものですが、紛失した書類の現実は笑えるものではありません。
高速PCB設計における考慮事項：バイパスコンデンサの配置と配線のヒント Thought Leadership 高速PCB設計における考慮事項：バイパスコンデンサの配置と配線のヒント 数年前、私が関わっていた基板設計の大半はシンプルなデジタル設計でした。そのような設計では、バイパスコンデンサの配置と配線は非常に簡単で、回路が十分に遅かったため、セラミックコンデンサを必要としないことが多かったです。ほとんどの場合、バイパスコンデンサの配置と配線を主要な設計考慮事項としてではなく、後から考えるべきこととして扱っていました。いくつか使うべきか、どこに配置すべきか、どのように接続すべきかについては、あまり気にされないようで、エンジニアの中には、まるでケーキの上の飾りのように、「ここかしこにバイパスコンデンサを撒いて」と指示する人もいました。 後になって、設計の複雑さと速度が増すにつれて、より洗練された電力分配ネットワーク(PDN)の設計の必要性も高まりました。今では、高速設計の信号整合性要件を満たすために、正確に設計されたPDNが基板の最高の性能を発揮するために不可欠となっています。 高速PCB設計のヒントと、高速設計の文脈でのバイパスコンデンサの配置要件、およびそのグラウンドプレーンで最適に支援する配置と配線戦略について見てみましょう。 このコンデンサは何をしているのか？ バイパスコンデンサは何をしているのか？ 高速PCB上のプロセッサやその他のICは、電源が供給できない急激な電流のスパイクを要求します。電源は、短いバーストではなく、PCBレイアウト全体にわたって一定量の電力を供給するように設計されています。この問題を解決するために、ICの近くに バイパスコンデンサを配置して、これらの急激なスパイクに必要な電流を供給することができます。バイパスコンデンサは、電力を蓄えてから、ICが余分な電流を必要とするときにそれを放電することによってこれを実現します。これにより、電源が反応する時間を確保します。スパイクの後、バイパスコンデンサは再充電され、次のサイクルの準備が整います。 バイパスコンデンサは、高速で切り替えるデジタルデバイスから生じる グラウンドバウンスを減少させるためにも重要です。バイパスコンデンサは、電源によって引き起こされる低周波ノイズをフィルタリングするためにも使用され、 信号の整合性やEMIの問題にも役立ちます。 バイパスコンデンサはいくつ使用すべきですか？ バイパスコンデンサが設計に必要な量は、それらが割り当てられているデバイスと、使用されているデバイスの数に依存します。一般的に、回路基板上の各電圧降下に対して、10uF範囲のバルクコンデンサが使用されます。これらは電圧が発生する場所や回路基板に入る場所に配置するべきです。一部のデバイスでは、高速バイパスコンデンサと共に使用されます。 一般的に、各ICには少なくとも0.1uF範囲の高速バイパスコンデンサを1つ配置するべきです。これらは、直ちに電流を供給できるように、対応するICに可能な限り近くに配置するべきです。複数の電源ピンを持つデバイスには、電源ピンごとに少なくとも1つのバイパスコンデンサを持つことをお勧めします。これにより回路基板のスペースをより多く使用しますが、グラウンドバウンスを大幅に減少させるのに役立ちます。 PCB上でのコンデンサとその他の作業 バイパスコンデンサの配置とルーティングのベストプラクティス 先に述べたように、バイパスコンデンサはそれが割り当てられているデバイスに可能な限り近くに配置するべきです。これは、PCBレイアウトの反対側にあるデバイスの下側、またはバイパスコンデンサが接続されているピンのすぐそば、同じ側の基板上に配置することができます。 特定のデバイスの電源ピンの近くに複数のバイパスコンデンサを配置する必要がある回路では、コンデンサはそのピンの隣に 値の昇順で配置する必要があります。例えば、特定のデバイスに.01uFと10uFのコンデンサが指定されている場合、.01uFをデバイスに最も近くに配置し、その外側に10uFを配置します。この方法により、大きなバルクコンデンサがデバイスピンに最も近い高周波コンデンサを再充電します。 バイパスコンデンサを 配線する場合
PCB設計における自動インタラクティブ配線とPCBオートルーターは何が違うのか Thought Leadership PCB設計における自動インタラクティブ配線とPCBオートルーターは何が違うのか 編集クレジット: Santiparp Wattanaporn / Shutterstock.com しばらく前、私は第二次世界大戦時代に戦闘機パイロットが訓練に使っていたAT-6に乗って、空を飛べる機会をいただきました。飛行機の大ファンである私にとって、これほど素晴らしいプレゼントはありません。飛行体験までの5か月間は、大きな期待に胸を膨らませていました。そして、当日。それまでに感じたことがないほどの喜びをかみしめながら、いよいよ真っ青な空に向かって離陸です。パイロットは緩横転を披露してくれました。ところが、トップガンに対する私の期待は粉々に崩壊しました。それからのフライトは、飛行機酔いのための袋に顔をうずめて過ごすことになったのです。自分の身体が高速のアクロバット飛行に耐えられないのだとわかったとき、本当にがっかりしました。 それは、PCB設計で初めてオートルーターを使ったときの落胆と同じ気分でした。というのも、オートルーターは私と同じ程度の能力で配線に対応してくれると期待していたのですが、残念ながら、配線後の設計はとんでもないことになっていました。配線自体は完了していたものの、体裁を整えるのに数時間や数日という長い時間がかかりそうなクリーンアップを手動で行う必要があったのです。 ところが、最近では自動インタラクティブ配線技術のおかげで、設計者は自動配線を活用できるようになっています。自動インタラクティブ配線は自動配線とは異なるだけでなく、多くの点で自動配線よりも優れています。自動インタラクティブ配線の利点についてお話しする前に、まずはオートルーターと自動インタラクティブルーターの基本的な違いを確認しておきましょう。 自動インタラクティブルーターとPCBオートルーターの違いとは? この2つのルーターは似ているようもののように思えますが、実際にはまったく違うものです。もちろん、どちらも配線エンジンですが、オートルーターではすべての配線が行われる一方で、自動インタラクティブルーターでは設計者が配線をコントロールできます。 オートルーターはスタンドアロンのアプリケーションとして長い間利用されてきました。現在ではPCBレイアウトソフトウェアと連動するようになっているものの、実行するには独自のデザインルールが必要です。これらのルールは手動で設定することも、レイアウトソフトウェアからインポートすることもできます。オートルーターを実行すると、設計に含まれるすべての有効なネットで配線が試みられます。ここでは、さまざまな配線ストラテジで事前に設定された条件を使って、一連の経路で配線が実行されます。完了すると、設計者は自動配線されたトレース情報をレイアウトアプリケーションにインポートし、既存の配線と置き換えます。オートルーターによって配線された使いものになるトレースの分量は、設計者の設定に完全に左右されるものの、結果は思い通りにはならないでしょう。 一方、自動インタラクティブ配線がうまくいくかどうかは、設計者が追加で設定した内容に左右されません。自動インタラクティブルーターはレイアウトアプリケーションに不可欠なため、 既存のデザインルール が使用されます。これらのルールは、一般的な手動の配線で使用されているものです。自動インタラクティブルーター用のコマンドも、レイアウトツールの既存の配線メニューから簡単に使用できます。設計者は自動インタラクティブルーターで配線するネットやネットのグループを選択し、自動インタラクティブルーターを実行するだけです。配線は設計者がコントロールできるため、高速な自動配線を使って基板を手動で配線しているような感覚で作業できます。 オートルーターの設定はかなり複雑になる場合がある 自動インタラクティブ配線と自動配線が異なる理由 オートルーターを正しく機能させるためには、たくさんの設定が必要になります。すべての配線が希望どおりに実行されるためには、オートルーターを仕込んでおかなければなりません。そのためには、オートルーターにデザインルールと配線ストラテジを読み込む必要があります。ネットクラスやトポロジーの制約といったデザインルールは、レイアウトソフトウェアからインポートできるものの、オートルーターで最高の性能を達成するためには微調整が必要です。とはいえ、ここで本当に困難になるのは、さまざまな自動配線のストラテジを設定することです。これらのストラテジでは、トレースの配線方法や配線を断念する前の試行回数を指定します。ここには誤った配線距離や、オートルーターが実行する配線のクリーンアップの試行回数も含まれます。自動配線のストラテジの作成は難しく、オートルーターがさまざまな状況でどのように機能するのか、ということは理解できるくらいの経験が必要になります。 一方、自動インタラクティブルーターでは面倒なストラテジの作成を行わずに、配線経路を指定できます。つまり、設計全体ではなく選択したネットでのみ配線が行われるため、オートルーターのようなストラテジが必要ありません。自動インタラクティブルーターは、配線の対象となるネットやネットのグループを選択すると実行できるのです。ここでは、ルーターによって配線経路が選択されるようにするか、設計者が手動で作成した経路をテンプレートとして使用するかを選択できます。配線経路のテンプレートを作成すると、配線が行われる場所を指定しながら、トレースを配線するという面倒な作業を自動インタラクティブルーターに任せることができます。 自動インタラクティブ配線では、一様な配線パターンの作成が可能 自動インタラクティブ配線では、自動配線されない
高速PCBレイアウトガイドライン 高速PCBレイアウトのガイドライン：配置のヒントと戦略 不動産業界では、「立地、立地、立地」という言葉がよく使われます。興味深いことに、高速PCBレイアウトにおいても同じことが言えます。 高速PCB設計プロセスのすべての側面が重要ですが、特に部品の配置は、簡単な配線、EMIの最小化、そして追加のレイヤーが不要になる可能性を高めるために特に重要です。標準的なPCB設計で問題なく機能する配置方法でも、高速設計の厳しい信号フロー要件を満たさない場合があります。設計が機能するためには、本当に「立地、立地、立地」がすべてです。 高速PCBレイアウトを作成する際に考慮すべきいくつかのヒントと戦略をここで紹介します。まず、高速設計における基本的な部品配置の考慮事項を見ていきます。次に、ボード上に部品を配置する前にフロアプランを作成する利点について説明します。最後に、そして決して重要性が劣るわけではありませんが、終端抵抗の配置について議論します。 高速PCBレイアウトにおける部品配置 PCBレイアウトは、多くの競合する目標を持つ難しいパズルのようなものです。しばしば、あるフォームファクターの制約や層数の目標を満たす必要があり、これらの制約やその他多くの要件を満たすように部品を配置する必要があります。 高速PCBレイアウトでは、部品は一般的に以下の方法で配置されるべきです： 回路ブロックごとにグループ化する：まず、システム内で特定のタスクを実行するコンポーネントをまとめます。例えば、電力調整に関わるすべてのコンポーネントを一緒にグループ化するべきです。 大きなプロセッサの周りにグループ化する：これらのコンポーネントは高いI/O数を持ち、グループ化された回路ブロックと直接インターフェースします。中央のプロセッサの周りに第一レベルの回路ブロックを配置し、その周りに下流のブロックを配置しようと試みてください。 ルーティングチャネルへのアクセスによってグループ化する：別のコンポーネント上の共通インターフェースにアクセスする必要がある一連のコンポーネントがある場合、これらのコンポーネントのピンが互いに向き合うように配置しようとしてください。これが常に可能というわけではありませんが、成功すれば内部層を通過したり、他のコンポーネントの周りを長いパスでルーティングする必要はありません。 下の画像では、レイアウトの最も右側に大きなMCUがあり、その周りにはピンがMCUを向いて配置された他のコンポーネントがグループ化されているのがわかります。左側にさらに進むと、コネクタ、LED、およびいくつかの受動部品などの二次コンポーネントが見えます。これらは大まかにMCUの一方の側面を向くように並べられています。これにより、MCUから左側のボード領域へ直接ルーティングすることが可能になります。 高速PCBレイアウトの例 回路の機能ブロックの配置を計画する際には、電源とグラウンドプレーンのニーズも考慮してください。通常、連続した電源プレーンの使用が好まれますが、設計のニーズにより複数の電圧用に分割された電源プレーンが必要な場合は、分割された部分をまたいで接続されたコンポーネントを配置する際に注意してください。高速伝送線は電源プレーンの分割を横切るべきではありません。それによって、これらの信号の リターンパスが途切れてしまいます。また、その回路の一部ではない他のコンポーネントを、その回路のコンポーネント間に配置することも避けてください。これもその回路のリターンパスに影響します。 部品配置における異なるコンポーネントブロック、コネクタ、その他の回路についてもう少し詳しく見てみましょう。 レイアウトのフロアプランニングによる配置準備 配置のためのフロアプランを作成することは、高速PCBレイアウトを準備する効果的な方法です。事前に計画することで、上述したようなコンポーネントのグループを考慮に入れることができ、設計の最後の段階で配置される際に驚くことがありません。 機能ブロック 電源、RF、デジタル、アナログなどの回路の機能ブロックは、信号の交差を最小限に抑えるために、グループとして整理して配置するべきです。事前配置フロアプランにより、機能ブロック間の信号フローがどのようなものか、そしてそれに最適な計画方法を把握できます。例えば、可能な限り低周波数のアナログを一緒にグループ化することで、高周波数または高速信号がアナログ回路の敏感な領域を横切る必要がなくなります。 EMIとコネクタ 高速動作するデバイスを基板の端に近づけて配置するのは避けるべきです。これは、基板の端が開いた空洞のように機能し、電磁放射が基板の端から漏れ出る可能性があるためで、これにより他のコンポーネントに影響を与える電磁干渉（EMI）が増加する可能性があります。
Altium Need Help?