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自動車レーダーや5G用途の高周波回路向けPCB設計ガイドライン 自動車レーダーや5G用途の高周波回路向けPCB設計ガイドライン 1 min Thought Leadership 今朝、通りを歩いていて、非常に奇妙な光景を見ました。長くもつれた磁気VHSテープが、風に運ばれ、道を転がっていたのです。私は、ビデオレンタル店や巻き戻し機といった素朴な時代に連れ戻されました。もし、あの巻き戻し機を速いと思っていたならば、今日の電子回路の大躍進には、目が回るでしょう。基板設計における最新の進化の1つは、5Gネットワークおよび先進運転支援システム（ADAS）対応自動車という、2つの新しいテクノロジーによって促されています。これらのテクノロジーは両方とも、基板設計者によって長い間、恐れられてきた、極高周波（EHF）帯域を使用します。自分の基板が、ベータマックスや大型ラジカセと同じ運命をたどらないよう、高周波の未来に備えるのがよいでしょう。 これとお別れできてよかった ミリ波を使用する理由 RFやマイクロ波の周波数が十分でないからといって、EHF帯域に移ろうとしているのは、なぜでしょう? 5GとADASレーダーという2つの進歩が、より高い周波数への移行を迫っているからです。 5G - 電気通信企業は、今日の4G/LTEの速度や待ち時間から、より速く明るい未来の5Gへと移行しようとしています。現在の移動体通信ネットワークでは、ダウンロード速度は、 数十メガビット/秒、待ち時間は 約70ミリ秒>です。5Gでは大きく飛躍し、 ダウンロードは最大10Gbps、待ち時間は10ミリ秒未満になります。この全てが可能なのは、5GがEHF帯域で動作するからです。周波数帯域幅が広いほど、待ち時間は短く、周波数が高いほど、データ転送速度は速くなります。業界では、5Gの実装開始を2018年頃と予想しています。その時には、ミリメートル（mm）波長信号を扱う準備ができている必要があります。 ADASレーダー - ADAS対応車向けレーダーは、開発済みの技術です。衝突検出レーダーは、30GHz未満で動作していましたが、最近、規格が 77GHzまで上がりました。メーカーが製造する ADAS機能付き自動車が増える>につれて、通りを 走るレーダーシステムが増えると予想できます。何らかの種類の自動車レーダーを扱う基板を設計したい場合、EHF信号を扱う準備をしておくべきです。 これらの技術が両方とも成長するにつれて、その動作周波数を扱う方法について、ますます知る必要ができてきます。急速に変わる基板設計環境に対処するため、ここでは、材料と設計のガイドラインを示します。 材料のガイドライン 実は、高周波基板に使用する 記事を読む
設計要件に対して最適なIoTプロトコルの選択 設計要件に対して最適なIoTプロトコルの選択 1 min Thought Leadership IoT製品設計は、新しいノートパソコンの購入と似ている部分があります。速度、コスト、機能、相互運用性など多くの要素を検討する必要があります。最終的には、これらの要素のうち1つまたは2つを特に重視し、他の要素を可能な限り最適化することになります。私の場合、何年にもわたってLinuxコンピューターだけを使用してきましたが、Microsoftファイルの共有が必要になったとき、相互運用性の制約は厳しいものでした。最終的に私は妥協し、コンピューターをWindowsとのデュアルブートに設定しました。 オープンソースでも独自のものでも、ほとんどのシステムにおいて相互運用性は重要です IoT製品の相互運用性についての質問は、使用する通信プロトコルに依存します。これは、ほとんどの製品は別のプロトコルを使用してシステムと通信できないためです。選択するプロトコルは、ハードウェアにも影響を及ぼします。例えば、伝送距離によってシステムで利用可能な IoTモジュール、電力要件、 ネットワーク構成が決まります。 プロトコルの選択方針 選択可能なプロトコルは膨大な数にのぼります。新しいバージョンが 毎年誕生し、グループは既存の オプションの統合を試みています。自分の製品に最適なプロトコルは、どのように決定すればいいのでしょうか? 国際的な標準を策定しようとすることは、それ自体が混乱を、絵文字についてさえも引き起こします。 検討の必要があるすべてのオプションにストレスを与える前に、いくつかの助言を行いたいと思います。これは正直なところ、私自身が最初のIoT設計を行う前に 読んでいればよかったと思うものです。「結局のところ、 それを使わないこと自体が間違いであると言えるほど浸透している、または重要である標準は存在しません」（テキストの強調は私が加えたものです）。 1. 優先度の特定 IoT Centralが開発者の動向について行った 2017年の調査によれば、IoTについて最も重要な懸念はセキュリティと相互運用性です。セキュリティは、 物理的なPCBから ユーザーデータの保存まで、製品設計のあらゆるレベルで対処が必要です。相互運用性はもう少しだけ簡単です。適切なプロトコルを選択することで、自分の製品が属するIoTエコシステムを最大化することが可能です。 記事を読む
低消費電力広域ネットワークによりIoTシステムで何が可能になるか 低消費電力広域ネットワークによりIoTシステムで何が可能になるか 1 min Thought Leadership 土木エンジニアが好きで、電気エンジニアが嫌いなものは何でしょうか? 答はコンクリートです。私たちの物理的な世界の基盤であるコンクリートは、多くの場合に私たちのデジタル世界の基盤である電気信号の混乱の原因となります。立体駐車場、ショッピングモール、地下構造物はすべて、信号適用範囲の低下という問題を抱えています。いずれかの種類の窓やリピーターを使用しなければ、これらの部分で良好な適用範囲が得られることは稀です。モノのインターネット（IoT）がこのような場所への展開を目指すときも、これらの点が問題になります。このような場合に役に立つのが低消費電力広域ネットワーク（LPWAN）です。LPWANを使用すると、IoTデバイスの適用範囲と電力の問題を解決できます。さらに、低消費電力の分散サービスのオプションが可能となり、IoTに革新的な変化をもたらす可能性もあります。 LPWANとは何か LPWANの概要は、その名前が示すとおりです。LPWANは低消費電力のデバイスを対象として、広い範囲を適用するためのネットワークです。明確にしておくと、LPWANは基準ではなく、単なる記述です。現在、または過去において、 LPWANを提供するさまざまな企業が各種の 異なるテクノロジーを使用してきました。これらのシステムに共通の必要条件は、「広い範囲」（ 通常は2km以上）をカバーし、低消費電力のデバイスに対応することです。市場への普及を目指すには、低価格であるという条件も加わります。 大きな複合施設やビルディングの施設監視など分散した配置を可能にするため、広い範囲をカバーする必要があります。LPWANシステムは本質的に集中化していないため、多くのセンサーやデバイスを購入する必要があります。これらのコストが加算されることから、LPWANが成功するには、製品が安価な必要があります。LPWANのほとんどのセンサーやデバイスは、バッテリーで何年も動作する必要があります（標準は10年のようです）。つまり、センサーが低消費電力で、LPWANも低消費電力のネットワークソリューションを使用する必要があります。低消費電力ネットワークの唯一の欠点は、データ転送速度が低下することです。その結果、ほとんどのLPWANは処理能力の低いアプリケーションに適してます。 LPWAN市場は驚異的な速度で成長しつつあり、 2025年には40億台のデバイスが接続されると予測されています。この成長機運から激しい競争が引き起こされ、電気通信業界まで波及しています。 LPWANではないもの セルネットワークは現在のところ、LPWANとはみなされていません。しかし、セル事業者が この市場へ参入を試みることにより、情勢は変化する可能性があります。テレコムには既に巨大なインフラストラクチャが存在し、それによってネットワークを簡単に稼動できます。セルのもう1つの利点は、企業のビジネスモデルの関係で、LPWANシステムを安価に販売できることです。これらの企業はハードウェアではなく契約で利益を上げます。このモデルは、これらの企業が可能な限り多くのシステムを低価格で販売するための動機付けとなります。既に述べたように、LPWANは低価格であることが重要です。これらの事業者が抱える唯一の問題は低消費電力の要件です。現在の携帯電話アンテナは消費電力が多すぎるため、多くのLPWANアプリケーションにおいて有用ではありません。しかし、テレコムが 低消費電力のソリューションの開発に投資を行っているため、この状況も変化しつつあります。 この状況は、ライセンス不要の周波数帯を運用しているLPWAN企業にとって、どのような影響を及ぼすでしょうか?まず、これらの企業は間もなく、ライセンスされている帯域で莫大な資金を持つ通信事業者と競合することになるでしょう。 5Gはセルプロバイダーの次のLPWANソリューションになると予測されます。 現在のLPWAN IoTアプリケーション それでは、LPWANはIoTとどのような関わりがあるのでしょうか? 個別のIoTデバイスは既に 記事を読む
オーバー・ザ・エア接続による迅速な更新、しかし新たなセキュリティ課題も オーバー・ザ・エア接続による迅速な更新、しかし新たなセキュリティ課題が生じる 1 min Blog 車両システムのコンピュータ化が加速するにつれて、制御ファームウェアの更新とセキュリティの確保は自動車メーカーにとって新たな責任となりました。オーバーザエア接続により、特にセキュリティホールを閉じる重要なパッチを、ユーザーの介入なしに何千台もの車に静かにプッシュすることができます。ただし、オーバーザエアソリューションは二刃の剣であることを認識することが重要です。適切に実装されていない場合、車両のハードウェアシステムが攻撃にさらされる可能性があります。アップデートシステム自体が安全であることはもちろん、使用される設計アプローチが本質的に回復力があることを確実にすることが絶対に重要です。 想像してみてください。あなたが車を運転しているところを。それはあなたがちょうど買ったばかりの新型車で、今のところあなたはそれをとても気に入っています。高速道路を通勤中、ステレオからはお気に入りの音楽が流れ、エアコンの温度もちょうど良い。突然、ステレオが消えます。おかしいな、と思います。ボタンを押してしまったのでしょうか。それからエアコンが止まり、ベントからは熱風が全力で吹き出します。一体何が起こっているのでしょうか？調べているうちに、急にブレーキが全力で効きます。後ろの車が激しくクラクションを鳴らし、ギリギリで追突を避けます。恐怖に震えながら、あなたは何とか路肩に寄せることに成功します。しかし、あなたの車がなぜこんな反乱を起こしたのか、どうしても理解できません。自動車メーカーにとっては、公共の関係上の災難です。 誰もが最悪の悪夢、自分が乗っている車が外部から乗っ取られることです！ 避けられる問題 この神経を逆なでする状況は、遠い話のように思えるかもしれませんが、一群のコンピューターハッカーがそれが全く可能であることを示しました。 ワイヤードマガジン によって文書化されたように、新型ジープ・チェロキーの主要システムのほとんどが遠隔で制御可能でした。SUVの「UConnect」システムにある脆弱性が、フィアット・クライスラー・オートモービルズの全ラインナップに共有され、システムの内蔵セル接続を介したインターネットベースの攻撃を可能にしました。チェロキーのほぼすべての機能が電子的に制御されているため、2トンの車両が栄光のRCおもちゃに変わりました。ハッキング実験を知った後、フィアット・クライスラーは大きな費用をかけて140万台の同様の装備を持つ車を リコールすることを余儀なくされました。しかし、この騒動は、オーバー・ザ・エアアップデートを使用することで簡単に解決できたかもしれません。 解決策：オーバー・ザ・エアアップデート 車両システムのコンピュータ化が加速するにつれて、制御ファームウェアの更新とセキュリティの確保は自動車メーカーにとって新たな責任となりました。オーバーザエア接続により、特にセキュリティの穴を塞ぐ重要なパッチを、ユーザーの介入なしに数千台の車に静かに配信できます。ただし、オーバーザエアソリューションは二刃の剣であることを認識することが重要です。適切に実装されていない場合、車両のハードウェアシステムが攻撃にさらされる可能性があります。更新システム自体が安全であるだけでなく、使用される設計アプローチが本質的に回復力があることを確実にすることが絶対に重要です。 オーバーザエア更新のベストプラクティスはまだ進化していますが、簡単にまとめることができます：物事を分離してください。重要な車両システムに追加されるレイヤー、難読化、サンドボックスが多ければ多いほど良いです。実際には、これはエンジン制御ユニットやコントローラエリアネットワークなどのターゲット資産を、インフォテインメントおよび電話ハードウェアからファイアウォールで保護し、別々に更新することを意味します。統合設計アプローチのコスト削減の利点は魅力的ですが、層別化されたアプローチははるかに回復力があります。 組み込みハードウェアの設計者は、 業界標準のオペレーティングシステムを実行する既製のソリューションをより多く使用することも検討すべきです。これにより開発コストを抑えることができるだけでなく、社内でのアプローチではセキュリティ上の潜在的な問題に十分な注意を払えないかもしれません。最終的に、絶対的なセキュリティを確保するためには、最も重要なシステムをオーバーザエア更新プログラムの外に置くことを検討してください。例えば、マスターECUやエアバッグコントローラーは、ディーラー訪問や技術サービス情報で更新できます。 OTAアップデートを完全に安全にすることはまだ進行中の作業です 妥協せずにセキュリティを確保する：オーバーザエアマネージャー 最後のポイントは逃げのように思えるかもしれませんが、そうである必要はありません。すべての車両システムを安全に更新し続けることは可能ですが、新しいアプローチを通じて少し考え方を変えることが求められます。独立したオーバーザエアマネージャー、またはアップデートを担当する軽量コンピューターを使用することで最大限のセキュリティを確保できます。このユニットは、実際の通信機器から重要なシステムをファイアウォールで保護し、入ってくるファームウェアアップデートの「パスポートコントロール」として機能します。 組み込みの暗号化/復号化または暗号チェッカーを使用して、オーバーザエアマネージャーは更新ファイルの真正性を確認します。ファームウェアが改ざんされているか偽物である場合、オーバーザエアマネージャーはそのファイルを拒否します。TLSなどの通信セキュリティと併用することで、このシステムは理論上万全です。重要なハードウェア制御は隔離されたままであり、ファームウェアの更新を心配することなく配布できます。 自動車メーカーは、現代の車両システムが生み出す新たな責任とセキュリティの役割に徐々に対応しています。一見すると、安全で堅牢なソリューションは、開発者により高いコストとオーバーヘッドを強いるように思えるかもしれません。しかし、そうである必要はありません。Altium TASKING®のような現代のセキュリティ意識の高い開発ツールを使用することで、高いレベルの回復力を持つことが頭痛の種になることはありません。組み込みシステム用の統合開発環境を提供し、自動車アプリケーションのユニークなニーズを念頭に置いて設計されています。 MISRA 記事を読む
組み込みシステムで、機構設計と3DモデリングをPCB設計に活用 組み込みシステムで、機構設計と3DモデリングをPCB設計に活用 1 min Blog 大学時代、私たち電気エンジニア（EE）は機構エンジニア（ME）を常に見下していました。私たちの学科には、「たくましい男のためのショック」と私たちが呼ぶ、ME向けの電気工学の入門クラスがありました（機械の連中が私たちにとって「たくましい男」であったのは少し残念ですが）。電気工学と機械工学のライバル関係は卒業後もしばしば継続し、組み込みシステムの領域でも展開されています。組み込みシステム市場は、年々、より大きく複雑なものに成長し続けています。今こそ私たち電気エンジニアは謙虚になり、機構エンジニアと協力して設計プロセスを強化するときです。また、現在と将来の設計のために、私たち電気エンジニアは機構エンジニアの3Dモデリング手法を学ぶ必要があります。 組み込みシステム: 成長しつつある市場 組み込みシステム分野は最初に考案されて以来、成長を続けています。この成長は、モノのインターネット（IoT）の出現と先進運転支援システム（ADAS）を備えた車の増加で今も加速されつつあります。 組み込みシステム市場は、2014年に約1310億ドルに達し、 2020年には2140億ドルまで成長することが期待されています。複合年間成長率（CAGR）は6.3%とまずまずです。この上げ潮を利用するならIoTは参入するのにすばらしい産業です。 IoTデバイスは、至るところに存在するようになり、組み込みシステムのための巨大市場を代表しています（靴下のような 馬鹿げた IoTデバイスのPCBだけは設計しないようにする必要があります）。 自動車産業は組み込みシステム成長のもう1つの要因です。先進運転支援システム（ADAS）は 多くの自動車に組み込まれつつあり、米国と欧州では2020年までに必須になります。残念なことに、車載向けにPCBを設計する場合、車を設計するような下品な機械エンジニアに迎合する必要があります。車載アプリケーションには 小さいフレキシブル基板が必須なため、この市場に参入しようとする前に電気エンジニアの 高度な設計手法を磨き直す必要があります。 PCBが角氷に組み込まれるのかどうかは、事前に知っておく必要があります。 機構アプリケーションのための電気設計 機構エンジニアと電気エンジニアの関係とは異なり、IoTとADASは組み込みシステムにおいて共通の領域を見出しています。どちらのアプリケーション向けにも、PCBは機構的制約を考慮して設計する必要があります。つまり、電気エンジニアがより大きな人間になり、何らかの機構的技法を使って設計プロセスを強化する必要があるということです。プロセスの強化は以下の2点のように見えます。より少数のエンジニアとより緊密に連携すること、および設計ツールを占有することです。 現在、機構エンジニアとの意思疎通は、設計変更指示（ECO）の電子メールに返答して、怒ったり怒られたりに終始しているかもしれません。争いは人生の一部とはいえ、そろそろ言い争いはほどほどにする時です。組み込みシステムを平和の架け橋にしましょう。機構エンジニアは力学、熱力学、流体力学などについて多少は知っています。見たところ、機構エンジニアが学ぶものは全て力学のようです。幸い、機構エンジニアが、基板に加わる力、温度差、液体侵入に関する情報を電気エンジニアに与えるのにすばらしい人格を必要とするわけではありません。組み込みシステムの基板がこれらの問題を抱えているのは確かです。IoTは、持ち運ばれ、落とされ、幅広い温度にさらされる小さなデバイスに基板を詰め込んでいます。自動車は、でこぼこ道、エンジンの熱、その他の不安要素で、もっと不利な環境です。設計プロセスの最初にMEと協力することは、後々のECOの数を減らし、機構環境に適した基板を設計できることを意味します。 私は、電気エンジニアは多くの 新しいことを学ぶべきであると言ってきましたが、そのリストに3Dモデリングを追加する必要があります。基板がどのような機構的要因にさらされるかを知るだけでは不十分です。全ての外部要因に対して理想的な基板を設計したとしても、「筐体に収まるかどうか」については確信を持てないでしょう。小さな奇妙な形の筐体を設計したMEを結局はののしるだけのような設計を電気エンジニアは何度片付けたことでしょう。電子部品がぎっしり詰まった IoTフォークや車などでは、空間が重要です。高額な費用のかかるプロトタイプを作成する前に、実際に基板が収まるかどうかを自分の手で確認すべきです。新しい最先端PCB設計ソフトウェアは、電気エンジニアのために 記事を読む
EMIシールドとしての缶の使用について EMIシールドとしての缶の使用について 1 min Blog シールドしているコンポーネントから十分なクリアランスを確保してください。 PCB設計の正常な機能のためには、電磁干渉を防ぐことが重要です。良い設計実践に加えて、シールド缶も敏感なコンポーネントを隔離するために使用できます。 「オペレーション」というゲームをしたことがありますか？奇妙な見た目の体から小さなピースを、スロットの端に触れずに取り出さなければならないゲームです。端に触れると、恐ろしいブザーが鳴り、失敗がみんなに知らされました。 それ以来、私が務めたすべてのエンジニアリングおよびITの仕事で、私は「PCBオペレーション」（電気エンジニアのためのオペレーション）の指定「外科医」でした。しかし、このゲームにはブザーはありません。モジュール、基板、または狭いケーシングから間違って取り除かれた場合、コンポーネントが故障するだけです。 プロトタイプ製品の一つで、落下した部品を回収できる能力が特に重要でした。特にESD（静電気放電）に敏感な部品に偶然触れた際、現場での設置作業中に約3分の1の基板を失っていました。小さな指なら、プリント基板を端だけ持ってケーシングに滑り込ませることができますが、通常サイズの手では無理で、常に部品にぶつかってしまいました。次のバージョンではEMI（電磁干渉）を減らす作業を行っており、これらの部品の上にカンを設置しました。これは偶然にも基板を不注意な指から守ることにもなりました。 ESDシールドはPCBのEMIシールドとは異なるため、基板に保護シールドを追加した際に一石二鳥を得られたのは非常に幸運でした。プリント基板を保護するには、基板レベルのシールドと 認証テストを計画する際に、カン電子シールドがどのように機能するかを理解することが重要です。 カンとは何か？ EMIカンシールドやその他のEMIシールドは、部品を探す場所によってカン、ケージ、カバー、または蓋と呼ばれることもあります。これらは基本的に金属製の箱で、プリント回路基板に取り付けられ、表面の回路の一部を囲むように設計されています。 RFキャンシールドは、基板レベルのシールドを提供するための金属製の筐体です。 使用する金属は、アプリケーションと支払う価格によって異なります。製品に適した材料を確実に入手できるよう、メーカーに直接相談することをお勧めします。通常の選択肢は次のとおりです： 鋼：スズまたは亜鉛メッキ鋼、ステンレス鋼 アルミニウム：通常はスズメッキアルミニウム 真鍮 銅合金：特に銅ベリリウムが ニッケル 銀 スズメッキプラスチック キャンの金属製の筐体は、カバーされた領域への電磁干渉やEMI放射の侵入または放出を防ぎます。多くのキャンシールドには、熱管理に役立つ金属の穴のグリッドがありながらも、コンポーネント上に導電性のカバーを提供するシールド効果を維持しています。 理想的なシールドは、コンポーネントを完全に包み込むものです。残念ながら、それでは入出力や電源と接地のための選択肢が残されませんので、キャンにはいくらかの電磁リークが発生します。必要に応じて、EMIガスケット、メッシュ、フィルムなどの追加のシールドでキャンを補完することができます。 記事を読む
電源解析が効果的なPCB設計に不可欠な理由 電源解析が効果的なPCB設計に不可欠な理由 1 min Thought Leadership この焦げる臭いは何でしょう? 自分の試作でないことを願います。 以前、愚かにも木工をやってみようと決心したことがあります。ロッキングチェアのように、何か簡単なものから始めようと考えました。構造や静力学に関する限られた知識を使って、座った途端にばらばらに壊れる椅子を作るのに成功しました。使用したYouTubeのチュートリアルでは、座ると椅子が崩壊する部分には触れていませんでした。普通は、何か作ったら、物理的にテストする前にその道のエキスパートに見てもらうのが良いのでしょう。同じことがPCB設計にも言えます。たとえ優れた設計者であっても、電源のエキスパートであるとは限りません。アルティウムの電源解析ツール PDN Analyzer ご利用のパーソナルコンピュータに、電力のプロが持つ知識を全て提供してくれます。優れた電源解析プログラムでは、発火する試作にお金を使う前に、電流密度、温度の問題、電圧降下をチェックできます。 電流密度と温度 私は、ロッキングチェアを作るとき、支柱の幅を決めるのに、古い「じっと見る」方法を採用しました。そして、その方法では尻もちをつくことが判明しました。PCBのトレースを設計するときにも、同様の方法を採用できます。見て良さそうな幅を選択して配置すると、何がまずいのでしょう? 基板が焼けるかもしれません。電源プレーンがスイスチーズのように見えたり、ビアの負荷が大きすぎると、電流密度や温度が高くなります。電力消費が多い集積回路（IC）を使うと、PCBで発熱が増える場合があります。 電源プレーン: 製品を「過剰に設計」したいとは思いませんが、銅箔のことになると誰も気にかけません。問題が発生するのは、電源プレーンを追加しすぎた場合のみです。とは言っても、設計がますます小さくなる中、電源プレーンは、しばしばサイズが小さくなったり、奇妙な形に変わったります。電源プレーンが小さくなると、 過度の電流密度でボトルネック ができる場合があります。 ビア: ビアも重要です。 ビアの設計で EMIを減らすのに忙しすぎて、ビアが電流にどう関連するかを考えることができません。しかし、ビアは、PCB上に電流を充満させる場合があります。電流密度が高いと高温になり、時にはトレースを溶かすほど高温になることを思い出してください。 IC : 食べ過ぎると、普通の椅子でも重量制限を超える場合があります。新しいICは、多くの電流を消費し、公称トレースの限界を超える場合があります。最近の電子機器は、ますます高速のICを必要としており、より多くの電力を消費します。試作から煙が出始めるまで、どれほどの電流を取り込んでいるか考えないかもしれませんが。 記事を読む