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Arduino Portenta H7 は開発ボードを製品グレードに引き上げます Arduino Portenta H7 が開発ボードを製品グレードに引き上げる 1 min Thought Leadership 「Arduino」という名前を聞くと、私は通常、生産グレードのハードウェアを思い浮かべません。Arduinoの人たちを軽視しているわけではありませんが、彼らは教育や概念実証の開発ニッチ市場に見事に浸透しており、他のハードウェアプラットフォームが追いつけないほどです。Arduinoボードは、低ボリュームの機能プロトタイピングや組み込みソフトウェア開発には優れた選択です。しかし、要求の厳しい環境での生産グレードのアプリケーションについてはどうでしょうか？ 新しいArduino Portenta H7プラットフォームは、産業環境での組み込みアプリケーションを対象としています。MKRやNanoプラットフォームと比較して、このボードは開発やプロトタイピングの製品としてではなく、生産グレードのアプリケーションにより深く浸透するかもしれません。この新製品の能力と異なる組み込みアプリケーションへの適用可能性を見てみましょう。 Arduino Portenta H7の能力 Arduino Portenta H7は、STM32H747デュアルコアプロセッサ（Cortex-M7コアは480 MHz、Cortex-M4コアは200 MHz）を中心に構築されています。IoTシステムのセキュリティとプライバシーは現代の懸念事項であり、このボードには暗号化機能のためのECC608（Microchip）またはSE050C2（NXP）ICが含まれています。Portentaボードの全体的なハードウェア能力には： Arduino MKRヘッダーにはUART1、6xアナログ入力ピン、GPIO、PWM、SPI、I2C、リセット、5V、3.3V、GNDが含まれます 2 MBのオンボードSDRAM、16 MBのNORフラッシュオンボードストレージ（最大128 MBまでアップグレード可能） 10/100 Ethernet 記事を読む
PCBのグリッドシステムとPolarグリッドの活用 PCBのグリッドシステムとPolarグリッドの活用 1 min Blog 基板設計CADは汎用のグラフィックツールとは異なり、グリッドベースの編集システムが用いられています。 これは、クリアランスを保ちつつ能率良く編集を行う為に不可欠なものであり、編集作業はまず、このグリッドを設定する事から始まります。 CADが使われ始めた頃、PCBに実装される部品の主役はDIP-IC(Dual In Line Package)でした。このDIP-ICの端子間隔は100mil（2.54mm）であり、その端子間に何本のトラックを通すかでグリッドの設定値が一義的に決まり、指定された位置に部品を配置する場合以外には、切り替える必要は殆どありませんでした。 しかし、現在では高密度化や端子の多様化が進み、複雑なグリッドのマネジメントが必要になってきています。またスイッチの接点にもプリント基板が使われ、同心円上にオニジェクトを配置しなくてはならないケースも増えてきています。 Altium Designerはこの進化した現在のニーズを満たす、高度なグリッドシステムを備えています。 基本グリッドとローカルグリッド Altium Designerでは基板全域に一律にグリッドを設定するだけでなく、任意のエリアに仕様の異なるローカルグリッドを配置する事ができます。そして、ローカルグリッドは、通常の直角に交差する格子状（Cartesian）のものだけでなく、同心円状の極座標(Polar)グリッドを用いる事ができます。 ローカルグリッドは、基板回路などの実装密度が異なる回路が基板内に混在する場合や、ロータリースイッチの周囲に同心円状に部品を配置したい場合などに役立ちます。また極座標グリッドではただ単にカーソルをスナップするだけでなく、放射状に延びる座標軸の角度に合わせて部品を自動的に回転させる機能を備えています。 このローカルリッドの追加と設定は、[Properties]パネルの[Grid Manager]で行う事ができます。 極座標グリッドを使う 極座標グリッドはフットプリントエディタでも利用できます。そこで、極座標グリッドを使って、ロータリーエンコーダーのフットプリントを成ってみましたので、その手順を紹介します。 1. 極座標グリッドを配置 [Properties]パネルを表示し[Grid 記事を読む
部品配置を能率よく行う為のヒント 部品配置を能率よく行う為のヒント 1 min Blog プリント基板設計では基板外形を設定した後、ワークスペースに部品（フットプリント）を呼び出します。そして、その部品を適正な位置に再配置し、それが終われば配線を行います。 この作業の最初の工程である部品配置は、その後の配線作業を円滑に行う為に大変重要な作業です。もし、配線作業中にスペースが足りなくなった場合には、部品を動かさなくてはならず、出来上がっている配線パターンを剥がしてやり直さなくてはならなくなってしまいます。 部品配置では多くの部品の位置決めをしなくてはならない事に加え、高い完成度が求められます。そこで今回は、この手間のかかる部品配置を能率よく行う為の方法や役立つ機能を紹介します。 回路図のレイアウトを最適化 - 基板の部品配置を回路図に反映させる 基板上に部品を配置する際には、ラッツネストを頼りに配線が最短になる位置を探しますが、電源やBUSなどの長いネットを持つ部品はラッツネストだけでは判断できず、回路図を参照しなくてはなりません。このため、回路図を描く際に、基板上で互いに近付けたい部品は回路図上でも近くに置いておくと良いでしょう。バイパスコンデンサは、まとめて一か所に描くと回路図はスッキリしますが、クリチカルな箇所については対象となる電源ピンの近くに描いておきましょう。 また、信号の劣化やノイズに注意しなくてはならないRF等のアナログ回路の場合には、回路図からレイアウト上の要件を読み取ります。このような場合、回路図シンボルをフットプリントと同じピン配列で作成しておくと、基板レイアウトとの相関性が高まりより分かりやすくなります。これはアナログ最盛期によく使われた、実体配線図の考え方に似ています。 また、回路図は、1枚のシートに異なった機能ブロックを混在させず、機能ブロックごとにシートを分割すべきです。同じ回路を繰り返し使用する場合にも、単純な Copy and Paste ではなく、シートシンボルやデバイスシート、マルチチャンネルデザインを使って回路を複数化します。これにより、ルーム機能を有効に活用できるようになります。 ルームを活用する Update PCB Document...でPCBにデータを転送すると、フットプリントが呼び出され端子間の接続を示すラッツネストが表示されます。そして、そのバックには四角い箱が表示されます。この四角い箱がルームであり、回路図シートごとに部品がクループ化されています。このルームを使ってグループ移動ができますので、まず、このルームを使って大まかに配置を決めると良いでしょう。 さらに、このルーム機能は、オーディオミキサーのように回路の繰り返しが多く、基本的な配置が決められている場合には特に有用です 以下は、マルチチャンネルデザインが用いられたオーディオミキサーの例です。オーディオミキサーは、基板上に配置する部品の位置が、製品の仕様によってほぼ決まってしまいます。このため、ルームを使って規定されたエリアに部品を振り分ける事により、作業能率を飛躍的に向上させる事ができます。 ルームを利用するためのコマンド 記事を読む
GaN MMICパワーアンプ市場の展望とアプリケーション GaN MMICパワーアンプ市場の展望とアプリケーション 1 min Engineering News 次に購入するスマートフォンには、無線通信用のGaN MMICパワーアンプが搭載される可能性が高いです。かつて学術界に限定されていたものが、現在では急速に商業化されています。これらの開発はスマートフォンに限られているわけではありませんが、成長しているRFコンポーネント市場の大きな部分を占めると予想されています。自動車、航空宇宙、さらにはロボティクスにおける高周波レーダーが、GaN MMICのさらなる採用を大きく推進すると期待されています。高熱伝導率と耐圧電圧を必要とする関連分野として、GaN-SiCおよび4H-SiCアンプは、再生可能エネルギー部門での豊富な使用が期待されています。 市場データが証拠です。 Global mobile Suppliers Association (GSA)の最新の市場データによると、全ての5Gデバイスの67%以上がsub-6 GHzスペクトラムバンドをサポートしており、34%以上がmmWave無線通信をサポートしています。発表されたデバイスの27%以上がmmWaveとsub-6 GHz無線通信の両方をサポートしています。より多くのデバイスがmmWave範囲に進出し、これらの製品の冷却方法がより革新的になるにつれて、 最近の推定では、2023年までに全世界のアンプ市場の価値が16億ドルから30億ドルになるとされています。GaNは、この総市場シェアの43%を占めると予測されています。 これらのコンポーネントを取り巻く興奮が高まる中、RF、モバイル、レーダー、または電力変換の設計者であることは良い時期です。イノベーションを求めているなら、次に成長が見込まれる場所と、これらのアプリケーションにおいてGaN MMICがなぜ重要であるかを読み進めてください。 GaN MMICパワーアンプに対する興奮の理由は？ GaNは、GaAsやバルクシリコンと並んで、高電子移動度トランジスタ（HEMT）に理想的な半導体です。RFアプリケーション用のGaNとSiやGaAsとの重要な違いは、それらの材料特性を比較すると明らかになります。以下の表に簡単な比較を示します。 特性 Si GaAs 記事を読む
EMCテストに合格するための最適なEMIフィルターの種類は何ですか？ EMCテストに合格するための最適なEMIフィルターの種類は何ですか？ 1 min Blog 電気技術者 電気技術者 電気技術者 EMCテストに合格する必要があり、新製品が謎のEMI源によって機能不全に陥っている場合、製品の完全な再設計を検討し始めるかもしれません。スタックアップ、レイアウト/ルーティング、およびコンポーネントの配置は、始めるのに良い場所ですが、特定のEMI源を抑制するためにできることがさらにあるかもしれません。 設計に配置できるEMIフィルターには多くの異なるタイプがあり、適切なフィルターはさまざまな周波数範囲でEMIを抑制するのに役立ちます。これらの回路は受動型または能動型であり、異なる帯域で異なるレベルの抑制を提供します。設計に最適なEMIフィルターの選択は、基板上のスペースから必要な減衰まで、さまざまな要因に依存します。さらに、一部のフィルターは比較的広帯域です（例：オペアンプ）が、他の回路は狭い周波数範囲のみを対象とすることができます。 EMIフィルターのタイプ EMIフィルタは、受動型と能動型のフィルタに分類され、それぞれ受動部品または能動部品で構成されます。さらに詳しく言うと、これらの異なるタイプのフィルタは、共通モードノイズまたは差動モードノイズの特定のタイプを対象としています。明らかに、これらの回路は、両方のタイプのEMIをフィルタリングするためにカスケード接続することができます。EMIの問題を修正しようとしている場合、特にEMCテストに失敗した後は、フィルタリングを超えた複数の解決策を実装する必要があるかもしれません。 それぞれのカテゴリに分類される一般的なEMIフィルタのタイプを見てみましょう： 受動EMIフィルタ 差動モード受動EMIフィルタ おそらく最も一般的な受動EMIフィルタは、 フェライトチョークです。これは基本的にいくつかの寄生容量を持つインダクタで、数十MHzまでの低通フィルタリングを提供します。これらのコンポーネントは、共通モードまたは差動モードの導電EMIのフィルタリングを提供することができます。これをラップトップで読んでいる場合、電源コードが入力電力線上の高周波ノイズを除去するためにこれらのチョークの一つを使用している可能性があります。PCBを見ると、フィルタリングを提供するために使用できる他の回路がいくつかあります。 下の画像は、差動モードの受動EMIフィルタとして使用されるLC回路のコレクションを示しています。これらのフィルタ回路は、物理的には復帰経路のための単一の参照しか持たないため、差動モード回路です。ここでの例は、ベンチPSUやバッテリーのように2線式DC電圧で駆動されるデバイスです。ただし、近くに浮遊または接地されたシャーシが存在するかもしれませんが、下の回路では、直接電流を導くことはなく、システムの残りの部分から完全に隔離されています。 これらのフィルタの中で最も単純なものは、Cフィルタ（シャントコンデンサとして接続される）とLフィルタ（直列インダクタとして接続される）です。これらは、広い周波数範囲でノイズを除去するために、重要な回路や重要なコンポーネントの入力に配置することができます。より複雑な構成は下の画像に示されています。PiフィルタとTフィルタに関しては、それぞれ低および高のソース/負荷インピーダンスで最も効果的です。 希望の信号を特定のコンポーネントに通過させつつ、他の全ての周波数を抑制したい場合は、バンドパスフィルタを構築する必要があります。同様に、アンテナからの漂遊放射のような、単一周波数での強い信号を抑制したい場合は、バンドストップフィルタが必要になります。回路内のL/C要素の数がフィルタの数を決定することに注意してください。より高次（つまり、カスケード）のフィルタを構築すると、通過帯域の外側でより急なロールオフが得られます。 共通モード受動EMIフィルタ 上記のEMIフィルタは、追加の参照導体を導入することで共通モードフィルタとして構築できます。よく知られているように、共通モード電流は、シャーシ内の金属や何らかの外部導体（つまり、グラウンドループを介して）への寄生容量によって誘導されます。共通モード電流は、その電源線を介してシステムに入ることもあります。例えば、スイッチングDC電源の出力やACメインからです。 共通モードノイズに対処するために、差動線上で使用できる3つの潜在的なオプションがあります： 直列に高インピーダンス要素を使用すること、すなわちコモンモードチョークを使用する システムの基準（通常はシャーシまたは地球に戻る）に対して低インピーダンスのシャント要素を使用する 容量性結合を排除するためにレイアウトを変更する 下の画像は、ポイント1と2を満たした配置を示しています。下のEMIフィルタ回路は、ACメイン入力または2線式DC入力（+VおよびDCコモン）に適用され、シャーシに接続する接地線が含まれています。この回路には、コモンモードチョークと、コンデンサのペアを介したローパスフィルタの2つの別々の要素が含まれています。 アクティブEMIフィルタ 記事を読む
PCB 対 マルチチップモジュール、チップレット、シリコン・インターコネクト・ファブリック PCB 対 マルチチップモジュール、チップレット、シリコン・インターコネクト・ファブリック（2023年更新） 1 min Engineering News 2019年9月号のIEEE Spectrum誌の記事では、マルチチップモジュールや高度なパッケージ上でチップレットを接続する方法であるシリコンインターコネクトファブリックが、特にマザーボードにおいて、PCBや大型のSoCを多くのアプリケーションで不要にすると主張されました。 しかし2023年になっても、まだPCBを手放した人はいないようです。PCBへの需要は以前と変わらず強く、二桁のCAGRで成長すると予測されています。これは、 UHDIボードや 基板のようなPCBなど、高度なタイプのPCBの成長が期待されているにもかかわらずです。 その2019年のIEEE Spectrumの記事は、過去数十年にわたって少なくとも3回目の「PCBの終焉」が主張されたものでした。マルチチップモジュールは1970年代のIBMのバブルメモリにさかのぼりますが、半導体ダイにボンディングバンプアウトをモジュールに組み込むためのフットプリントを構築できる限り、標準のPCB設計ソフトウェアを使用してこれらを設計することもできます。流行語を取り除き、マルチチップモジュールを主流に導入する際の課題を分析すると、PCBと集積回路の将来の関係がどのように見えるかがより明確になります。 高度なパッケージ、チップレット、シリコンインターコネクトファブリック アメリカとヨーロッパの電子製造の話題が先進的なパッケージングと地元の半導体生産に移行している今、より多くの企業がチップ設計業務を内製化しています。これは、パッケージングがこれらの設計チームの領域になることを意味し、PCB設計者は異種統合チップやモジュールを含む先進的なパッケージングレイアウトを解決するスキルを持つグループです。 シリコンインターコネクトファブリックは、超大型システムのための先進パッケージ内で異種統合をサポートするインターコネクトプラットフォームとして意図されていました。このパッケージング方法では、未パッケージのダイが非常に細かい垂直インターコネクトピッチ（2から10ミクロン）でSiウェハーに直接取り付けられます。ダイ間の間隔は100ミクロンを目指し、ダイ間の非常に短いインターコネクトを実現します。このパッケージは、ダイを垂直に積み重ねて単一のモジュールにする3D統合もサポートすることを意図しています。 シリコンインターコネクトファブリックの構造。[出典: UCLA CHIPS] このファブリックは、従来のインターポーザ、パッケージ、およびPCBを置き換えることを目的としています。偏見を持っていると言われるかもしれませんが、現在のコンポーネント製造および配布の構造を考えると、このようなパッケージング方法がPCBを置き換えるとは思えません。これは、インターポーザやパッケージ基板に配置できる構造のように見えますが、PCBの卸売りの代替品にはならないでしょう。この構造は、本質的にシリコンウェハ上での2.5D統合または3D統合を可能にするため、このように言います。 設計階層でパッケージングはどこまで到達する必要があり、これらのデバイスが電子機器を構築する標準的な方法としてPCBをいつか置き換えることがあるのでしょうか？現実には、異種コンポーネントを相互接続するために使用されるパッケージング方法は、最高レベルのパッケージングソリューションとしてPCBを置き換えることを意図していません。PCBのオフ・ザ・シェルフコンポーネントによって提供されるモジュラリティは、エンジニアが必要とする重要な価値と柔軟性を提供します。オフ・ザ・シェルフの集積回路がチップレットとしても利用可能になるまで、シリコンインターコネクトファブリックのような技術はPCBを完全に置き換える希望がありません。 私がパッケージとプリント基板を完全に新しいインターコネクトアーキテクチャに置き換えることについて懐疑的であったにもかかわらず、シリコンインターコネクトファブリックベースのシステムに関する追加研究が行われています。パッケージング技術として、シリコンインターコネクトファブリックベースのシステムは、従来のパッケージングや高度なPCBと同様の課題に直面しています。特に、 電力供給、電力安定性、およびファブリックに組み込まれたキャパシタンスの問題があります。これらのトピックに関する最近の論文を以下に示します。 Safari, Yousef, Anja 記事を読む
デカップリングコンデンサとバイパス配置ガイドライン デカップリングコンデンサとバイパス配置ガイドライン 1 min Thought Leadership 電力整合性の問題は通常、電源の観点から見られますが、ICからの出力を見ることも同じくらい重要です。デカップリングおよびバイパスコンデンサは、PDN上で見られる電力変動を補償することを目的としており、信号レベルが一貫しており、ICの電源/グラウンドピンで一定の電圧が見られることを保証します。次のPCBでこれらのコンポーネントを成功裏に使用するための重要なバイパスおよびデカップリングコンデンサ設計ガイドラインをいくつかまとめました。このブログでは、バイパスコンデンサとデカップリングコンデンサの違いについて取り上げます。 2つの関連する電力整合性の問題 デカップリングキャパシタとバイパスキャパシタは、異なる2つの電力整合性問題を解決するために使用されます。これらの電力整合性問題は関連していますが、異なる方法で現れます。最初に指摘すべき点は、「デカップリングキャパシタ」と「バイパスキャパシタ」という用語が電力整合性に使用される場合、それらは誤称であり、何もデカップルまたはバイパスしません。また、ノイズを地面に渡すわけでもありません。単に時間をかけて充電および放電し、ノイズの変動に対応します。これらの用語は、電力整合性戦略の一部としてこれらのキャパシタの機能を指します。 まず、デカップリングコンデンサを考慮しましょう。PCBデカップリングコンデンサの配置の目的は、低周波の電源ノイズ、 PDN上のリンギング、およびPDN上のその他の電圧変動に対して、電源レール/プレーンとグラウンドプレーン間の電圧が一定に保たれるようにすることと一般に言われています。電源とグラウンドプレーンの間に配置されたデカップリングコンデンサは、プレーンと並列になり、これにより全体のPDN容量が増加します。実際には、 インタープレーン容量が不足していることを補い、PDNインピーダンスを減少させるため、PDN電圧のリンギングが最小限に抑えられます。 バイパスコンデンサについて考えてみましょう。これらもPDNと駆動IC内で一定の電圧を維持することを目的としていますが、補償する電圧は出力ピンとPCBのグラウンドプレーンの間の電圧です。電源供給ピンとICのグラウンド接続の間に配置されていますが、異なる機能を果たします。それは、キャパシタからグラウンドへのバウンスを抑制することです。デジタルICがスイッチすると、ボンドワイヤー、パッケージ、ピンの寄生インダクタンスが原因で、ドライバーの出力とグラウンドの間の電圧が増加します。バイパスコンデンサは、グラウンドバウンス電圧とは反対の電圧を出力し、理想的には総電圧変動がゼロになるようにします。 上記のモデルでは、バイパスコンデンサ（CB）とICパッケージ/グラウンド接続上の漂遊インダクタンスL1を含む閉ループがあります。出力ピンとグラウンドプレーンの間で測定される グラウンドバウンス電圧 V(GB)に注目してください。残りのインダクタンスはすべて寄生成分であり、バイパスコンデンサの応答時間に影響を与え、グラウンドバウンスを補償します。理想的なモデルでは、バイパスコンデンサによって見られる電圧は、スイッチング中に漂遊インダクタンスL1によって生成されるグラウンドバウンス電圧を補償します。 バイパスコンデンサの配置ガイドライン キャパシタからグラウンドへのバウンスが発生する仕組みを見れば、 バイパスキャパシタをどこに配置するかは明らかでしょう。上記の回路モデルにおける寄生インダクタンスのため、バイパスキャパシタは電源ピンとグラウンドピンにできるだけ近く配置する必要があります。これは、多くのアプリケーションノートやコンポーネントのデータシートで見つかるアドバイスと一致しています。 寄生インダクタンスに関連するもう一つの考慮事項は、ICへの接続がどのようにルーティングされるかです。キャパシタからICピンへ短いトレースをルーティングするのではなく、キャパシタをビアを通じて直接グラウンドプレーンと電源プレーンに接続するべきです。 パッドとトレースの間隔要件をこの配置で守ることを確認してください。 なぜこのような配置が必要なのでしょうか？その理由は、グラウンド/パワープレーンの配置（プレーンが隣接する層にある限り）は非常に低い寄生インダクタンスを持つからです。実際、これはボード内で最も低い寄生インダクタンスの源です。ボードの裏側にバイパスコンデンサを配置できる場合、より良い配置を実現できるかもしれません。 デカップリングコンデンサの設計ガイドライン PDNで必要な PCBデカップリングキャパシタのサイズを決定した後、入力電圧の変動を補償できるように、どこかに配置する必要があります。実際には、複数を使用するのが最善で、並列に配置され、並列配置により有効な直列インダクタンスが低くなります。 古いガイドラインでは、基板上のどこにでも配置できるとされていました。しかし、これには注意が必要です。なぜなら、デカップリングキャパシタとターゲットICの間の寄生インダクタンスが増加し、PDNのインピーダンスとEMIへの感受性が高まる可能性があるからです。代わりに、エッジレートが速いICの場合、ターゲットICに近づけて配置するべきです。下の画像は、ICの近くに配置された典型的なバイパスおよびデカップリングキャパシタの配置を示しています。これは、キャパシタとICの間の寄生インダクタンスが非常に低いため、高速回路にとって最適な配置の一つです。 記事を読む