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デザインバリアントの操作 デザインバリアントの操作 1 min Blog はじめに 多様性は人生のスパイスだとよく言われます。それはPCB設計においても同じことが言えます。驚くかもしれませんが、多くの企業が「利益」というものを追求してビジネスを行っています（皮肉な声で言っています）。利益が扉を開け、人々を雇用している理由であることは全く理解できます。彼らが利益を向上させる重要な方法の一つは、顧客に提供できる製品ラインの多様性を持つことです。しかし、複数の製品を開発を通じて導入することは、どの会社にとっても非常にコストがかかります。したがって、これらの製品ラインを設計バリアントとして開発するとき、莫大な節約を実現できます。一つのPCB設計において、組み立てのバリエーションを開発します。この方法により、企業は「より多くの利益を少ない投資で」得ることができます。製品開発にかかる費用を抑えつつ、利益を増やすことができます。しかし、設計バリアントを扱う際には、特に注意を払うべきいくつかの領域があり、このブログで（一部）取り上げることになります。 設計バリアントとは何か？ デザインバリアントの概念は、単一のPCBデザインを取り、組み立て側で、特定のコンポーネントを変更することを意味します。具体的には、インストールしない、または代替コンポーネントを選択して特定の組み立てに取り付け、最終的に異なるエンド製品を作成します。素晴らしい例を挙げましょう：異なるメモリサイズのDRAMを使用するPCBデザインがあります。その方法では、複数の製品ラインをサポートできます。 考えるべきポイント PCBバリアントというものは存在しません。PCBは変更できません。代替バリアントコンポーネントを扱う際には、特定のコンポーネントが「ドロップイン」交換品である必要はないことを知っておくことが重要です。しかし、それは大きな警告を伴い、物理的にも電気的にも、すべてのコンポーネントシナリオに備えるための計画が少し必要です。物理的には、先ほどのDRAMの例で、市場は4Mb（256KX16）から64Gb（2G X 32）まで、合計112種類の異なるメモリサイズを、合計186種類の異なる物理的フットプリントを使用して提供しています。したがって、製品で市場のすべてのDRAMをカバーすることはおそらく不可能であることがわかります。 ここで、重要な決定を迫られています。具体的に、製品のどのようなデザインバリエーションを提供するかです。市場性が高いと評価されたものの中から、おそらくいくつかの人気のあるものを選ぶでしょう。全てのバリエーションが単一のフットプリントを使用することが望ましいですが、そうでない場合もあります。そのため、それらのバリエーションに対応する必要があります。その対応方法の一つが、複数のフットプリントモデルを使用することです。私の個人的なベストは、同じ位置で最大4つの異なる物理的コンポーネントを収容できる複数フットプリントでした。特に高速設計において複数のフットプリントを使用する大きな欠点は、余分な未使用銅の影響と 信号の整合性 を維持することです。もう一つの問題は、代替コンポーネントを電気的に扱うことです。それはドロップイン交換可能なものではないかもしれません。この問題の完璧な解決策は、DIPスイッチやディスクリート（ゼロオーム抵抗）などの選択コンポーネントを使用して、代替バリアントコンポーネントを構成する方法です。 パラメータ情報の取り扱い アセンブリバリアントを扱ったことがある人なら、それがAltiumのパラメトリック技術にどのように結びついているかを理解しています。PCBは、Fabドキュメントに渡される独自のパラメータ情報を持ち、バリアントはアセンブリドキュメントに必要なユニークな情報を持つ独自のレベルを持っています。数年前、私は合計12種類の異なるPCBAバリアントを持つPCBデザインを行いました。主な問題は、それぞれがユニークな部品番号、プリント回路基板アセンブリ（PCBA）名、そして単一のPCBからの異なるリビジョンレベルを持っていたことでした。各バリアントをどのように文書化するかは非常に重要です。特に、先に述べたような設定コンポーネントを使用する場合はなおさらです。結果として、各PCBAには異なる文書パッケージがあります。 バリアントを作成する際には、そのバリアントのさまざまなパラメータを設定する能力もあります。少なくともバリアント名、バリアント番号、リビジョンを推奨します。 テンプレートでこれらのバリアントパラメータ名を使用すると、ドキュメントテンプレートで特定のバリアントパラメータを使用します。このバリアントとパラメータの領域をさらに研究し、テンプレートでそれらをどのように使用できるかを学ぶことを強くお勧めします。Altiumの力とプロセスおよびドキュメントの標準化を始めて見ることができます。 結論 ここで提供できたものは、PCBデザインバリアントの完全な最終的な言葉や証言ではありませんでした。しかし、Altiumで「ディシプリン」のいくつかを実践し始めるとき、たとえばデザインやBOMバリアント、パラメータをテンプレートの理解と少し混ぜ合わせると、Altiumを別のレベルで使用し始めることに気付いていただけたことを願っています。それがまさに戦いの半分です—私たちが持っているツールを理解し、それらをより良く使用する方法を理解することです。 多くのデザイナーがAltiumソフトウェアの潜在能力の10〜20％しか使用していないことを見てきました。それは、高性能スポーツカーのハンドルの後ろに座って、一度もファーストギアから車を出さないようなものです。私たちにとっては、ギアを変える時です。 デザインバリアントの作成 すべてのバリアントは、設計のスキーマティックで設定および管理されます。存在する各コンポーネントには、3つのオプションがあります。コンポーネントが取り付けられている、取り付けられていない、または代替コンポーネントに置き換えられるのいずれかです。すべてのバリアントコンポーネントが取り付けられている場合、これをベースバリアントと呼びます。 記事を読む
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