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高電圧設計におけるPCBリーク電流と絶縁破壊 高電圧設計におけるPCBリーク電流と絶縁破壊 1 min Blog オームの法則：これは、あらゆるタイプの回路を分析するために私たちが持っている素晴らしいツールです。この単純な関係は多くのデバイスに適用されるため、この一つの方程式でコンポーネントの振る舞いの多くの側面を簡単に説明できます。しかし、高電圧PCBの場合、回路の重要な側面を理解するためにオームの法則に加えて他のツールを使用する必要があります。パッシェンの法則とキルヒホッフの法則を取り入れれば、高電圧PCBの動作原理を理解するために必要なすべてが揃います。 高電圧で発生する重要な効果の一つに、PCBのリーク電流があります。この効果はオームの法則を使って非常に簡単に説明できます：ボード上の二点間に電位差がある場合、これら二点間の電流は抵抗が高いときに低くなります。PCBが運用に入ると、リーク電流はさまざまな理由で変化することがあります。設計者としてのあなたの仕事は、これらの問題を予測し、リーク電流を最小限に抑えるために適切な材料を選択することです。 PCBリーク電流とは何か？ 高電圧設計の世界では、一般的にPCBや高電圧システム設計について話している場合、漏れ電流は2点間の直流電位差から生じます。PCB上では、電位差を持つ2つの導体が 絶縁基板によって分離されており、これら2つの導体間で基板を通じてある程度の電流が流れることがあります。約10Vの電位差で、基板の導電性に応じて約10nAの漏れ電流が生じることがあります。 ファイバーウィーブ基板やはんだマスク材料の多孔性により、製造中に水分を吸収し、運用中にも時間とともにこの水分吸収が続きます。エポキシガラスプレプレグ材料や製造前の基板の微細な亀裂にも水分が存在することがあります。湿潤製造プロセス中に水や他の液体が吸収され、保管中にPCBの表面に水分が拡散することがあります。 高湿度環境に配置されたPCBは、水分が飽和するまで水を吸収します。水分含有量が高いPCB基板は、PCB製造プロセス中に使用される水やその他の液体が極性を持つため、より高い漏れ電流を有します。これらは高い導電性を持つ傾向があります。時間が経つと、ボードが無湿度環境で準備され、展開前に徹底的にガス抜きされていたとしても、ボード全体の漏れ電流は増加します。湿度に加えて、小さなほこりの粒子がボード上に蓄積することがあり、電場が大きい領域ではほこりがより速く蓄積します。湿度とほこりの両方が、時間とともにPCBの漏れ電流の増加に寄与します。湿度とほこりの蓄積は、表面をアーク放電（すなわち、ボードの表面を横切る破壊電場が低下する）により感受性が高くします。 ほこりはPCBの漏れ電流の増加につながる可能性があります 高インピーダンス入力を持つコンポーネントのノード間に大きな漏れ電流が生じると、コンポーネントによって見られる入力電圧がIRドロップに似た形でかなり大きく低下することがあります。例として、PCBの漏れ電流が100 nAが1 MOhmの入力インピーダンスを持つコンポーネントの正負のリードを横切って流れる場合を考えてみましょう。オームの法則によると、これは入力電圧を0.1 V減少させます。これは、高電圧ボードの故障基準を決定する際に、PCBの漏れ電流と共に考慮すべきです。 クリープ距離、クリアランス、および漏れ電流 絶縁基板を横切る漏れ電流は、DC電圧差があるだけで発生することがありますが、2つの帯電導体間で初期のブレークダウンが発生した後、漏れ電流は増加します。2つの導体間でブレークダウンが発生した場合、炭素がPCBの表面に沿って蓄積することがあります。炭化した表面に形成されるトラックはかなり導電性が高く、高い電位差を持つボード上の2点間の漏れ電流を増加させます。非常に深刻な炭化、例えば炭素豊富な雰囲気でのブレークダウンや繰り返しのブレークダウンイベントは、ボード上の2点間に実質的に短絡を形成することがあります。 IPC 2221Bは、電圧、高度レベル、およびコーティングに応じた クリープ距離とクリアランス距離をカバーする一般的な標準です。この標準は高度に応じてこれらの距離を指定していますが、導体間の空気の大気圧が実際に絶縁破壊電界を決定するパラメータである（パッシェンの法則による）。空気中の水分含有量も絶縁破壊電界に影響を及ぼすだけでなく、時間の経過とともに漏れ電流が増加する可能性もあります。これらの要因はクリープ距離とクリアランス要件にも影響を与えます。高電圧システムは、安全上の目的と漏れ電流を減少させるために、一般的に過設計されるべきです。 もし基板が湿度の高い環境で使用される場合、完成した基板から湿気を取り除くことにほとんど意味はありません。なぜなら、運用に置かれるとすぐに基板に再吸収されるからです。高電圧PCB用に設計された湿度保護のための絶縁 コンフォーマルコーティングがあります。 ほこりや残留物の問題がある基板の場合、PCBから汚染物質を除去するために簡単な洗浄手順が十分です。これには、イソプロピルアルコールで基板をブラッシングし、脱イオン水で洗浄した後、数時間85°Cで基板を焼くことが含まれます。水溶性フラックスを含む基板に溶剤を使用する際には、これらの材料を混合すると、基板が乾燥して焼かれた後に塩の沈殿物が残る可能性があるため、依然として注意が必要です。 記事を読む
PCBの種類 1 min Blog PCB設計を開始すると、アプリケーションごとに専用の異なる設計要件があることに気づくでしょう。ワークフローの生産性を損なうことなく、全ての設計要件を満たすには、どのような設計要件にも適応するPCB設計ソフトウェアが必要です。統合設計インターフェースを備えたPCB設計ソフトウェアを使用すれば、アプリケーション固有の設計要件を定義し、満たすことも簡単です。 Altium Designer あらゆるアプリケーションに合わせて固有のPCBを設計できるPCB設計ソフトウェアパッケージ。 完全に電気を使わない生活をしている人以外は、常に多数のPCBに囲まれていると言っても過言ではありません。これらのPCBは、どれも固有のアプリケーションに合わせてカスタマイズされており、デバイス間で交換できるPCBは1つとしてありません。PCB設計には、暗黙的にカスタマイズ性が求められるため、設計者と技術者には、あらゆるアプリケーションに対応するPCBを構築できる設計ソフトウェアが必要です。 PCBにはさまざまな種類がありますが、最新の設計プロセスで使用されるPCBには、リジッドPCB、フレキシブルPCB、リジッドフレキシブルPCBなどがあります。しかし、使用するPCBの種類についてはさらに多数の考慮事項があり、プリント回路にはどのような銅箔要件があるのか、それによって半田、およびソルダーマスク要件はどうなるのか、表面実装コンポーネントやスルーホール技術は使用されるのかなどを検討する必要があります。 片面PCBでも、細かい調整や正確な計算を必要とする制約や寸法線が十分にありますが、多層、またはマルチボードのシステムではどうなるのでしょうか。PCBの種類は、技術者が考慮に入れる技術的な性能や要件に合わせて適応し続けていますが、お使いの設計ソフトウェアはこの変化に追いついていますか。 あらゆるアプリケーションに対応するPCB設計 全てのPCBが同じように作成されるわけではなく、ほとんどのアプリケーションには独自に設定された機能要件があります。同様に、全てのPCB設計ソフトウェアパッケージが任意のアプリケーション向けの設計に合わせて即座にカスタマイズできるわけでもありません。シングルレイヤーなどのより単純なPCBや低速デバイスの場合、必要なデザインルール数とコンポーネント数はその他のデバイスよりも比較的少なくなります。どのようなアプリケーションであっても、PCB設計ソフトウェアで設計仕様をカスタマイズできる必要があります。 全ての要件は、デザインルールを使用して実現されます。多くのPCB設計ソフトウェアパッケージには、業界標準のデザインルールが含まれており、これを使用することで大幅に設計時間を節約できます。これに加えて、どのデザインルールがアプリケーションに適しているかを設計者が選択し、独自のデザインルールを指定できるような設計ソフトウェアが望ましいでしょう。また、設計の検証時には、ソフトウェアによってこれらのルールを基準にレイアウトがチェックされ、簡単にエラーを修正できる必要があります。 PCBアプリケーションに合わせた設計ソフトウェアのカスタマイズ 特定のアプリケーションに合わせた構築には、設計環境のパラメーターを定義できる設計ソフトウェアが必要です。これには、カスタマイズしたデザインルールの定義、カスタマイズしたコンポーネントの構築、レイヤースタックアップの指定、電源とGNDの配列が含まれます。これら全ての側面によって特定のアプリケーションに合わせた設計の基盤が築かれます。 PCB設計ソフトウェアには、デザインルール チェックとカスタマイズ機能が含まれている必要があります。これにより、特定のアプリケーションが持つ要件を満たす設計を実現しやすくなります。 デザインルールの設定、およびチェックの詳細については、こちらをご覧ください。 特別なPCBアプリケーションでは、特殊な機能を備えたカスタマイズコンポーネントの作成が必要になる場合が少なくありません。 カスタマイズ コンポーネントの作成の詳細については、こちらをご覧ください。 設計ソフトウェアには、ボードシェープからレイヤースタックアップ、および材質オプションまで、あらゆる基板配置に必要な全てのオプションが含まれている必要があります。 基板のカスタマイズの詳細については、こちらをご覧ください。 記事を読む
Altium DesignerのIPC® Compliant Footprint Wizardを使って、一貫したライブラリ フットプリントを作成 1 min Blog PCB設計者 電気技術者 ECADライブラリ管理者 PCB設計者 PCB設計者 電気技術者 電気技術者 ECADライブラリ管理者 ECADライブラリ管理者 IPC® Compliant Footprint Wizardを活用すると、Altium Designerの統合ライブラリでそれぞれのコンポーネント シンボルのPCBフットプリントを正確に作成できます。 Altium Designer 確実に規格に沿ってPCB設計を進められます。 Altium DesignerのIPC® Compliant Footprint Wizardで作成されたPQFPフットプリント PCBの設計には、コンポーネント フットプリントの作成と管理が伴います。フットプリントとは、電気コンポーネントがPCBと接続される導電インターフェースを表すものです。現在、市場では多様な電気コンポーネントのパッケージとそれらに関連するフットプリントが提供されています。コンポーネントのパッケージには、少なくとも2つ、最大で数百個という導電リードが組み込まれています。業者間でのパッケージの一貫性を確保するため、パッケージとフットプリントは業界で標準化されています。Association Connecting Electronics Industries（IPC）では、「IPC-7351: Generic 記事を読む
PCB制作者はAltium Designer以上を探す必要はありません PCB制作者はAltium Designer以上を探す必要はありません 1 min Blog PCB設計ソフトウェアに関して言えば、最高のソフトウェアパッケージは部分的に販売されることはありません。PCB設計業界が求める最新かつ最高のツールを含む統合ソフトウェアソリューションが必要です。PCB設計が初めてであろうと、何十年ものビジネスに携わっているとしても、Altium Designerはあらゆる用途の高品質なPCBを生産するためのツールを提供します。 ALTIUM DESIGNER 設計プロセス全体に必要なツールを含む統合PCB設計ソフトウェアパッケージ シンプルな回路基板を作成できるプログラムはたくさんあります。しかし、最高のPCBを構築したい場合、最高のツールが必要です。今では、Altium Designerで統一されたPCB設計環境で作業できます。機能が分離されたプログラム間で設計を移動させる日々は過ぎ去りました。 Altium Designerを使用すると、必要な重要な機能をすべて含む単一のインターフェース内で操作できます。業界標準の設計、シミュレーション、CAD/CAM、およびドキュメント機能は、Altium Designerの64ビットマルチスレッディングアーキテクチャによって提供されます。完成した製品を生産し始めるために必要なすべてが単一のソフトウェアパッケージ内に存在します。 強力なインターフェースを活用して回路基板を作成する 新しいソフトウェアパッケージに慣れるまでには時間がかかることがあります。設計ツールが複数のプログラムに分かれている場合、状況はさらに悪化します。設計ツールが単一のソフトウェアパッケージに統合されている場合、ソフトウェアの細かな点を学ぶのに必要な時間は短縮されます。回路は、設計エンジニアが自由と創造性を持って作業できるよう促すPCBソフトウェアを要求します。 PCBクリエーターは、回路図のキャプチャからレイアウトへの移行を容易にし、PCBメーカー用の出力ファイルを慎重に管理できるソフトウェアを求めます。すべてを一つのプログラムで一貫したファイル形式で保持することで、複数のプログラム間での変換によるエラーを排除します。真の回路基板クリエーターがこれまでになく簡単になりました。 統合された設計インターフェースでPCBをレイアウト 強力なルーティングツールで、設計が目の前でまとまっていくのを見守りましょう。ルーティング機能を広範なコンポーネントライブラリとCAD/CAMツールと組み合わせることで、回路図からレイアウトへの移行に必要なものがすべて揃います。直感的な設計インターフェースが、簡単に始めることを可能にし、成功を手の届くところに置きます。 Altium Designerの設計インターフェースを使えば、回路図の設計とコンポーネントのレイアウトを始めるのが簡単です。 Altium Designerの統合設計インターフェースについてもっと学びましょう。 Altium 記事を読む
高ピン数の回路図シンボルを迅速に作成する 高ピン数の回路図シンボルを迅速に作成する 1 min Altium Designer Projects 正規表現を使用し、Altium Designerの広範なツールキットを活用すると、回路図シンボルの作成が迅速かつ簡単になります。 記事を読む
電源プレーンリターンパス パワープレーンとグラウンドプレーン：PCBのパワープレーンをリターンパスとして使用すべきですか？ 1 min Thought Leadership 電源プレーン（電源層とも呼ばれる）とグラウンドプレーンは、電力供給の配布以上の重要性を持っています。インピーダンス制御ルーティングでの基準プレーンの定義や、リターンパスの管理においても、スタックアップはリターン電流がPCBの電源プレーンに入り、その後グラウンド層に再結合されるよう強制することがあります。インピーダンス制御トレース幅の基礎としてGND基準層を定義しても、設計内の電源層の長さに沿った明確なリターンパスを定義する必要があります。電源層をリターンパスとして使用するPCB内でのリターンパスを制御するための良い実践をいくつか見てみましょう。 PCBの電源プレーンをリターンパスとする場合の信号挙動 「リターンパス」と言うとき、設計内でリターン電流が自然に従うパスのことを指します。このパスにより、電流はPCBアセンブリの入力側の低電位端子に戻ることができます。伝送線上で移動する信号にとって、リターンパスは線とその基準プレーンの間の容量によって決まります。容量が大きい、周波数が高い、またはその両方である場合、リターン電流は変位電流として容易にグラウンド層に入ることができます。 これは、伝送線とその参照平面との距離が、その参照平面のタイプが何であれ、実際の設計においていくつかの重要な電気的振る舞いを決定することを意味します。そのような振る舞いには、 外部ソースからのEMI感受性があり、これは大きな電流ループを介して誘導的に、または電場を介して静電容量的に受信されることがあります 不一致のインピーダンスは、平面領域間、ギャップを越えて、またはインターコネクトに沿ってトレース幅が変化する場合に生じます 他のトレースからのクロストークは、設計が 伝播中の損失は、伝送線と近くの参照平面または他の導体の間の場の線の集中によって発生します 返り経路または信号参照を提供する隣接層としてパワープレーンまたはグラウンドプレーンのどちらを使用するか選択できる場合は、常にPCBグラウンドプレーンを選択するべきです。これには2つの理由があり、以下で詳しく説明します。 静電容量結合 電力プレーンがどのようにして（あるいはしないで）任意の種類のリターンパスとして機能するかを議論する前に、我々は次の質問をしなければなりません。伝送線から電力プレーンPCBへの電流はどのようにして入るのでしょうか。答えは、容量性結合です！上述のように、リターンパスは伝送線と近くの導体の間で誘導されることが記されています。近くのプレーン層については、線とプレーンの間に電気ポテンシャルが変化するたびにこれが発生します。したがって、プレーンの隣でトレースが配線され、デジタル信号がそのトレースを通過するとき、我々は今、プレーン層で変位電流が駆動されていることになります。 近くのプレーンが、電力入力時の低ポテンシャル点と同じポテンシャルのグラウンドプレーンであれば、全てがうまくいくでしょう。これの問題点は、電流が電力プレーンから近くのグラウンド層へと移動する必要があるとき、電流は別の誘電体層を通ってPCBグラウンドプレーンに到達する必要があるということです。 スタックアップの設計方法や信号が誘導される基板の領域によって、2つの層の間のキャパシタンスは、電源プレーンとグラウンドプレーンの間に非常に高いインピーダンスの経路を形成する可能性があります。スタックアップによっては、以下に示すような単純な4層スタックアップの場合、電源層とPCBグラウンドプレーン層の間のプレーンキャパシタンスは非常に小さく（平方ミリメートルあたりフェムトファラドのオーダー）、非常に高速なデジタル信号や非常に高周波のRF信号を除いて、極めて高いインピーダンスのリターンパスを作り出します。この電源プレーンとグラウンドプレーンの間の旅の中での唯一の他の選択肢は、以下に示すように、最も近いデカップリングキャパシタを通ることです。どちらの場合でも、基板のどこかでEMI問題が発生する可能性があります。 通常の低速シングルエンド信号（たとえば、立ち上がり時間が制限されたI2CやSPI信号など）の場合、このGNDへの結合から発生するEMIが最大の問題ではないかもしれません。これは、純粋なDCや低周波アナログデバイスではまったく発生しません。しかし、今日の標準CMOSコンポーネントでは、一般的なデジタルコンポーネントのシングルエンドバスでもこの問題が発生する可能性があります。では、解決策は何でしょうか？ 解決策は、PCBスタックアップの再設計にあります。最も簡単な方法は、グラウンドリターンを提供するレイヤーを追加することです。一般的に、すべてのGNDプレーンが適切に間隔を置いてステッチングビアで繋がれている限り、他の設計変更は必要ありません。設計の観点からより時間がかかるものとして、上記の4層スタックアップのように、PWRとシグナルを同じレイヤーに配置し、その上にPWRをプアとして同じレイヤーに追加することが挙げられます。 4層例 上記の例の4層ボードでは、連続したビットストリームを提供する必要があるバスとラインを、GNDの直上のトップレイヤーに配置するのが最適です。RCやシリーズ終端で遅延させることができる制御信号などの他の信号は、バックレイヤーに配置することができますし、その他のサポートコンポーネントも同様です。しかし、両方の表面レイヤーにデジタルバスを持つ4層PCBが必要な場合、最良の実践は代替スタックアップを使用することです。 このスタックアップは、ノイズを抑制し、どこでもクリアなリターンパスを提供する最良の代替手段と言えるでしょう。これはSIG+PWR/GND/GND/SIG+PWRスタックアップで、信号と電力は上層でルーティングされます。これにより、電力レールは隣接するGNDプレーンに近接して配置されるべきであるため、非常に強力なデカップリングが提供されます。 この代替4層スタックアップについてもっと学ぶ このボードには、複数の電力レールがある場合に生じる可能性のある難しさが一つあります。4層ボードが両層に高速信号を必要とし、複数の電力レールと強力な電力整合性が必要な場合、標準のSIG/GND/PWR/SIGスタックアップは機能しません。ここで、2層を追加して6層スタックアップを構築することが最良の選択です。 記事を読む
インピーダンス配線をコントロールするためのプリプレグとコア使用の比較 インピーダンス配線をコントロールするためのプリプレグとコア使用の比較 1 min Thought Leadership 適切な層の材料で、インピーダンスをコントロールした設計をしていますか ? PCB設計のより細かい点について最初に学び始めたとき、コアは特殊な材料であるという印象を受けました。これは必ずしも真実ではありません。設計者には、要求に最も適したコア/プリプレグの配置を選択する自由があります。インピーダンス配線の制御に関して言えば、特に高周波数では、分離絶縁体としてコア層とプリプレグ層のいずれを使用するかが重要な問題になります。 それでは、どちらの層がインピーダンス配線のコントロールに最適なのでしょうか? 基板のインピーダンスをより細かく制御するには、ガラス繊維の影響を考えるに先立ち、より高い、比誘電率の均一性が必要です。また、製造後の基板の比誘電率の一貫性と予測可能性も高い必要があります。ここでは、プリプレグ層とコア層の位置を決定する際に、レイヤー構成に適した材料をどこで慎重に購入する必要があるかを説明します。 プリプレグvsコアにおけるインピーダンス コントロール コアは、厚くて硬いガラス繊維の層で、通常は層数の少ない基板の中央に配置されます。私が見た限りでは、「コア」という語を使用すると、新人設計者は文字どおり、「あらゆる設計は、基板の中心にコアがあり、その周りに他の層が組み込まれているに違いない」と受け止めます。私は、特に層数が増加するにつれて、これは必要条件ではないことを後から学びました。実際には、コアとプリプレグの層が交互にあり、中央の層は必ずしもコア層ではありません。重要なのは、コア層が配置されている場所に関係なく、レイヤー構成は対称であるという点です。 プリプレグは、製造の時点では完全には硬化していない材料で、コア層間の接着剤を形成します。最近かかわった、 板厚が標準的な1.57mmの基板を扱ったプロジェクトでは、外層にRogersのコア、内層にFR4プリプレグ/コアを使用しましたが、このタイプのハイブリッド多層板 (FR4にPTFEを積層) はよく使用されます。材料によってコストが異なるので、コストは結果を左右する要因です。したがって、低損失の積層板は、一般に高速/高周波信号を伝送する層のために予約されています。 通常、比誘電率と厚さの両方に関して、コア層はプリプレグ層よりも高い再現性を持っています。これは、コア材料がすでに銅箔と結合されているからです。これに対し、プリプレグの製造業者は原材料の比誘電率の範囲しか指定できず、アセンブリ後の比誘電率を指定していません。そのような状況が、相互接続上の信号によって参照される実効比誘電率を決定します。特殊な低損失プリプレグ積層板の中には、比誘電率が非常に幅広いバリエーション (50%以上) を持つものがあります。 シングルPly CoreかダブルPly Coreか? ガラス繊維の織り方が異なるコア材料の中には、比誘電率が大きく異なるものがあります。これは、特定のコア材料がシングルplyかダブルplyかによっても異なります。106コアと106/1080コアが完璧な例です。これらの材料の比誘電率は約10%変動しますが、既存のデザインを使って、シングルply coreとダブルply 記事を読む