PCBレイアウト

MCUやプログラマブルICを扱ったことがない場合、I2C、SPI、UARTに関するルーティングとレイアウトのガイドラインをいくつか紹介します。

私たちが望むように、PCBへの電力入力が常にクリーンなDCや正弦波信号であるわけではありません。整流器からのDCは出力キャパシタからのリップルを含んでいることがあり、AC信号にはノイズが含まれていたり、完璧な正弦波ではないことがあります。これらの問題を修正する方法はいくつかあり、適切なフィルタ回路を選択するか、入力波を整形してシステム内の負荷に最大の電力出力を生み出すことができます。 AC電源システムを扱っている場合、電源での電流/電力の引き下げを行うか、または負荷への利用可能な電力を増加させるために、電力因数補正（PFC）が必要になることがあります。PFC回路はICとして入手可能ですが、高電圧/高電流システムの要求に対応することはできません。電力因数を1に近づけるために、PCB上に独自のPFC回路設計とレイアウトが必要になります。ここでは、独自のPFC回路を設計しシミュレートする方法と、PFC回路のレイアウトのヒントをいくつか紹介します。 電力因数補正とは何か？ 電源の力率は、実際に消費される実効電力と見かけの電力（RMSボルトおよびアンペアで）の比率であり、この数値は0から1の範囲です。ACソースに整流器を接続した 電源回路の典型的なスイッチングレギュレータは、入力電圧がそのピークに近づくと小さなバーストで電流を引き出します。入力線から引き出される電流が正弦波電圧波形から逸脱するほど、力率は小さくなります。力率は基本的に電力効率の別の指標です。 例として、レギュレータが96％効率的であると仮定します。全体の電源の力率が60％の場合、実際の効率は96％x 60％= 57.6％になります。PFC回路設計を使用する目的は、力率をできるだけ1に近づけることです。力率が1に近づくと、実際に消費される実効電力は、理想的なRMS入力電圧および電流を使用して計算する見かけの電力に近づきます。 新しい製品をヨーロッパで販売する予定がある場合、電源にPFCを適用することを確認する必要があります。最も重要な規制はEN61000-3-2で、少なくとも75Wの入力電力を持ち、サービス入口で最大16Aまで引き出す電力システムに適用されます。この規制は、レギュレータの入力で測定された39番目の高調波までの全高調波歪み（THD）にも制限を設けています。これはPFC回路のもう一つの利点を示しています。より大きな電力因数を持つ電源は、DCレギュレータの入力でTHDがほぼゼロになります。 PFC回路設計とトポロジー PFCコンバータは、 ブーストまたはバックトポロジーで実装できます。バックブーストトポロジーもありますが、入力電圧を通常、上げたり下げたりして一定レベルで調整する必要があるため、これほど人気はありません。バックとブーストの2つのバージョンは以下に示されています。これらの回路図が標準的なバックまたはブーストDC-DCコンバータから期待されるものと一致するなら、正解です！全体の回路図は同一ですが、これらの回路のコンポーネント選択が回路によって提供される電力因数の増加に影響を与えます。 PFC回路が一般的なスイッチングレギュレータと何が違うのか？PFC回路設計における重要な点は、適切な動作モードを選択することであり、これにはこの回路で正しいインダクタを選択することが含まれます。インダクタは、MOSFETがオンの間に入力電圧が上昇するにつれてインダクタを通る電流がどれだけ速く増加するかを決定します。MOSFETがオフに切り替えられると、インダクタは逆起電力を提供し、それによってより多くの電流を負荷に向けます。 インダクタのリップル波形は、一般的なスイッチングレギュレータの場合と同様に、インダクタのサイズによって決まります。インダクタが小さいほどリップル波は大きくなります。波形の制御は、MOSFETにPWMまたはPFMパルスを適用することで維持されます。以下に示される3つのPFC回路モードは、インダクタのサイズとMOSFETに適用される変調の種類によって決まります。以下の表は、各モードでの変調と電流特性をまとめたものです。 モード 変調 電流特性 CCM PWM 平均電流が理想的な正弦波電流に近く、リップルが低い、高速SiCショットキーダイオードを使用して効率を向上させる。最高の出力電力に最適。

私は、強風や嵐の際に断続的に電力供給が不安定になる田舎の村に住んでいます。そのため、私のコンピューター、サーバー、ネットワーク機器はすべて、比較的低コストの無停電電源装置（UPS）に接続されています。これらはすべて密閉型鉛蓄電池を使用しており、Raspberry PiやインターネットルーターなどのDCデバイスを電源供給する方法としては特に効率的ではありません。なぜなら、入力されるAC（交流）がDC（直流）バッテリーを充電し、その後、インバーターを介してAC電力を生成し、AC-DCコンバーターがDCデバイスに電力を供給するからです。ADSLルーターを全体のAC UPSに頼るのではなく、小型のUPSを作ってみるのも面白いと思いました。 私のADSLルーターは12V/1Aの電源を持っていますが、内部的にはおそらく1.8-3.3vで動作しているにもかかわらずです。このプロジェクトでは、12V 1AのUPSを作成します。いつものように、オープンソースのAltium Designerプロジェクトファイルは GitHubで、MITライセンスの下でライセンスされています。このライセンスは、基本的に設計に対して好きなことをすることを許可します。ライブラリファイルを探している場合、このプロジェクトは私の Open Source Altium Designer Libraryを使用して設計されました。 上記は、 Altium 365 Viewerで読むことになるPCB設計です。これは、設計を表示したりボタンをクリックするだけでダウンロードできる機能を備え、同僚、クライアント、友人と繋がる無料の方法です！設計を数秒でアップロードし、重たいソフトウェアや高性能なコンピューターなしで詳細に深く見るためのインタラクティブな方法を持つことができます。 バッテリー 鉛蓄電池はエネルギーのワット時あたりのコスト効率が非常に高いですが、もう少し現代的でコンパクトで軽量なものを作りたいと思います。私のUPSには、優れたエネルギー密度、放電率、比較的高速な充電能力を提供する18650リチウムポリマーセルを2つ使用します。次のプロジェクトにバッテリーを使用する予定があるなら、OctoPartでの私の記事 プロジェクト用のバッテリー化学を選択するをぜひご覧ください。18650セルは鉛蓄電池と比較してワット時あたりのコストが比較的高いですが、私のUPSには大きな負荷はかかりません。 LG

Active BOMがあれば、憶測に頼らずにコンポーネントを選択して、最初から正しい設計を進めることができます。 Altium Designer すべての製造段階で作業をスムーズに進めるためのPCB設計ツール コンポーネントに対するフィードバックをもらわないと、作業を開始できないことにうんざりしていませんか？コンポーネントについての誤った情報や古いデータが原因で、予算に響く土壇場の変更が発生することに疲れていませんか？こうした問題に思い当たりがあるのなら、スケジュールに狂いが出ることに大きな不満を抱えていらっしゃることでしょう。回路図にコンポーネントを配置しながら、リアルタイムの部品情報をサプライヤーから直接入手できるとすればどうでしょう？回路図の作成中に、設計で使用するすべてのコンポーネントの詳細リストがあれば便利だと思いませんか？ これらはすでに実現しています。PCB設計ツールからコンポーネントの詳細な最新情報を入手できるのは、Altium DesignerのActive BOMがもたらす利点の1つにすぎません。BOM管理では、入手できる必要な情報がソフトウェアでリアルタイムに更新されるため、購買管理、請求管理、製品（開発）管理、製品ライフサイクル管理がはるかに容易になります。 Active BOM: 設計データで機能するもうひとつのポータル Active BOMは、Altium Designerに含まれる最新ツールの1つです。回路図エディタやPCBレイアウト アプリケーションとともに、設計データでポータルとして機能するこのツールでは、コンポーネントの完全な詳細リストを表示して、含まれるデータを設計で直接使用できます。回路図とレイアウトの両方でコンポーネントを横断選択できるため、設計中だけでなく設計の見直しにも大いに役立ちます。 Active BOMでは部品サプライヤーとのクラウド接続を通じて、部品の最新の価格や在庫状況、技術データを入手できます。これらの機能のほかにも、部品表レポートを直接作成することが可能です。こうした部品管理が生産性の向上にいかに役立つかがわかったら、もうActive BOMを手放せなくなるでしょう。 設計システム全体で活用できるActive

ASMEはPCB設計と展開について何を言っているのでしょうか？ 実は、製造のための設計中に考慮すべきASMEからの多くの重要な点があります。信頼性を確保するための重要なIPC基準のいくつかはASME基準から派生している一方で、他の文書化および図面基準はASME基準で明示的に指定されています。電気機械システム、自動車産業、または航空宇宙で作業するかどうかにかかわらず、適切な設計ソフトウェアは、これらの基準すべてに準拠したPCBレイアウトと文書を作成するのに役立ちます。 ALTIUM DESIGNER^® 最高のツール、自動化された文書化、および生産計画機能を統合した統一されたPCB設計パッケージ。 ASMEは、あらゆる種類の機械製品に対する設計要件を指定する組織です。安全余裕、機械公差、機械図面に関する要件など、多くの事項がASME基準で指定されています。ASME基準やASMEコードのすべての側面に精通していないほとんどの設計者は、PCB設計に関する機械要件を認識していないかもしれません。 電子製品に使用されるプリント基板に関するさまざまなIPC基準を、ほとんどの電子設計者が認識しているべきです。これらの基準は、電子製品の製造可能性と信頼性を確保するために設計されていますが、関連するASME基準はPCB設計の異なる領域の寸法付けと公差により関心があります。 PCB設計に関する重要なASME基準 ASMEは、機械工学者がさまざまな設計の側面を適切に実装することに関心を持っているため、PCBに関するASME基準は、PCB設計のさまざまな側面に関する重要な幾何学的寸法および公差要件を指定しています。これらの重要な要件は、IPC 2615基準にも反映されており、適切な設計ソフトウェアを使用すると、寸法および公差情報をレイアウトおよびドキュメントに直接実装できます。したがって、ASME基準は、たとえばボイラー圧力容器および配管設計をカバーする一方で、それに内蔵されている任意のコンピュータチップもカバーします。コンピュータチップが故障すると、ボイラー圧力容器および配管が非常に危険になる可能性があります。 IPC基準との関係 IPC 2615の下での電子機器に関する重要な基準は、実際にはASME Y14.5Mから派生しています。プリント基板の寸法および公差に関するこれらの基準に準拠するには、超高精度のコンポーネント配置を可能にし、ルーティングおよびビア設計ツールとインターフェースするCADツールが必要です。また、機械図面に直接公差を指定する必要があります。 適切な設計ソフトウェアを使用すれば、PCBに重要な寸法および公差情報を追加するために、設計をコマンドラインベースのCADプログラムにエクスポートする必要はありません。他のPCB設計プログラムでは、プログラム間でデータを移動させる必要があり、同期が取れません。複数の設計プログラムを使用し、設計の異なる部分間で情報を手動で同期させる代わりに、ドキュメンテーション、レイアウト、回路図、部品表を通じて同期を強制する単一の統合設計パッケージが必要です。 ビアと穴のサイズおよび公差は、回路基板に関するIPC基準およびASME基準で取り扱われる領域の一つです。 ビアと穴の公差を指定する方法についてもっと学びましょう。 ASME/IPCの寸法および公差基準は、設計文書および図面にも適用されます。参照指定子の使用にまだ慣れていない場合でも、適切な設計ソフトウェアを使えばすぐに習得できます。 PCB設計ソフトウェアでの参照指定子の取り扱いについてもっと学びましょう。 よく文書化され、設計された回路図は、ボードの基礎を形成し、レイアウトが電子回路図および文書と適切に対応していることを保証します。