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高電圧PCB設計: 沿面距離と空間距離

高電圧PCB設計: 沿面距離と空間距離高電圧の応用には、通常のPCBよりも厳しい設計パラメータが必要になる大学生のとき、私は電気化学エッチングの実験を行いました。その経験をずっと履歴書に記載していたのは、高電圧源や危険な化学品を使った実験について、面接官が必ず話を聞きたがったからです。ところが、危険な職場環境をまったく意に介さない人間が求められる仕事には就きたくないと後になって気付きました。それがきっかけで、私は高電圧設計について学び始めました。高電圧の製品に要求される基準には圧倒されましたが、それと同時に安心もしました。私たちが作成した高電圧製品を大学院生たちが使うのを止めることはできないものの、基板がきちんと保護されているのが分かれば心配する必要はありません。安全の確保にあたって、特定のスペースルールが必要になる場合とは高電圧PCB設計に必要となる厳しいスペースルールは、すべてのPCB設計に適用されるわけではありません。一般的には、製品の通常の作動電圧が30VACまたは60VDC以上になると、基板設計にスペースルールを適用すべきでしょう。特に、高電圧で密集した設計の場合は慎重になる必要があります。密集したデザインではスペースが極めて困難になり、保護の観点からさらに重要になるからです。高電圧設計ではスペースがさらに重要になります。基板全体の電圧によって、PCBの導電性要素間でアーク放電が発生しやすくなるからです。発生したアーク放電は、製品にもユーザーにも極めて大きな危険をもたらします。こうした危険を軽減するために、空間距離と沿面距離という主に2つのスペース測定の基準があります。空間距離とは空間距離とは、2つの導体間の空間の最短距離を指します。私はこの定義をあき高（つまり、自分の頭が何かにぶつかる前に、どのくらいの空間があるか）として覚えています。 PCBの空間距離が短すぎると、基板上で隣接する導電性要素間で過電圧によるアーク放電が発生する可能性があります。クリアランスルールは、PCB材料、電圧、環境条件によって異なってきます。環境による影響はかなり大きくなります。最も一般的には、湿度によって空間の破壊電圧が変化し、アーク放電が発生する可能性に影響が及びます。ここでは、粉塵についても考慮しなければなりません。PCBの表面に集まった微粒子は時間とともにトラックを形成し、導体間の距離を縮めてしまいます。アーク放電は製品に損傷をもたらし、ユーザーに被害を及ぼします。基板でのスペースが重要な設計パラメータになるのはこれが理由です。 PCBでの沿面距離とは空間距離と同様に、沿面距離もPCB上の導体間の距離を指しますが、こちらは空間の距離ではなく、絶縁材の表面に沿った最短距離になります。沿面距離の要件は環境や基板の材料によっても異なり、空間距離と同じく、基板上に蓄積した水分や微粒子によって沿面距離が短くなる場合があります。密集した設計では、沿面距離の要件を満たすことが困難になり得ます。トラックを移動させることが第一の選択になることは稀であり、表面の距離を延ばすには他にいくつかの方法があります。それは、トラック間にスロットを追加するか、または絶縁物に垂直の障壁を実装することです。いずれの方法でもトレースのレイアウトを変更することなく、沿面距離を大幅に延ばすことができます。材料の比較トラッキング指数（CTI）空間距離と沿面距離の要件のうちで作動電圧の次に重要な要素は、PCB材料の特性に関するものです。材料の電気絶縁性は、比較トラッキング指数（CTI）で示されます。CTIは電圧で表示され、材料の表面がいつ破壊するかを測定する標準テストによって決定されます。破壊値に基づいて、材料は「0」から「5」までの6つのレベルに分類されます。製品に対する絶縁物の規定レベルは、このCTIの分類に基づきます。最も低いレベルは「5」で、電圧は100V未満となります。破壊値が600V以上のレベル「0」に分類される材料が最も頑丈で、多くの場合にコストも高額になります。

モノのインターネットのハードウェアプラットフォームのフレキシブル化

Thought Leadership モノのインターネットのハードウェアプラットフォームのフレキシブル化子供の頃に熱中したり執着したりしたものを覚えていますか? 私が若かった頃、誰もがポケモンと、子供でも触れる電子機器に熱中していました。これら2つの熱狂はやがて、たまごっちという最終的な流行に結びつきました。これは大ヒットして、携帯電子機器の人気と、小さく非現実的な動物に対しての子供たちの愛情を生み出しました。最近では、PCBにおける2つの熱狂、すわなちフレキシブル電子回路とモノのインターネット（IoT）が結合しました。自作用開発基板のようなハードウェアプラットフォームはIoTの誕生に役立ち、フレキシブルハイブリッドエレクトロニクス（FHE）はそのIoTを成熟へ導くために役立っています。技術者は、Arduinoのような大きなブランドと互換性のあるフレキシブルな基板や周辺機器の設計を開始しています。IoT開発者が必要とするコンポーネントを搭載した、使いやすい基板を設計することで、この動向に加わることができます。フレキシブルなハードウェアプラットフォームの利点完全フレキシブルおよびリジッドフレキシブルPCBは長年にわたり、航空宇宙などハイテク産業に限って使用され、ローバーが他の惑星まで飛行するために役立っていました。しかし今日では、これらのPCBの利点は地球に戻って、開発基板やその周辺機器に利用されるようになっています。フレキシブルなハイブリッド電子機器では、従来型電子機器の低コストや性能と、フレキシブル回路の容積やフォームファクターの利点を組み合わせて活用しています。一部の組織は将来の完全にフレキシブルな電子回路を構想していますが、現在のところはハイブリッドで妥協する必要があります。フレキシブルハイブリッド電子回路は、フレキシブルな基板に従来型のコンポーネントを実装するものです。従来型の電子機器コンポーネントは長年にわたり、コスト、速度、消費電力の点で高度に最適化が行われてきました。フレキシブルなアナログも多少存在しますが、比較すると性能的には見劣りするものです。また、十分に使用され実績のあるチップを使い慣れていることから、デバイスで簡単に使用できます。しかし、リジッドPCBには多くの欠点があります。主な問題点は曲がらずに折れる傾向があること、サイズ、および動的な圧力を処理できないことです。フレキシブル基板にコンポーネントを取り付けることで、これらすべての問題を解決できます。言うまでもなくFHEは曲がるように作られており、一部のFHEは 200,000回もの曲げ耐性があります。信頼性に加えて、折り曲げ可能な基板はフォームファクターも小さく、通常のPCBでは収まらないような領域にも折りたたんで収納可能です。

接地による、ESD損傷からのPCBの保護

接地による、ESD損傷からのPCBの保護 Star Trek の機関室を別とすれば、私は、高校生になるまで、職業として工学を検討したことはありませんでした。とはいうものの、無意識でしたが、間違いなく工学に関心がありました。 Star Trek の機関長の名前を全て挙げられたことを考えると、その兆候は早くからありました。しかしながら、ESDブレスレットをプレゼントされてとんでもなく興奮したときに、将来が決まりました。宝石箱に1つぐらいは入っていませんか? このブレスレットは、自分の皮膚に装着する、網目状のゴムと幅広の金属片と、アース端子に接続するワニグチクリップが付いたケーブルで構成されています。当時のインターネットはダイヤルアップ接続のみでしたが、私は、自分を接地する方法を理解するため、ページの読み込みを待って何時間も費やすことを止められませんでした。ブレスレットを身に付け、友人に頼み込んでコンピューターのRAMのアップグレードをやらせてもらったり、単純にコンピューターを開けさせてもらったりしました。接地は、金属に触れたりすり足をしないなど、簡単にできますが、ESDの影響を受けやすいものを取り扱う前に接地するのが理想的です。静電放電から保護するための接地の利用は、製品開発の多くの段階で必要です。RAMカードなど、静電気の影響を受けやすい製品を扱っている場合、ESDマットの使用や自分自身の接地などをお勧めします。適切に設計することで、製品に対して接地による保護を適用することもできます。効果的な接地方法をPCB設計に適用し、安全な取り扱いへの依存を減らすほうが得策です。未来の顧客や導入者が全て、静電気の影響を受けやすい製品の取り扱い時に過度に自身を接地すると仮定することは合理的ではない、とSpockなら指摘するところでしょう。 GNDプレーンの使用 ESD保護のために接地を使用する方法は多数ありますが、まず最初に挙げられるのはGNDプレーンの使用です。多層設計の採用は、必ずしも実現可能ではありませんが、ESD保護について不安がある場合、GNDプレーンは本当に役立ちます。ご存知のとおり、突然の電圧放電は電磁場を誘発します。適切に接続されたGNDプレーンは、影響を受けやすいコンポーネントから電流を離して配線することで、電圧放電による損傷を軽減できます。 GNDプレーンを使用すると、GNDトレースへの電源供給における回路ループの領域を減らすことができます。回路ループの領域を減らすと、ループ領域内で誘導されるEMIの総量が減ります。同様に、流れるべきでないコンポーネントに流れる可能性のある対応電流も減ります。 GNDプレーンの保護優れたGNDプレーンがどれだけ機能できるとしても、ESDパルスが直接GNDプレーンに放電すると、GNDプレーンは影響を受けやすいコンポーネントへの直接経路となる可能性もあります。このような損傷を回避するため、必ず、影響を受けやすいコンポーネントの電源とGNDの間にTVS回路を使用して、誘導された電流を迂回させます。正しく実装された場合、コンポーネントに発生する電圧差は、TVSの制限電圧に留まります。また、影響を受けやすいコンポーネントの電源とGNDの間に高周波の

基板をESDから保護するための正しいPCB配線とPCBレイアウト

Thought Leadership 基板をESDから保護するための正しいPCB配線とPCBレイアウト私がランニングを始めた頃、既に何回かウルトラマラソンを完走した友人と一緒に走っていました。彼女は家から何マイルも遠くまで走り、私と一緒に短いループを走ってから、私と離れてさらに走り続けました。私が速くなると、彼女は早く家に帰る代わりに、ループを長くしました。彼女はこれに関して巧妙でもありました。彼女は常に、私が早く引き返すと退屈なルート、または私が知らない新しいルートで、近道をできないように計画していました。彼女は都市計画家として、ランニングのルートも意図的に好きなルートを選択していました。私は技術者として、まったく異なるもの、通常は走りやすい場所を望んでいましたが、彼女の意図も理解していました。結局のところ、私がPCBを設計するときも同じことが成り立ちます。私はコストや性能に関して特定の目標を達成するような配線を希望します。配線は ESD保護においては特に重要で、ESDで引き起こされるEMIからコンポーネントを安全に保護するため役立ちます。回路のループの最小化私たちのランニングのルートは多くの場合に回り道のループでしたが、PCBにおいてはその逆を行うべきです。回路のループを最小限にすれば、ESDがPCB上で伝搬されることによる損傷を大幅に低減できます。これは、変動する磁束を囲むループには誘導電流が発生するためです。この磁束がESDによるものであれば、誘導される電流が予期せずコンポーネントへ流れ込むことにより、極めて破壊的な損傷が発生する恐れがあります。場合によっては他の選択肢がなく、レイアウトにどうしてもループが必要な場合もあります。このような場合、ループの面積を最小限にします。誘導電流の大きさは、ループのサイズに比例します。 GNDプレーンの使用多層基板を設計するときは、必ず GNDプレーンを使用すべきです。PCB上に形成される最も一般的なループは、電源からGNDへの配線です。これらのループは非常に遍在的なため、見逃されがちです。 GNDプレーンを実装できない設計者は、ビアのグリッドパターン（格子状パターン）を使用して電源とGNDとを接続します。これは基本的に配線のあるGNDプレーンをエミュレートするものです。これは格子と考えることができ、1つの線に沿ったいくつかのポイントで電源の接続が発生し、GNDの配線が直交した線に沿って接続されます。 Semtech は非常に適切な例を用意しており、同社は6cmごとに接続を行うことを推奨しています。同社は、電源とGNDとの配線を近くに保持することも推奨しています。ただし、これによって基板に、特にAC電源との間にエッチングが発生する可能性もあります。グリッドパターンを使用して、電源とGNDとを接続すると、GNDプレーンを使用できないときに回路ループを最小化するために役立ちます。配線経路の最適化ループを最小化する以外に、互いに並列している配線を除去するよう心がけてください。これは、相互接続されているデバイス間の並列配線について特に重要です。並列した配線は互いに簡単に結合します。

混合信号システムにおけるEMIを適切なPCBグラウンド設計を使用して減少させる方法

適切なPCBグラウンディング設計で混合信号EMIを低減しますこれらのPCBグラウンディング設計の実践を使用して、混合信号PCBレイアウトでEMIを防止するのに役立ててください。

スルーホール技術を使用する理由

スルーホール技術を使用する理由技術に関しては、特に電子設計では、常に前に目を向け、振り返ることはありません。しかし、時には、古い技術が死なず、それを排除できない場合もあるようです。ただし、必ず理由があります。より大きな利点がある新しいものを選択できるのに、なぜ品質の劣るものを使うのか ? その仮説に異議を唱えたいのです。このブログでは、表面実装技術（ SMT）が最適だと思われるのに、プリント回路基板（PCB）でスルーホール実装（THM）を使用するのはなぜか? 、という問いに答えます。はじめに、 PCB設計プロセスに関連するので、スルーホール実装技術と表面実装技術の概要を簡単に説明しましょう。スルーホールコンポーネントスルーホールコンポーネントには、ラジアルとアキシャルの2タイプのリードがあります。アキシャルのスルーホールコンポーネントは、コンポーネントの対称軸に沿って延びており、ラジアルのコンポーネントは、基板上の同じ面から平行に突き出ています。スルーホールコンポーネントの側面図 PCB上のスルーホールコンポーネント表面実装技術のコンポーネント最近のPCB設計では、次のようになっています。表面実装技術（SMT）は、今日最もよく使用されているパッケージ技術です。これらのタイプのコンポーネントのリードは、非常に小さいか、またはありません。というのも、設計プロセスの間にPCBの表面に直接ハンダ付けされるのが、その主な目的になっているからです。表面実装デバイススルーホール技術と表面実装技術の長所と短所スルーホール技術の長所と短所長所短所

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