PCBレイアウト

二度も三度もスヌーズボタンを押してしまい、渋々ながら目を覚ますことに罪悪感を感じたことはありませんか？私の妻は、目を開けずにスヌーズボタンを押す私が世界記録を持っているのではないかと主張しています。しかし、三度目のスヌーズアラームが不思議と鳴らない時があり、時間通りに一日をスタートさせるのは負け戦になります。 電子機器では、組み込みシステムが外部センサーやスイッチからの入力信号を受け取るためにオプトカプラ回路に頼ることがよくあります。ある意味で、それらはマイクロコントローラーのアラーム時計のようなものです。理想的には、すべての信号がマイクロコントローラーに正確に伝達されます。しかし、オプトカプラのシンボルが適切に実装されていない場合、マイクロコントローラーは入力信号を見逃したり、入力がトリガーされていない時に誤って信号を検出したりすることがあります。このPCB設計オプトアイソレータチュートリアルでは、成功するオプトカプラPCBレイアウトの設定方法について話し合います。しかし、まずはこのオプトカプラチュートリアルでオプトカプラ設計ガイドがどのように機能するかを思い出しましょう。 オプトアイソレータチュートリアル：オプトカプラPCBの基本原則 オプトカプラーまたはオプトアイソレーターは、光学インターフェースを介して入力信号を隔離する電子部品です。最も基本的な形態のオプトカプラーは、単一の集積回路内に赤外線LEDとフォトトランジスタを含んでいます。電流が流れると赤外線LEDが点灯し、その強度は電流の振幅に依存します。LEDの光によってフォトトランジスタが活性化され、そのコレクターとエミッター間に短絡が生じます。 赤外線LEDとフォトトランジスタは、ガラスまたは空気によってしばしば分離されています。これにより、オプトカプラーのPCBレイアウトを通じて10kVの電気的絶縁が実現されます。その結果、オプトカプラー回路は、入力信号の環境から発生する電気的干渉から埋め込みシステムを隔離するのに理想的な選択肢となります。 電気的ノイズから埋め込みシステムを保護するだけでなく、オプトカプラーは低電圧と高電圧システムを分離するためにも使用されます。例えば、フォトトライアックは、オプトカプラーの変形であり、高AC電圧デバイスを制御するために使用できます。例えば、ACモーターです。これにより、マイクロコントローラーとその付随するコンポーネントに損傷を与える可能性のある回路の故障のリスクが排除されます。 PCBオプトアイソレーターチュートリアル：オプトカプラーでの間違い オプトカプラーは、ほとんどの設計者が遭遇する単純な受動部品です。オプトカプラーPCBを動作させることはロケット科学ではありませんが、使用する目的を損なうか、不安定な入力信号を引き起こす設計ミスがいくつかあります。 1. オプトカプラーPCBのグラウンド接続を分離しない。 基本的なオプトカプラーPCBレイアウトでは、集積回路（IC）には2つのグラウンドピンがあります。一方は赤外線LEDに、もう一方はフォトトランジスタに接続されています。PCBをルーティングする際に 両方のグラウンドを一緒に接続することは間違いです。私のエンジニアリング経験では、機械で使用される電子コントローラーでもこれを見かけました。 オプトカプラーを使用する主な理由は、二つの回路を安全に分離することです。外部グラウンドがPCBに接続されると、回路のグラウンドノイズが直接敏感なオンボード回路に結合する可能性があります。代わりに、外部グラウンドピン用の別の信号接続を作成し、入力グラウンドワイヤー用に専用のコネクタを割り当ててください。 2. 電流制限抵抗の値を間違える 適切な出力電圧を適用するだけでなく、オプトカプラーの赤外線LEDには適切な電流が必要です。最小前方電流出力の値は、該当するオプトカプラーの 電流伝達比チャートから参照できます。電流制限抵抗がオプトカプラーの最小値で動作する場合、フォトトランジスタは不規則に動作する可能性があります。例えば、スイッチからの10の有効な入力のうち、一部しか検出されない場合があります。 一方、制限抵抗の値を低すぎに設定してはいけません。これは、赤外線LEDが故障するのを防ぐためです。 通常のLEDと同様に、赤外線LEDには超えてはならない最大前方電流があります。これにより、適切な電流制限抵抗を選択することが、信頼性の高いオプトカプラーPCBの動作を保証するための重要なステップとなります。 3

基板を筐体に配置するときは、何らかの方法でその筐体に取り付ける必要があります。PCBの表面をネジで傷つけずに確実に取り付けるには、通常はメッキスルーホールをただコーナーに配置します。このPCB取り付け穴は通常、ソルダーマスクの下にパッドが露出しているため、必要に応じて取り付けポイントをネットの1つに電気的に接続できます。この場合によく発生する問題の1つは、接地とPCB取り付け穴です。取り付け穴を設計で接地する必要がある場合、どのように接地する必要があるのか？筐体に接続するのか、内部接地のみに接続するのか、それとも別の場所に接続するのか？ これは楽しい質問で、答えは通常、「必ずすべき/絶対にすべきではない」という具合になります。取り付け穴は必ず筐体に接地しているという人もいれば、設計が台無しになるので絶対に接地すべきではないという人もいます。このように定められたほとんどの設計ルールと同様に、実際の答えはより複雑で、入力電力から接地系の構造に至るまで、設計の多くの側面が関わります。PCBへの入力で電源と接地がどのように定義されているかを理解していれば、接地を適切に考慮した取り付け方法を設計することが容易になります。 PCB取り付け穴の設計方法 名前が示すように、PCB取り付け穴は、回路基板を筐体に固定するために使用されます。PCB取り付け穴に関しては、誰もが同意するいくつかのポイントがあります。 金属ネジで取り付けることができるように、取り付け穴は一般的にメッキされている必要がある。 浮遊する金属片はEMIの発生源となるため、取り付け穴は何らかのGNDネット（アース(PE)、信号GND (SGND)、接地済み筐体など）に接続する必要がある。 取り付け穴は、標準サイズの留め具に対応するサイズにする必要がある。 取り付け穴はメッキなしでもかまわないが、設計でプラスチック製のネジやスタンドオフを使用する場合以外は望ましいやり方ではない。 これについては、 位置決め穴に関する以前の記事で少し詳しく説明しました。というのは、一部の有名企業では取り付け穴と位置決め穴を区別していないからです。設計者にとって、このように区別することは重要です。取り付け穴はほぼ確実に基板の接地系の一部になるし、設計におけるEMIと安全性にこの相違がどのように影響するかを正確に考慮する必要があるからです。 メッキした取り付け穴を筐体に接続することはベストプラクティスであり、そのような接続が可能な場合は、筐体の接地をアース接地に接続することができます。ただし、筐体内に金属元素があるバッテリー駆動システムなどでは、必ずしもそうとは限りません。PCBの取り付け穴、筐体、およびアースの接続方法によっては、デバイスでEMIが発生したり、ユーザーが感電したりする可能性があります。後者のケースは、電源の筐体がアースに十分に接地されていないか（プラグを差し込んだとき）、マイナス電源端子が十分に接地されていない場合に（プラグを抜いたとき）、コンピューターの電源で発生するおそれがある問題の1つです。適切なアース接地接続を含め、PCBの接地手法を適切に行えば、フローティング接地をなくすことができます。それが、金属筐体の接地したPCB取り付け穴の主な用途の1つです。 PCBの接地手法と取り付け穴 上の画像は、過度に一般化したものではありません。場合によっては、取り付け穴を基板に接地する必要がまったくなく、代わりに筐体に接地する必要があります。それ以外の場合、選択の余地はありません。接地する場所が他にないため、取り付け穴を内部接続に接地する必要があります。取り付け穴に適用するPCB接地手法では、対処の必要な電流、その電流の周波数、ESDなどの安全性の問題を考慮する必要があります。残念ながら、考えられるあらゆる状況に対応できる単独のアプローチはありませんが、PCBの取り付け時に生じる接地接続をどのように考えたらいいのかは、以下のポイントを参考にしていただければと思います。 ケース1: 低電流DC、ガルバニック絶縁なし 以下の表は、標準的なPCB接地手法の一環として、メッキPCB取り付け穴をどのように扱うのかという状況をいくつか示しています。ここでは、3線式DC（POS、NEG、アースGND接続）、2線式DC（POSとNEGのみ）、3 線式ACをDCに整流した場合を検討します。 入力電力 金属筐体

編集クレジット: CREATISTA / Shutterstock.com ハロウィーンが近づくとともに、寝ても覚めても衣装のことで頭がいっぱいになり、仕事どころではありません。今年は、かなり凝ったフェイスペイントが必要になるので、適切にペイントする方法をあれこれ検索しています。ペイントのレイヤー、色、種類ごとに、適切にペイントするための道具やタイミングが必要です。何の説明書も読まずに予行演習した結果、ペイントした部分が剥がれ落ち、それ以外の部分は完全にそのままでした。ひどいフェイスペイントのために短絡が発生しそうにはありませんが、ソルダーマスクで同じような状況を目にしたことがあります。最近はソルダ―マスクにも複数の色があります！ソルダーマスクのタイプと厚さの選択は、できのよいフェイスペイントの場合と同様に、優れた製品を作るために重要です。そして、失敗するとさらに多くの費用がかかります。 ソルダーマスクとは ソルダ―マスクは、プリント基板の金属部分の酸化を防ぐため、また小さい半田片が望ましくない場所に付着してソルダーパッド間に「ブリッジ」が形成されるのを防止するために使用されます。リフロー、またはソルダ―バスが使用されている場合、それらの技術は、接続すべきでない場所で半田片が接続しないよう十分に制御できないため、プリント基板製造において重要なステップになります。ソルダ―マスクは「ソルダーレジスト」とも呼ばれます。私自身は、ソルダ―マスクは基板に適用された半田のレイヤー全体であると考えていたので、後者のほうがよい呼び方だと思います。 プリント基板へのソルダ―マスクの適用方法 ソルダ―マスクは、プリント基板の金属配線全体に適用されるポリマーレイヤーです。 マスクの素材はさまざまな種類があり、いずれが最適かはコストと用途によって決まります。最も基本的なソルダ―マスクは、シルクスクリーンを使用してプリント基板全体に液状エポキシをプリントします。これは、ステンシルを使ってエアブラシでフェイスペイントを塗るようなものです。 より手の込んだタイプでは、ドライフィルムや液状ソルダ―マスクを用いて感光するソルダ―マスクがあります。液状感光性ソルダーマスク（LPSM）は、エポキシと同様のシルクスクリーンプリントや、多くの場合低コストですむ表面へのスプレーが可能です。ドライフィルム感光性ソルダーマスク（DFSM）は、気泡による不具合が生じないよう、基板に真空積層させる必要があります。いずれの感光性ソルダ―マスクも、パッドがコンポーネントに対して半田付けされ、焼付の過程あるいは紫外線照射によって硬化する箇所がマスク内にないように形成されます。 ソルダ―マスクは、エポキシ、または感光性ポリマーとして適用されます。 どのソルダーマスクを使用すべきか 最適なソルダ―マスクは、基板、穴、コンポーネント、導体の物理的な寸法や、表面のレイアウト、製品の最終用途によって決まります。 まず、航空宇宙、通信、医療、あるいはその他の「高信頼性」が要求される分野で使用されるプリント基板の場合は、ソルダ―マスクに関するその分野での基準や、一般的な用途に関する基準を確認します。インターネットで見つかるようなその他の要件より優先される特定の要件があります。 最近の多くのプリント基板設計では、 感光性ソルダ―レジストをお勧めします。液状とドライのどちらを使用するかは、表面形状によって決まります。ドライマスクは、表面全体に均一の厚さで形成されます。ただし、基板の表面が非常に平らな場合に最もよく付着します。表面形状が複雑な場合は、液状（LPISM）オプションの方がトレースの銅箔や積層によく付着し、よい結果を得られるでしょう。液状オプションの欠点は、基板全体で厚さが完全には均一にならない点です。 マスクレイヤーにはさまざまな仕上げを施すこともできます。可能な処理および製造への影響について、製造業者と話してください。例えば、半田リフロープロセスを使用している場合、マット仕上げにより半田ボールを減らすことができます。 半田リフロープロセスを使用して製造されたプリント基板には、ソルダ―マスクが必要です。 マスクの仕上がりは、リフローの品質に影響する可能性があります。

不動産業界では、「立地、立地、立地」という言葉がよく使われます。興味深いことに、高速PCBレイアウトにおいても同じことが言えます。 高速PCB設計プロセスのすべての側面が重要ですが、特に部品の配置は、簡単な配線、EMIの最小化、そして追加のレイヤーが不要になる可能性を高めるために特に重要です。標準的なPCB設計で問題なく機能する配置方法でも、高速設計の厳しい信号フロー要件を満たさない場合があります。設計が機能するためには、本当に「立地、立地、立地」がすべてです。 高速PCBレイアウトを作成する際に考慮すべきいくつかのヒントと戦略をここで紹介します。まず、高速設計における基本的な部品配置の考慮事項を見ていきます。次に、ボード上に部品を配置する前にフロアプランを作成する利点について説明します。最後に、そして決して重要性が劣るわけではありませんが、終端抵抗の配置について議論します。 高速PCBレイアウトにおける部品配置 PCBレイアウトは、多くの競合する目標を持つ難しいパズルのようなものです。しばしば、あるフォームファクターの制約や層数の目標を満たす必要があり、これらの制約やその他多くの要件を満たすように部品を配置する必要があります。 高速PCBレイアウトでは、部品は一般的に以下の方法で配置されるべきです： 回路ブロックごとにグループ化する：まず、システム内で特定のタスクを実行するコンポーネントをまとめます。例えば、電力調整に関わるすべてのコンポーネントを一緒にグループ化するべきです。 大きなプロセッサの周りにグループ化する：これらのコンポーネントは高いI/O数を持ち、グループ化された回路ブロックと直接インターフェースします。中央のプロセッサの周りに第一レベルの回路ブロックを配置し、その周りに下流のブロックを配置しようと試みてください。 ルーティングチャネルへのアクセスによってグループ化する：別のコンポーネント上の共通インターフェースにアクセスする必要がある一連のコンポーネントがある場合、これらのコンポーネントのピンが互いに向き合うように配置しようとしてください。これが常に可能というわけではありませんが、成功すれば内部層を通過したり、他のコンポーネントの周りを長いパスでルーティングする必要はありません。 下の画像では、レイアウトの最も右側に大きなMCUがあり、その周りにはピンがMCUを向いて配置された他のコンポーネントがグループ化されているのがわかります。左側にさらに進むと、コネクタ、LED、およびいくつかの受動部品などの二次コンポーネントが見えます。これらは大まかにMCUの一方の側面を向くように並べられています。これにより、MCUから左側のボード領域へ直接ルーティングすることが可能になります。 高速PCBレイアウトの例 回路の機能ブロックの配置を計画する際には、電源とグラウンドプレーンのニーズも考慮してください。通常、連続した電源プレーンの使用が好まれますが、設計のニーズにより複数の電圧用に分割された電源プレーンが必要な場合は、分割された部分をまたいで接続されたコンポーネントを配置する際に注意してください。高速伝送線は電源プレーンの分割を横切るべきではありません。それによって、これらの信号の リターンパスが途切れてしまいます。また、その回路の一部ではない他のコンポーネントを、その回路のコンポーネント間に配置することも避けてください。これもその回路のリターンパスに影響します。 部品配置における異なるコンポーネントブロック、コネクタ、その他の回路についてもう少し詳しく見てみましょう。 レイアウトのフロアプランニングによる配置準備 配置のためのフロアプランを作成することは、高速PCBレイアウトを準備する効果的な方法です。事前に計画することで、上述したようなコンポーネントのグループを考慮に入れることができ、設計の最後の段階で配置される際に驚くことがありません。 機能ブロック 電源、RF、デジタル、アナログなどの回路の機能ブロックは、信号の交差を最小限に抑えるために、グループとして整理して配置するべきです。事前配置フロアプランにより、機能ブロック間の信号フローがどのようなものか、そしてそれに最適な計画方法を把握できます。例えば、可能な限り低周波数のアナログを一緒にグループ化することで、高周波数または高速信号がアナログ回路の敏感な領域を横切る必要がなくなります。 EMIとコネクタ 高速動作するデバイスを基板の端に近づけて配置するのは避けるべきです。これは、基板の端が開いた空洞のように機能し、電磁放射が基板の端から漏れ出る可能性があるためで、これにより他のコンポーネントに影響を与える電磁干渉（EMI）が増加する可能性があります。

アメリカ西部の賭博師は、勝負を決めるための切り札を袖口に忍ばせていた、という話をご存知でしょうか。あまり道徳的な例ではないものの、原理的には悪くありません。いつもポケットに切り札を入れておいて、必要なときに使えるとしたら素晴らしいことでしょう。設計者にとっては、これは日常生活だけでなく設計でも重要になります。 設計であれ、CADツールの機能であれ、製造に関する問題であれ、誰でもどこかの時点で助けが必要になります。問題に押し流されてしまうのは簡単ですが、そうなる必要はありません。設計者がポケットに忍ばせておける有用なリソースはオンラインでもオフラインでも見つかります。優秀な設計者がこれを実践している方法をいくつかご紹介しましょう。 同僚とのコミュニケーション これは当然のことのように思われるかもしれませんが、私たちは同僚の経験がいかに貴重なものかを忘れてしまうことがあります。助けを求めるのが恥ずかしいことではない、ということも覚えておきましょう。豊富な設計経験を持つ同業者の人脈を持っている場合は、これが特にあてはまります。私はずいぶん前にプライドを忘れることを覚えました。問題を解決しようとしているときには、邪魔以外の何物でもないからです。それ以来、問題にぶつかったときに頼れる同業者の人脈は着実に増えています。それに、私は友人や家族など、同業者以外の人たちにもためらわずに助けを求めます。解決策はすぐ目の前にあることもあります。つまり、あまりにも近くにありすぎて気付けないでいる場合です。私の配偶者はPCB設計のレイアウトについては何も知りませんが、設計関係の問題の解決を時々助けてくれます。話をじっくりと聞いて、私の考えが間違っていることを指摘してくれるのです。 一言で言うと、助けが必要なときは助けを求めることです。 回路図のレイアウトで問題にぶつかったら、同僚に相談する あなたを待っている膨大な量の情報 この記事をお読みになっているのですから、皆さんはworld wide webが設計に関する問題の答えを見つけるための素晴らしい情報源であることをご存知のはずでしょう。これを活用する秘訣は、探している答えが効率的に見つかるようにすることです。そのヒントをいくつかご紹介しましょう。 具体的な検索語句を使う: PCB設計の初心者であれ、何十年もの経験があるベテランであれ、他の設計者が経験したのと同じ問題にぶつかる可能性は大いにあるでしょう。運がよければ、その問題がオンラインで共有されていることもあります。問題を具体的に検索すれば、的を絞った情報を見つけて解決までの時間を短縮できます。 情報源について批判的に考える: オンラインで見つかる大量の情報は、吉と出ることも凶と出ることもあります。選べるリソースにはたくさんの種類があり、どれが最も効果的なのかは簡単にわかりません。 Web上のフォーラム: 多くの場合、Web上のフォーラムは特定の問題を解決するための有益なリソースというだけでなく、絶好の議論の場でもあります。問題をあらゆる角度から考えられるのはよいものの、偏った情報に遭遇することにもなります。これは、フォーラムに参加しているメンバーがそれぞれに違う経験をしていたり、異なる設計ツールを使っていたりするからでしょう。結論を言えば、必要な情報を手に入れたら、それについて少々調べてみる必要があるかもしれません。 ブログ記事とFAQ: メタ発言になってしまう危険があるため、これらについて深く掘り下げるのはやめておきますが、専門的なサイトで公開されているブログ記事やFAQは、開始地点として優れたリソースです。設計の問題に対する解決策を見つけるための正しい軌道に閲覧者を誘導することが意図されているため、うまくいけばさらに詳しい情報が手に入ります。一番重要なことですが、ブログの記事やFAQでは公開前に見直しを行うことで信頼性が確保されています。 ホワイトペーパー: このリスト内で最も徹底したリソースは、間違いなくホワイトペーパーでしょう。直面している問題によっては、完璧な解決策にも行き過ぎた情報にもなり得ます。調べるのに集中力が必要になるため、答えを入手できそうな注目すべきブログ記事や参考資料に遭遇できれば理想的でしょう。