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最新のPCBレイアウトの課題の解決方法 Whitepapers 最新のPCBレイアウトの課題の解決方法 はじめに 「ママ、子供たちを小さくしちゃったよ」、「世界って小さいんだね」。ディズニーファンにはおなじみのフレーズです。しかし、これらのフレーズを使って、プリント基板(PCB)設計の継続的な小型化を同様に簡単に表現できます(図1)。以下の統計を考えてください。 過去10年間で平方インチ当たりのピン数が3倍になった一方で、基板面積は比較的一定に維持されました。 15年間で、部品1個当たりの平均ピン数が4 ～ 5分の1に減った一方で、平均部品点数が4倍になりました。 設計のピン数は3倍になり、ピン間の接続数は倍増しました。 その結果、部品と最終製品が小さくなるにつれて、PCBレイアウトはより高密度かつ複雑になりました。PCBの小型化と複雑性がともに高まることで、全ての部品を調和させ確実に動作させる責任があるPCB設計者は複数の課題に直面しています。ある調査では、エレクトロニクス企業の53%が、最も競争力のある製品を低コストでより迅速に市場に投入しようとする際にPCBの複雑性が増大することが主な課題であると回答しま した。PCBレイアウトの最も一般的な課題の一部を以下に示します。 多ピンボールグリッドアレイ(BGA)の配線 小さく不規則な形状の製品に適合するフレキシブルPCBの設計 層数を増加させることなくPCBレイアウト密度を高めること 複雑な多層PCB設計における電圧降下の回避 効果的なECAD-MCAD統合と製造業者とのよりよいコミュニケーションの確保 高密度で複雑なPCB上に十分なテストポイントを備えること これらの課題は全て、最先端の統合PCBレイアウトソフトウェアによって軽減できます。 BGAの配線の課題を解決 BGAは、多ピン超高密度のPCBと集積回路(IC)のパッケージ化のための一般的な手法です。PCB設計者がBGAを選択するのは、小型化および機能要件を満たすのに必要な柔軟性を備えていながら、コスト効率を高めることができるためです。問題は、ピン数が増えピッチが細かくなるにしたがって、「BGAブレークアウト」(BGAの配線)がさらに難しくなるということです。非効率的な配線は層数を増加させ、ひいてはコストを押し上 げ、シグナルインテグリティの問題、層間剥離、ビアのアスペクト比の問題を発生させる場合があります。(※続きはPDFをダウンロードしてください) 今すぐ
EMI/EMC設計: AC信号およびDC信号の絶縁によるPCBノイズリダクション EMI/EMC設計: AC信号およびDC信号の絶縁によるPCBノイズリダクション AC信号およびDC信号は、動作のために両方を使用するデバイスにとって重要です 高校で、物理の先生がいつもEdisonとTeslaの「電流戦争」について話してくれたものです。当時は、Edisonが直流送電（DC）を好んで使用し、Teslaが交流電力（AC）を好んだ理由など、全く関心がありませんでした。それが、PCBのACシステムとDCシステムの間で起きる「電流戦争」を直接体験するようになって変わりました。今日、多くのPCBはACとDCの両方の回路を使用します。ACとDCがぶつかると、多くの場合電磁妨害（EMI）という形で問題が起きます。幸い、「電流戦争」と同じように事態は治まります。最新のPCBでは、ACとDCの信号は協調的に共存できます。カギは絶縁です。 電磁妨害からの絶縁 AC回路とDC回路の間の干渉を管理する簡単な解決策がいくつかあります。主に、コンポーネントの遮蔽、システムの隔離、専用電源、十分な基礎知識、非橋絡絶縁などです。 遮蔽: ご存知のとおり、EMIを放射する可能性のあるコンポーネントはPCBに多数あります。電源、ICクロック、オシレーターなど、いずれもACコンポーネントと干渉する可能性があります。「ノイズを発する」DCコンポーネントからのEMIを制限する、あるいは影響されるACコンポーネントを保護する方法の1つとして、ノイズの単純な遮蔽があります。遮蔽は基本的に、筐体内の空気を通じて放射されているEMIが遮蔽された回路を妨害しないことを保証します。したがって、保護や制約が必要なものがある場合は、人類が何百年も行ってきたことを行い、金属ボックス内に配置します。マルチレイヤー基板がある場合は、シールドとしてグランドプレーン層を使用することもできます。効果的である一方、遮蔽は基板の重量とコストが増加するので、EMIの低減と他の問題とを注意深く比較検討してください。 基板が単純でも複雑でも、AC/DCの隔離によるメリットはあります 隔離: EdisonとTeslaが同じ部屋にいたら、お互いに聞きたいことが必ずあったはずです。ないとすると、より物理的な妨げによるものでしょう。幸い、この2人は通常離れていたので、ACコンポーネントとDCコンポーネントはそれぞれの導線につながっていたはずです。チップでもトレースでもACシステムとDCシステムをPCB上に相互に離して配置すると、システム間に「クロストーク」がない状態を確保できます。ACとDCのシステム間に物理的な距離をとる十分なスペースが基板上にない場合は、隔離が必要なコンポーネント間のグランドプレーンにギャップを設けることもできます。グランドプレーンのギャップは、プレーンを流れる電流を強制的にギャップの周りに流します。この方法は、戦略的に使用して、反応しやすいシステムの周りに電流を経路変更できます。要するに、配線を交差しないということです。単純な回路では簡単にうまく隔離できますが、より複雑な回路ではかなり難しくなります。ACとDCの隔離のために最善を尽くしてください。ただし、最適な結果を得るのは難しい場合があることを覚えておいてください。 電源: 各AC/DC PCBでは、ACコンポーネントとDCコンポーネントに別々のパワーレールが必要です。DCコンポーネントは、電源からスパイクを引き起こし、電圧過渡になる可能性があります。ACコンポーネントはこの電圧過渡で動作する（あるいは動作しない）場合がある一方で、このとき最高能力で動作することはありません。電圧過渡が極端な場合、ACコンポーネントはエラーを発生するか、完全に動作を停止します。電源を別にすることは不便かもしれませんが、チップが動作しないよりはましです。 接地: ご存知のように、AC/DC回路の接地は複雑な問題です。あまりにも複雑なため、この記事では完全に掘り下げて考えることができません。しかしながら、アドバイスを提供することは可能です。接地グリッドまたはプレーンの電流のリターンパスを確認してください。DC電流は、最小の抵抗性インピーダンスパスに流れる一方で、ACのリターン電流は最小のリアクタンス性インピーダンスパスに流れます。ACのリターン電流では、最小リアクタンス性インピーダンスのパスは常にトレースの下にあります。リターンパスは忘れがちですので注意してください。グランドプレーンをチェックして、電流のリターンパスをトレースしてください。前の「隔離」の推奨事項も適用して、配線が見えない場合も、配線を交差しないようにしましょう。 橋絡（しない）: 読者の皆様は、私が提供した（すばらしい）全てのアドバイスに従った場合、2つの適正に隔離されたACシステムとDCシステムを持っているはずです。プレーンにギャップがあり、それらの橋絡を考えているなら、お止めください。この記事全体は、AC/DCの隔離について書いていますので、橋絡を行うと、これまでのアドバイスは全く意味がなくなります。 PCB設計ソフトウェアが、AC信号とDC信号が隔離された基板の設計をサポートします ソフトウェアによりACとDCを隔離する方法 経験に基づくこれらの方法は、よいアドバイスかもしれませんが、実施計画なしに活用することはできません。ここで PCB基板設計ソフトウェアの出番です。隔離は、PCB設計を色分けすることで完了できます。ACおよびDCシステムは、それぞれに異なる色を割り当てることにより、トラッキングできます。両システムが物理的にも電気的にも相互に隔離されていることを確証できます。方法については、
PCB内に埋め込まれた側面発光LEDを作成するための実践的なステップ PCB内に埋め込まれた側面発光LEDを作成するための実践的なステップ 埋め込みPCBの空洞は、LEDなどのコンポーネントに側面からアクセスするために、PCBの端に沿って使用することができます。
基板レイアウトガイドライン 知っておくべき上位5つのPCB設計基準 アルティウムは、確実に基板が意図した通りに作動するように全ての設計者が知るべき必須の基板レイアウトガイドラインを編纂しました。業界を主導するエキスパートが執筆しています。
より効率的なレイアウトのために、コンポーネントをルームにグループ化する Whitepapers より効率的なレイアウトのために、コンポーネントをルームにグループ化する コンポーネントの配置とトレースを適切に管理する鍵は、個々のオブジェクトを一つ一つ変更するのではなく、オブジェクトをグループ化するさまざまな技術を利用することです。多くのユーザーは、コンポーネントを一つずつボードレイアウトに持ってくる必要があるという考えを嫌います。この文書では、Altium Designerがレイアウト管理をより簡単で時間をかけずに行うためにできることを詳しく説明しています。これにより、プロジェクトの締め切りを守ることができます。 PCBコンポーネントのグループ化への導入 PCBのグループコンポーネントレイアウトは、コンポーネントとトレースが適切に整理されていない場合、本当に散らかることがあります。管理されたデザインレイアウトの最も一般的な方法は、ルームの使用を通じてです。ルームは、デザインコンポーネントの配置をより良く管理するために使用でき、下記で詳しく説明されているように、コンポーネントの起源を簡単に特定するのに役立ちます。 ルーティングが行われずに多くのコンポーネントが使用されると、接続のためのラットネスト（絡まった線）も痛みの原因となります。これは、レイアウト全体に接続線を生成するために追加のリソースを消費し、システムのパフォーマンスを大幅に低下させ、コンポーネントの配置をはるかに困難にします。この絡み合いは、PCB設計サービスを外注したくなるほどですが、PCBデザイナーを社内に留めておくためのより良い選択肢があります。 ALTIUM DESIGNERでのルームの使用 ルームは、通常、スキーマティックからPCBコンポーネントのレイアウトエディターへのデータ転送を加速するために使用され、各ルームはそれぞれのスキーマティックシートデザインとして定義されます。これにより、プリント基板の設計とPCB製造プロセス全体のデータ管理が向上します。電子部品は各シート上でコンポーネントクラスとして定義され、その生成はプロジェクトの設定を通じて定義されます。例えば、プロジェクトには5つの異なるシートが含まれており、それぞれが特定のPCBグループコンポーネントのレイアウトを含んでおり、フラットデザインと階層デザインの重要性が無効になります。スキーマティックがプロジェクトのPCBレイアウトに移されると、プリント基板の設計とレイアウトには、使用されるそれぞれの電子部品を含むシート定義のルームデータが含まれるようになり、図1に示されています。ECO生成後にまだルーム内に配置されていないコンポーネントがある場合、それらの上に手動でルームを定義するか、将来の設計更新のために新しいルームにコンポーネントパーツをドラッグすることができます。 図1: シートリンクされたコンポーネントでルームを生成する。 部屋についての素晴らしい点は、部屋のデータとコンポーネント部品をロックできる部屋の設定機能です。図2に示すように、プリント基板のコンポーネントを部屋内でロックすると、その部屋を移動させて、マウスドラッグ操作一つで割り当てられたすべてのコンポーネントを一緒に持っていくことができ、その後、部屋のロックを使用して部屋を固定することができます。これにより、ユーザーが個々のオブジェクトやデータ、または選択したグループのPCBコンポーネントとオブジェクトを手動で移動させる手間が省け、好みの回路基板レイアウトのためにグループ化することができます。もちろん、電子コンポーネントのロックを解除して、それぞれを個別に移動させる機能もオプションとして追加されており、オブジェクトやデザインに変更が必要な場合に最適な柔軟性を提供します。 図2：部屋は移動を防ぐためにロックすることができます。 ネットの非表示 ユーザー定義のネットは、 プリント基板レイアウト内の特定のオブジェクトに割り当てられ、作成されるべき接続を定義します。例えば、BGAは、レイアウト内の他のオブジェクトに接続されることを待っている様々なネットを含む複数のビアとパッドを持っています。BGAが未配線のままにされると、接続のラットネストが表示され、これが部品間の視覚的な混乱を引き起こし、部品配置を妨げます。これは、特定のネット、基板コンポーネント、またはその両方に対して行うことができる非表示にすることで簡単に解決できます。 図3: 未配線のパッケージを非表示にすることで、ネットのラットネストなしに何をルーティングしているかが見えるようになります。 結論 要約すると、ボードレイアウト内でのルームと外観の利用は、コンポーネントのレイアウトを簡素化することができます。もしプリント基板設計ツールにそのような機能が含まれていなければ、PCBボードのレイアウトに多くの時間を費やし、おそらく期限に間に合わない結果となるでしょう。誰が、色とグルーピングがコンポーネント配置レイアウトに大きな違いをもたらすと思っただろうか？
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