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PCB配線

ストリップライン対マイクロストリップ: その違いとPCB配線のガイドライン

ストリップライン対マイクロストリップ: その違いとPCB配線のガイドライン筆者は、初めて高速設計技術についての説明を聞いたとき、全く頭に入ってきませんでした。これは、筆者が設計者としてのキャリアを開始したばかりだったので、困惑の原因が経験不足であったことは確かです。ストリップラインおよびマイクロライン配線の概念そのものが全く理解できませんでした。講師が、自分になじみのない全く異なるタイプのPCBについて話していると思いました。幸い、それらがストリップラインやマイクロストリップというPCBではないことを知って、この困惑はすぐに解決しました。そうではなく、ストリップラインおよびマイクロストリップは、PCBに高速の伝送線路を配線する、2つの異なる方法でした。ストリップラインとマイクロストリップは、場合によっては理解しにくいものです。ですから、設計初心者やこのトピックについての再トレーニングを探している設計者に、この基本レビューは最適です。ストリップラインおよびマイクロストリップについてストリップラインおよびマイクロストリップとはストリップラインおよびマイクロストリップは、PCBに高速伝送線路を配線する方法です。ストリップラインは、PCBの内層の2つのGNDプレーンに挟まれた、絶縁材で覆われた伝送線路配線です。マイクロストリップ配線は、基板の外層に配線された伝送線路です。このため、絶縁材によって単一GNDプレーンから分離されます。マイクロストリップは、基板の表面層に伝送線路を配線するため、ストリップラインよりも優れた信号特性を持ちます。1つのプレーンと1つの信号層から成るレイヤ構成で製造プロセスがより単純なため、マイクロストリップは基板の製造コストも節約できます。ストリップラインは、2つのGNDプレーンの間に組み込まれた配線をサポートする複数のレイヤが必要なため、製造がより複雑です。ただし、ストリップラインでコントロールされるインピーダンストレースの幅は、同じ値のマイクロストリップのインピーダンストレースより狭くなります。これは、2つ目のGNDプレーンによります。このようにトレース幅が狭くなると、回路を高密度にできるため、よりコンパクトなデザインが可能になります。ストリップラインの内層配線はEMIも抑え、より確実な危険防止策を提供します。ストリップラインとマイクロストリップには異なる長所があります。どちらの方法がよいかの判断は、設計ニーズに基づいて行う必要があります。高密度の高速設計では、多くの場合、多層基板で2つの方法を併用して設計目標を達成します。さらに、高速設計で伝送線路を配線する際、設計全体でコントロールされたインピーダンスを保持することは非常に重要です。伝送線路が配線されたPCBのレイヤー、伝送線路トレースの物理特性、絶縁体の特性は全て、回路に最適なインピーダンス値を設定するため、一緒に計算する必要があります。インピーダンスの計算に使用するストリップラインおよびマイクロストリップのモデルが異なる、さまざまなインピーダンスカリキュレーターがあります。 PCBの設計において重要なストリップラインおよびマイクロストリップ配線ストリップライン配線およびマイクロストリップ配線の例以下に、ストリップラインおよびマイクロストリップの配線技術の例と、それらの特性がインピーダンス計算に及ぼす影響を説明します。マイクロストリップ。外層に配線された伝送線路がマイクロストリップとみなされます。これらのモデルは、トレースの厚みと幅、および基層の高さと絶縁体の種類に基づきます。エッジ結合マイクロストリップ。この技術は、差動ペアの配線に使用されます。標準的なマイクロストリップ配線と同じ構造ですが、モデルは、差動ペア用の配線スペースが加わり、より複雑です。エンベデッドマイクロストリップ。この構造は通常のマイクロストリップと似ていますが、伝送線路の上に別の絶縁体層がある点が異なります。ソルダ―マスクは絶縁体層とみなすことができ、インピーダンス計算で考慮する必要があります。シンメトリックストリップライン。（2つのGNDプレーンの間の）内層に配線されるストリップラインは、シンメトリックストリップライン、あるいは単に「ストリップライン」配線とみなされます。マイクロストリップと同様に、このモデルは、2つのプレーンの間に組み込まれているトレースに応じて調整された計算により、トレースの厚みと幅、および基層の高さと絶縁体の種類に基づきます。アシンメトリックストリップライン。シンメトリックストリップラインモデルと似ていますが、このモデルは2つのプレーンの間で厳密には層間の中心にない伝送線路を考慮しています。エッジ結合ストリップライン。この技術は、内層の差動ペアの配線に使用されます。標準的なストリップラインと同じ構造ですが、モデルは、差動ペア用の配線スペースが加わり、より複雑です。

アナログGNDおよびデジタルGND接続にスターポイントを使用する方法

Thought Leadership アナログGNDおよびデジタルGND接続にスターポイントを使用する方法私にとってデートで一番難しいのは、そもそも人に会うことです。私は技術者なので、生活の大部分をコンピューターの前で過ごし、いろいろな人と話をすることがありません。それが、デートサイトやデートアプリが素晴らしいアイデアだと思う理由の1つです。他の方法では全く不可能であろうつながりを持つのに役立ちます。他の人と絆を結ぶことは困難ですが、アナログGNDプレーンとデジタルGNDプレーンをリンクするのは、さらに困難です。ノイズが多いデジタルチップは、敏感なアナログ回路に干渉する場合があります。したがって、この2つは離す必要がありますが、一方で同じGNDに参照される必要もあります。プレーンを行き当たりばったりに接続すると、解決できないほど問題が発生する場合があります。そこでスターGNDの出番です。スターGNDでは、デジアナ混在信号回路の異なるGNDを結合できます。デジアナ混在信号接地の問題デートと同じように、デジアナ混在信号PCBの接地は、多くの問題と解決策があり複雑です。ご存知のように、EMIを減らすには、アナログ信号とデジタル信号を離しておく必要がある一方で、これらは一緒に接地する必要があります。接地が不適切だと、大きなGNDループができて、回路の中やおそらく周囲にノイズが発生します。デジアナ混在信号基板での主な問題は、デジタル回路です。デジタルスイッチングチップは、ノイズが非常に多いのですが、単独では問題になりません。しかし、アナログ回路と組み合わせると、デジタルEMIはしばしば、敏感なアナログ信号と混じってしまいます。このような理由で、一般に、これらの2つのシステムは離しておくべきなのです。アナログ回路とデジタル回路を離すことで、別の問題が発生します。それは、浮動接地です。アナログチップとデジタルチップは全て、適切に動作するため、同じGNDに関連付ける必要があります。別々のアナログGNDプレーンとデジタルGNDプレーンを好きな場所に接続すると、GNDループができます。大きなGNDループは、アンテナの役目を果たし、基板の他の部品に、またおそらくデバイスの外に EMIを放射します。スターGNDでは、アナログ回路とデジタル回路を一箇所に接続できます。すると、GNDループやEMI放射の可能性が低くなります。全てのGND接続はスターGNDで終端する必要があります。スターGND 多くの人々が、愛について説明しようとして失敗してきました。私はそれほど大胆ではないので、スターGNDの概要を述べるだけにします。

RS485はワイヤレス通信テクノロジーの時代を生き延びられるか

RS485はワイヤレス通信テクノロジーの時代を生き延びられるか私は、携帯電話業界に最近復帰したNokia 3310をこよなく愛しています。この製品を使ったことがないなら、あなたは近年の歴史において最も信頼性と耐久性が高い携帯電話の1つを知らないことになります。2000年初期とは異なり、現在ではくるみ割り器としても使えたり、高所からの落下にも耐えられたりする携帯電話は滅多に見られません。電子設計において、これと同じような堅牢性と信頼性を持つのが、RS485通信です。Nokiaと同様に、私はRS485をいつまでも使い続けるつもりです。しかし、ワイヤレス通信テクノロジーが日々ますます遍在的になるにつれ、この多くの実績のあるプロトコルも過去の遺物となってしまうのであろうかという考えに駆られることがあります。 RS-485とアプリケーション私はNokiaを愛していますが、以前に文字にも電話にも応答しない女の子とデートしたことがあります。彼女が会話さえ拒否するようになるまで、私はこれを問題とは思っていませんでした。結局のところ、人間関係も電子回路も、連絡が無ければ正しく機能しないということです。電子機器は多くの場合、互いに数百メートルも離れた場所に、理想的ではない電気的環境で設置されます。このため、電気的な干渉、距離、速度の懸念に信頼性の高い方法で対応できる通信方法が求められます。干渉 : RS485 は半二重の差動モードでデータを伝送するシリアル通信プロトコルの電気的特性を定義する規格です。差動信号とより線ペアケーブルにより、RS485上で伝送されるデータは1200mまで伝達可能で、信号の干渉に対しても高い耐性があります。プロセス自動化においては、RS485が今でも主流です距離 : Nokiaによって解決できなかったもう1つの通信の問題は、欧州へ旅行中に、北米に住んでいるガールフレンドに電話したときのことです。9時間の時差があるため、私が起床して一日の行動を開始する頃、彼女は寝る前ということになり、互いに関係を保つことが困難になりました。もしも私たちがRS485のような通信の専門家であり、位置の相違の問題を解決できたならうまく行っていたでしょう。異なる場所で動作するデバイスには、それぞれ異なる接地ポイントがあり、相対電圧も異なります。RS485では、2つのデバイスが参照しているGNDの電位が異なる場合でも、データインテグリティーは無事に保たれます。これは、RS485が差動信号を使用し、論理1は一対のデータラインの中で論理0により反映されるためで、データ信号をGNDに対して参照するシングルエンドの信号とはこの点が異なります。速度 : 最大距離における伝送速度は100kbpsと規定され、これはほとんどのアプリケーションで十分以上の速度です。これに対してRS232などの標準はシングルエンドの信号処理を使用しているため、最大で15mまでしか伝達できません。これに近い性能を持っているのはCANバスで、 1,000mの距離で50kbps までの伝送速度を実現できますが、RS485と比較して、ファームウェアレベルでの実装ははるかに困難となります。 RS485は電気的な標準のみを定義しており、インターフェイスのプロトコルは Modbus

高電圧設計向けのPCBレイアウトについて計画する方法

Thought Leadership 高電圧設計向けのPCBレイアウトについて計画する方法以前、都市プランナーの友人とトレイルランニングをしていたことがあります。私が疲れてやる気を失くしてしまう前に少しでも長く走らせようと企んだ彼女は、街の区画整理や建設に関することについてあれこれ聞かせてくれました。地元の政治の裏話に興味をそそられた私は、走る辛さを忘れたものです。友人は賛成しないでしょうが、高電圧PCB向けのレイアウトは複雑な都市計画にいくつかの類似点があります。高電圧PCBでは通常のPCB設計に関する検討事項に加え、最終製品の最高性能を確保し、寿命を迎えるまで保護するために、基板全体で電界強度を制御、最適化できるレイアウトが必要になります。高電圧領域の分離都市計画で区画地域を指定し、土地の用途を制限するのと同じように、設計者は高電圧回路をグループ化し、基板の他の部分への影響を最小限にしなければなりません。高電圧と低電圧の領域を分離することで、基板でのアーク放電のリスクを低減できます。高電圧の領域を物理的に分離する方法の1つは、周辺にinsertを追加することです。基板のレイアウトを作成する際は、insertを配置した場所にルータ加工する長穴を配置します。長穴が実装できるかどうかや、長穴の許容差については、製造業者に確認する必要があります。基板の中で最も電圧が高い領域の近くに長穴を配置すると、過電圧になる可能性が高くなります。 Proto Express は、度重なるアーク放電に耐え得るよう長穴を設計することを推奨しています。長穴の最小幅は、基板で想定される最高電圧で十分な保護を確保できるものでなければなりません。長穴のサイズに少しマージンを追加すれば、コロナ放電やアーク放電で長穴の縁が炭化しても、PCBは損傷を受けずにすみます。これが重要なのは、縁がアーク放電による損傷を受けるのに伴って、PCB材料の耐性が低下するからです。長穴は、基板の他の機能やビアと同様に、製造中にルータ加工されます。これが完了すると不活性絶縁材が長穴に追加され、垂直の障壁が形成されます。電圧が低ければPCB材料を使用できるものの、電圧が高い場合はポリエステルやテフロンなどの材料を使用したほうがよいでしょう。insertはクリップや接着剤で固定できるほか、長穴やinsertを所定の場所にロックできる形状に設計することも可能です。高電圧の領域を分離することは、基板全体の電圧を徐々に下げるために重要基板全体の電圧を徐々に低減電圧の高い領域を分離した後も、残りの部分を「区画分け」して電圧を徐々に下げられるようにしなければなりません。ここでは、メインの導体の周辺に低電圧で稼働する回路を配置することで、電界を再分離できます。電界強度が低い領域では、コロナ放電やアーク放電が発生する可能性が低くなります。高電圧設計での電界の分離には、電圧浮動環や電界格子環も使用できます。これらの環は、設計で保護される高電圧源のAC/DCの特性に応じて、抵抗やコンデンサーと連動したり、終端として機能したりします。かなり高度な設計コンポーネントのため、使用を検討する場合は資料を詳しく確認することが推奨されます。ノイズ源の分離

高電圧PCB設計についての検討事項

Thought Leadership 高電圧PCB設計についての検討事項私は以前、高電圧の応用は電力工学だけに必要なものだと考えていました。発電所や変電所で働く気はまったくなかったので、高電圧PCBの設計について学ぶことを免れていたわけです。ところが、空間の応用に興味を持った時点で、その考えが間違っていたことに気付きました。そして、怠惰な自分と向き合わざるを得なくなってしまったのです。高電圧の応用は、製造や発電所から医療や航空宇宙まで、ほぼすべての業界に存在しています。高電圧の応用に向けたPCBの設計では、設計や製造の全工程でさまざまな内容を検討しなければなりません。基板は過酷な状況で稼働することが条件となっており、部品や材料の寿命に大きな影響を受けます。これに挑戦しようという意気込みがある場合は、レイアウトの作成を開始する前に、いくつかの検討事項を確認しておきましょう。動作周波数についての検討事項製品の動作周波数は、 ESD と同様に高電圧設計に影響を及ぼし、ノイズ管理は基板に影響を及ぼします。これは、高周波が低い電圧でアーク放電を成し、信号線の周辺でより厳重なスペースが必要になるからです。周波数帯のもう一端にある低電圧DCについても、特別な検討が必要になります。特定の環境条件では、DC差動がエッチングやエレクトロケミカルマイグレーションの原因になることがあります。これらはどちらも望ましいものではなく、エレクトロケミカルマイグレーションは高電圧設計の性能や寿命により大きな危険をもたらします。というのも、導体パッドやトレースに whisker と呼ばれる微細な導電性のフィラメントが「成長」し、最終的には電位間でショートが発生する可能性があるからです。ここでは少なくとも、アーク放電を成しやすいポイントが発生し、基板の効果的な沿面距離と空間距離が減少します。エレクトロケミカルマイグレーションはスズや銀で最も多く発生するものの、ときには銅でもフィラメントが破壊されることがあります。危険を最小限にするためには、不純物を含まないスズや銀をPCBの仕上げに使用しないことです。スズを使用する場合は、鉛の含有量が少ないものが推奨されます

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。

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