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シミュレーションと解析

シミュレーションと解析は、回路図ではプリレイアウト、完成した物理設計ではポストレイアウトで実行できます。Altium Designer には、SPICEシミュレータ、反射やクロストークのシミュレータ、サードパーティのフィールドソルバとの統合など、両方の領域で成功するためのリソースが含まれています。シミュレーションツールの使用や設計における電気的挙動の解析については、ライブラリのリソースをご覧ください。

PCBシミュレーション PCB Design and Simulation Workflows Altium DesignerのSPICEシミュレーション xSignals in Altium PDN Analyzer for DC Power Integrity
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組み込み型ソーラーシステム向けのPCB設計ガイドライン 組み込み型ソーラーシステム向けのPCB設計ガイドライン 1 min Thought Leadership 旅行から戻って来た直後に、もう一度旅行に出掛けたいと思ったことはありませんか? 私にはそんな経験があります。前回のビーチリゾートでの休暇が、雷雨が続いたせいで台無しになってしまったのです。旅行の計画を立てるときは、予測できない天気というものがいつもジレンマになります。アウトドアで過ごす予定があればなおのことでしょう。 屋外での使用が想定される組み込み型のソーラーシステムを設計する際、私はこれと同じ慎重な姿勢で取り組みようにしています。こうしたシステムは、安定した電力供給で稼働する組み込み型のシステムとは完全に異なる難題です。例によって、私は苦労の末に慎重になることを学びました。というのも、最初に手掛けたソーラー式の試作は、1日でも雨が降ると稼働しなくなってしまったからです。 組み込み型ソーラーシステムについては考慮すべき状況がたくさんあり、太陽光のない状態で何日も稼働するように計画しなければなりません。 組み込み型ソーラーシステムの設計で考慮すべき要素 1. ソーラーパネル 言うまでもなく、ソーラーシステムで最も重要なの要素はソーラーパネルです。これについては、多結晶や薄膜よりも効率がよく、暑い気候でも優れた性能を発揮する単結晶を選択したほうがよいでしょう。パネルの中には最大22%の 太陽光を電力に 変換できるものもあります。とはいえ、単結晶や多結晶の効率はサプライヤーによって異なるため、事前に詳細情報を確認しておきましょう。 2. 電池の容量 組み込み型のソーラーシステムで重要なパラメーターは、ソーラーパネルの性能が0%になった場合のシステムの持続性です。環境要因によっては、ソーラーパネルに数日や数週間、太陽光が届かない場合もあります。そこで必要になるのは十分な容量のある 電池 です。また、ソーラーパネルの充電率が電池の使用率を上回るようにしておく必要もあります。5時間かけて充電した電池が2時間で消耗してしまっては、とても効率的とは言えません。 3. 太陽光の照射 考え方によっては、ソーラー技術はいたって単純です。太陽光がなければ電力は生成されません。ただし必ずしも、8時間分の太陽光で8時間分の電力が生成されるわけではありません。「 太陽光ピーク時間 」という用語がありますが、これは太陽が空の最も高い位置にあって、ソーラーパネルが一番効率的になる時間帯を指します。こうした要素について認識し、太陽光ピーク時間を算出しておくことが望まれます。 記事を読む
スイッチングとリニアの電圧レギュレーター: どちらが電力管理回路に最適か スイッチングとリニアの電圧レギュレーター: どちらが電力管理回路に最適か 1 min Blog 目の前でコンデンサーが爆発したのを見たことがありますか? 私が電子機器の設計を始めたとき、まさにこれを体験しました。また私は、最初は「単純な」プロジェクトと設定されていたもので、パワーバジェットの計算に失敗しました。その結果、試作のPCBで電圧レギュレーターが、目玉焼きができるほど、またはもっと酷く真っ赤に焼けてしまいました。 それ以後に私は、設計の優雅さや洗練さはそれほど重要でないことに気付きました。電力管理回路の構成で間違いを犯せば、その設計は事実上無価値になってしまいます。パワーバジェットの計算、周囲の温度、そして私の事例では電圧レギュレーターなど中核の電力管理コンポーネントの選択が、PCBプロジェクトの成功を左右することがあります。 組み込みシステムにおける電力管理回路の機能 私は組み込みシステムの設計を10年以上行い、マイクロコントローラーの驚異的な進化を目にしてきました。マイクロコントローラーは、歴史的なZilogから今日のCortex M4プロセッサーまで進化してきました。Bluetooth LEやZiBeeなどのテクノロジーにより、組み込みシステム業界はさらに変革しました。しかし、電力回路を適切に設計する必要性は依然として変わっていません。適切な電力回路なしでは、このような優れたテクノロジーもただの「部品」にすぎず、しかも過熱し、溶けて燃えはじめ、悪臭を放つことになります。 コンデンサーを別として、適切に設計された電源回路の中心には必ず 電圧レギュレーター があります。その名前が示すように、電圧レギュレーターは安定した電圧を供給し、組み込みシステムが安定して動作できるようにします。電圧レギュレーターは高電圧の入力を受け付け、電子デバイスの動作に必要な電圧に降圧し、同時に安定化を行います。 3.3Vのコンポーネントが一般的になる前は、マイクロコントローラー（MCU）と集積回路（IC）はすべて5Vで動作していました。LM7805は単純な5Vのリニア電圧レギュレーターで、当時良く知られていた部品番号です。実際に、この製品は単純で極めて洗練されているため、今日でも一般的に選択されています。3.3Vが主流の動作電圧となったとき、LM1117-33が効率的なリニア電圧レギュレーターとして使われるようになりました。 リニア電圧レギュレーターの制限 集積回路が3.3V対応に移行した期間があり、この期間にマイクロコントローラーは急速に進化しました。設計者は従来、マイクロコントローラーの入力と出力の数を重視していました。その後で、UARTS、イーサネット、USBなどの統合された機能の数と、急速に増大していく処理能力に注意を向けるようになりました。やがて、リニア電圧レギュレーターは限界に直面することになりました。 これらの手軽なヒートシンクによって、リニアレギュレーターを冷却できます。 多くの人々は、リニア電圧レギュレーターを扱うとき、電流定格を絶対視するという初歩的な過ちを犯します。これが大きな問題となったのは、LM7805電圧レギュレーターの定格は5V、1.5Aだったためです。しかし、実際にこの電圧で扱うと、良くて一部のコンポーネントが溶け、悪ければプロセス内で燃焼が発生する恐れがあります。リニア電圧レギュレーターを選択するときは、最低でもあと3つのパラメーターを考慮する必要があります。 消費電力のレベルは、入力と出力の電圧差を考慮し、その値と負荷電流とを乗算することで計算できます。12Vを5Vにレギュレートし、組み込みシステムが100mAを消費するなら、消費電力は0.7Wです。これを念頭に、LM7805は最大125℃の温度で動作できることに注意します。この温度を超えると、溶解や燃焼など望ましくない現象が発生します。 しかし、TO-220パッケージの一般的なLM7805の熱抵抗は65℃/Wです。すなわち、周囲の環境温度に加えて、1Wごとに65℃だけ温度が上昇します。一部の地域では平均気温が約35℃なので、動作時のLM7805は100℃に達します。定格最大電流である1.5Aの10%未満しか使用していないにもかかわらず、許容される最大温度に近づくことになります。 スイッチング電圧レギュレーターが、文字通り冷静な選択である理由 リニア電圧レギュレーターは、その特性から 電力要件の大きい 記事を読む
設計にフェライトビーズを使用してEMIを低減する方法 設計にフェライトビーズを使用してEMIを低減する方法 1 min Blog PCB設計者 電気技術者 PCB設計者 PCB設計者 電気技術者 電気技術者 「ロケット科学みたいに、さっぱりわからない」というのはよく使われてきた言い回しです。小さなJimmyは九九までロケット科学のようだと言っていました。今日では「ロケット科学」を「電磁気干渉」と置き換えるべきでしょう。EMIは多くの人々がぼんやりとしか理解していないものの1つです。この理由から、私は 正しい接地方法、 AC/DC回路、 高速配線、 差動ペア配線などについて記事を書いてきました。順番から、次に書くべきなのはフェライトビーズを使用してEMIを低減する方法でしょう。フェライトを使うのは少々面倒なので、まず その背後にある理論を理解することが重要です。ほとんどの電子部品は本質的にプラグアンドプレイです。しかし、フェライトはシステム内に設計して組み入れる必要があります。理論を理解すれば、LCフィルター、GNDプレーンと電源プレーンの分離、ソースのノイズのフィルタリングなどを実践できるようになります。 フェライトのLCフィルター 設計者は多くの場合、フェライトビーズのことをローパスフィルターと考えようとします。これらは確かに高周波をブロックしますが、特定の帯域しかブロックしません。それより上の帯域では、固有の容量が優先します。ビーズ自体はローパスフィルターではありませんが、バイパスコンデンサーと組み合わせてローパスフィルターにすることができます。この場合、本質的にLC（コイルとコンデンサー）フィルターとして機能します。フェライトビーズをこのように使用するときに大きな問題の1つは、LC共鳴です。 重要な点を先に述べると、回路の電源ラインにフェライトビーズを使用する場合、バイパスコンデンサーが必要です。低い周波数ではフェライトビーズはコイルとして機能し、電流の変化に抵抗します。すなわち、集積回路が電流のスパイクを引き出そうとすると、ビーズはそのピークに抵抗し、回路の動作の妨げとなります。バイパスコンデンサーは電荷を保存し、これらの電源スパイクを供給するために必要です。またバイパスコンデンサーは一般的にも良いやり方です。 コンデンサーとフェライトを設置したら、高周波をフィルタリングして除去できます。フェライトビーズには、LCフィルターに使用される通常のコイルと比較して、いくつかの利点があります。フェライトビーズは低い周波数で ロールオフが急速です。また、固有の抵抗が存在するため、発生の可能性がある共鳴を減衰させるため役立ちます。多少の減衰能力はあっても、LC共鳴は依然として発生する可能性があります。 大きなコンデンサーを使用するときは、特にリスクが大きくなります。共鳴が発生した場合、 最大10dBのゲインを招くことがあります。フィルターの設計では共鳴を避けるよう注意してください。 フェライトビーズとバイパスコンデンサーを使用して信号をフィルタリング デジアナ混在信号のGND/電源プレーンの分離 EMIが回路内を伝搬する主な手段の1つは、GNDおよび電源プレーンです。混在信号回路では、単一のGND/電源プレーンがアナログ信号とデジタル信号の両方に使用されるため、特にこれが一般的となります。このため、 GNDと電源のプレーンを別にするのが最良ですが、GNDは依然として同じ相対電圧に参照される必要があります。これらの問題から極めて困難な課題が生み出されますが、この課題を解決するためにフェライトビーズが役立ちます。 フェライトビーズは、 アナログとデジタルのGND/電源プレーンを接続するために使用できます。この方法により、両方のプレーンは依然として同じ電圧に参照されますが、互いに絶縁されるようになります。ビーズは、通常ならプレーンから別のプレーンへ直接転送される ノイズをブロックできます。 記事を読む
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 1 min Blog 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 記事を読む
組み込みシステム向けのリン酸鉄リチウムバッテリーとリチウムイオンバッテリーの比較 組み込みシステム向けのリン酸鉄リチウムバッテリーとリチウムイオンバッテリーの比較 1 min Blog この（比較的）新しい出会い系アプリTinderをご存じですか？私はまだ独身で交際相手がほしいので、試してみることにしました。まず、人の写真と経歴がランダムに出てくるので、気に入ったら右にスワイプ、気に入らなければ左にスワイプします。自分が右にスワイプし、相手も右にスワイプすると、お互いにチャットできます。試してみて、写真ばかり見ないで経歴を読むのにもう少し時間を割けばよかったと思いました。「マッチング」相手とチャットをしてみたら、写真を見て湧いた興味が冷めてしまったんです。組み込みシステムの場合も、特にバッテリーに問題があると同じように感じることがあります。たとえば、膨大な時間をかけて設計した基板なのに、バッテリーの劣化が早すぎたり、温度の問題で故障したりする場合です。最悪の場合、バッテリーから火花が出ることさえあります。私は交際相手のマッチングはできませんが、ボードに合ったバッテリー選びをお手伝いすることはできます。組み込みシステム向けの最も一般的な選択肢は、リチウムイオンバッテリー（Li-Ion）とリン酸鉄リチウムバッテリー（Li-phosphateまたはLiFePO4）の2つです。これら2つのタイプは、充電特性と放電特性がかなり異なります。どちらでも使用できる場合もありますが、どちらかがもう一方より適している場合が普通です。続きを読んで、どちらのタイプが皆さんの用途に最適かを判断してください。 リチウムイオンバッテリー 英語の「love」にはさまざまな意味があります。私は「I love my iPhone（iPhoneが大好き）」とも、「I love my girlfriend（彼女を愛してる）」とも言います。これらの「love」は、いくつか重要な点で意味が違います。同じように、一口に「リチウムイオン」と言っても、リチウムイオンバッテリーの種類が異なる場合があります。ここで述べるのは、ほとんどの場合がコバルト酸リチウム（LiCoO2）です。このリチウムイオンバッテリーは、アノードにグラファイトを使用しています。では、 リチウムイオンバッテリーの仕様を見てみましょう。 電圧: 公称3.6 V、範囲3.0 V ～ 4.2 V 比エネルギー: 150 ～ 記事を読む
パワーインテグリティーにまつわる5つの俗説 パワーインテグリティーにまつわる5つの俗説 1 min Thought Leadership ​ パワーインテグリティーは新しいものではありませんが、現在ますます注目が高まっており、今後も関係者の一番の関心事であり続けるでしょう。製品の高速化と小型化の傾向が継続するなか、もはや1 ミリも無駄なスペースはありません。設計はこの事実を踏まえて進める必要があるでしょう。業界に2 ～3 年以上従事されている方であれば、パワーインテグリティーに関する下記の俗説を耳にされたことがあるかもしれません。 銅箔を使え 皆さんは、「銅箔は使えば使うほどよい」と教えられたかもしれません。銅箔の流し込みを行うだけで、パワーインテグリティーに関連する問題は、すべてとは言いませんが、その大半が解決します。ただし、これに当てはまらない場合もあります。たとえば、熱に関係する問題は解決するものの、浮島や半島が残るといった他の問題を引き起こす場合です。無害に見えるものの、浮島や半島は特定の共振周波数を持っており、一定の状況下で障害を引き起こします。こうした障害はランダムに現れることもあるため、正確に特定して修復することは極めて困難です。これを呪いか何かのせいにする前に、銅箔の流し込みによって浮島や半島が発生していないかどうかを必ず確認しなければなりません。それを怠ると、設計を断念して、レイアウトをやり直すはめになります。 他に考慮すべきことはコストでしょう。これはエンジニアの頭にいつもあることではないかもしれません。銅箔は安価なものではありません。特に予算の制約がある今、やみくもに余計なプレーン層を追加するわけにはいきません。過大設計は高額になってしまいます。 IPC-2152は絶対に外さない これは皆さんが驚かれることかもしれません。確かにIPC-2152 は重要であり、許容範囲の温度上昇に対して配線幅を最小化するという手段で問題を回避する際の手引きとなります。ただし、そのためにIPC-2152 を適用すると、電力配電回路網に必要以上のスペースを割り当てざるを得なくなります。つまり、貴重な面積が占領され、設計のレイヤーが増えてしまいます。 IPC-2152 はいつでも使える優れたツールであり、効率的な電源供給の設計には有効ですが、むやみに適用すべきではありません。パワーインテグリティーツールとともにIPC-2152 をもっと慎重に使用すれば、電力配電回路網の面積を削減しながら、製造に向けて安全に設計を進めることができます。 ビアが多くなり過ぎることはない 精通している方であればお気づきかもしれませんが、IPC-2152 はビアとなるとあまり適切ではありません。配線幅と同様に、IPC-2152 はかなり保守的であり、基板には大きめのビアが必要以上に形成される可能性があります。銅箔に大きな穴が開いてしまっては問題でしょう。つまり、電流が使う面積が減るために電流密度が増加し、結果として温度が上昇します。それだけでなく、残りの設計に割り当てられるはずの面積が奪われ、特に最後の10% の基板の配線を完成させるのが困難で時間のかかる作業になってしまいます。他のIPC-2152 記事を読む
電源解析が効果的なPCB設計に不可欠な理由 電源解析が効果的なPCB設計に不可欠な理由 1 min Thought Leadership この焦げる臭いは何でしょう? 自分の試作でないことを願います。 以前、愚かにも木工をやってみようと決心したことがあります。ロッキングチェアのように、何か簡単なものから始めようと考えました。構造や静力学に関する限られた知識を使って、座った途端にばらばらに壊れる椅子を作るのに成功しました。使用したYouTubeのチュートリアルでは、座ると椅子が崩壊する部分には触れていませんでした。普通は、何か作ったら、物理的にテストする前にその道のエキスパートに見てもらうのが良いのでしょう。同じことがPCB設計にも言えます。たとえ優れた設計者であっても、電源のエキスパートであるとは限りません。アルティウムの電源解析ツール PDN Analyzer ご利用のパーソナルコンピュータに、電力のプロが持つ知識を全て提供してくれます。優れた電源解析プログラムでは、発火する試作にお金を使う前に、電流密度、温度の問題、電圧降下をチェックできます。 電流密度と温度 私は、ロッキングチェアを作るとき、支柱の幅を決めるのに、古い「じっと見る」方法を採用しました。そして、その方法では尻もちをつくことが判明しました。PCBのトレースを設計するときにも、同様の方法を採用できます。見て良さそうな幅を選択して配置すると、何がまずいのでしょう? 基板が焼けるかもしれません。電源プレーンがスイスチーズのように見えたり、ビアの負荷が大きすぎると、電流密度や温度が高くなります。電力消費が多い集積回路（IC）を使うと、PCBで発熱が増える場合があります。 電源プレーン: 製品を「過剰に設計」したいとは思いませんが、銅箔のことになると誰も気にかけません。問題が発生するのは、電源プレーンを追加しすぎた場合のみです。とは言っても、設計がますます小さくなる中、電源プレーンは、しばしばサイズが小さくなったり、奇妙な形に変わったります。電源プレーンが小さくなると、 過度の電流密度でボトルネック ができる場合があります。 ビア: ビアも重要です。 ビアの設計で EMIを減らすのに忙しすぎて、ビアが電流にどう関連するかを考えることができません。しかし、ビアは、PCB上に電流を充満させる場合があります。電流密度が高いと高温になり、時にはトレースを溶かすほど高温になることを思い出してください。 IC : 食べ過ぎると、普通の椅子でも重量制限を超える場合があります。新しいICは、多くの電流を消費し、公称トレースの限界を超える場合があります。最近の電子機器は、ますます高速のICを必要としており、より多くの電力を消費します。試作から煙が出始めるまで、どれほどの電流を取り込んでいるか考えないかもしれませんが。 記事を読む