PCB Workflow Management

Altium Designer Projects バックブースト電源を作成するこの一連の記事では、電子プロジェクトで使用する可能性のある主なタイプの電力レギュレータとコンバータの設計と実装について見ていきます。私がメンターを務める大学院生に、これらのタイプごとにデモンストレーションするための一連の要件を与え、その結果をここに記録しました。同じ演習を行い、できれば同じ結果を得られるようにしてください。次のスイッチングレギュレータは、学生向けのスイッチングレギュレータシリーズの最後です。私の大学院生の設計要件は、電源が必要な出力よりも高いか低いかにかかわらず、安定した出力電圧を維持できるようにすることでした。言い換えれば、供給電圧をステップアップおよびステップダウンして、負荷装置に安定した供給出力を提供できるようにする必要があります。このタイプのスイッチングレギュレータは、特にバッテリー駆動のデバイスや、設定された条件や必要な運用モードに応じて複数の異なる電源間で切り替えるデバイスにとって非常に便利です。この設計に対する私の要件は次のとおりでした：入力電圧範囲 3.0 から 4.2 V 出力電圧 3.3 V 出力電流 200 mA このステップアップおよびステップダウン操作を1つのレギュレーターを使用して達成するために使用できるいくつかのトポロジーがあります。この記事では、以下について議論します：バックブーストコンバーター SEPIC Ćuk フライバックバックブーストコンバーターは、ブーストコンバーターとバックコンバーターの機能を1つの回路で使用するタイプのスイッチングモード電源です。ステップアップ回路とステップダウン回路の組み合わせにより、入力供給電圧の広い範囲にわたって安定した出力電圧を提供できます。また、ブーストコンバーターとバックコンバーターは非常に似たコンポーネントを使用しており、必要なコンバータータイプに応じて単純に再配置されます。

ECAD-MCAD コラボレーション - コミュニケーションのギャップを埋める正直なところ、私たちは「いつもそのようにしてきたから」という理由で、毎日同じ方法で物事を行っています。スケジュールの圧力や外部からの要求があるため、これらのことをどのように改善できるかについて考える時間はほとんどなく、ましてや新しいことを実際に試みることなど考えられません。これが、異なる方法論を探求することへの投資意欲を難しくしています。私たちの一般的な傾向は、持っているものを使い続け、リスクを避けることに重きを置く一方で、生産性を高め、手動介入を減らし、製品化までの時間を短縮する可能性のある新しい方法を探ることには消極的です。 ECAD-MCAD コラボレーションは、まさにその範疇に入ります。このプロセスが苦戦する主な理由は、利用可能なオプションに関する情報が一般的に不足していること、プロセスを実装および/または調整し、通常は別々の製品ドメインにわたって受け入れを得るために必要とされる作業量が多いと perceivedされることです。これにより、課題がほぼ不可能に思えることがあります。「千里の道も一歩から」（老子）という言葉はここにも当てはまります。目標を定めた段階的なアプローチを定義し、焦点を絞り、最終目標を念頭に置くことで、最終的に測定可能な利益を得ることができます。設計チーム間でデータを簡単に共有し、検証する必要性は、過去に比べてはるかに重要になっています。かつては、協力する人やチームが廊下の向こう側や同じ建物内にいた時代はとっくに過ぎ去りました。その結果、ECAD-MCADのコラボレーションをより信頼性が高く、効率的な方法で見直すことが、その隔たりを埋めるのに重要になるでしょう。いくつかの情報、現在の方法論、そして日々のデータ交換を助けるだけでなく、結果の品質、プロトタイプの回転数の削減、全体的なコミュニケーションの改善といった問題に対処するかもしれない代替案について見てみましょう。数字は嘘をつきません！統計によると、レビュープロセス中のエンジニアリング変更の手動通信のため、設計検証が全体の設計サイクル時間の60％から80％を占めています。さらに、今日の複雑な設計の半数以上が、プロトタイプの設計が構築され検証された後に見つかったエラーのために再設計されなければなりません。現在の方法論：現在、多くの企業はデータ交換のためにIDF、DXF、またはSTEPファイルに依存しています。これらの方法はしばらくの間使用されており、機能はしますが、提案のたびに、関連するREADMEファイルや変更点と場所を説明するマークアップされたPPTやPDFと共に、データベース全体を送受信する必要があります。これらのファイルは実際に共有されているデータから切り離されているため、情報が頻繁に見落とされ、エラーが発生することがよくあります。他の問題には以下が含まれます：提案された更新に関するフィードバックを待っている間に、設計プロセスは一般的に続行されます。つまり、変更が送信された直後に設計が古くなる可能性があります提案された変更に関する質問は、通常、メール、音声、または直接のやり取りを通じて伝えられ、一般的に文書化されたり保持されたりしません変更がいつ、誰によって、何のために、なぜ行われたかに関する完全な追跡可能性の欠如製造と組み立ての前にMCADおよびECADデータベースを明確に検証し比較する方法がないため、重大な問題が容易に見逃される可能性があります。

Whitepapers デザインリリースの管理と設計意図の伝達最近の技術的進歩の多くが通信分野にあったことは、疑うまでもありません。インターネット、携帯電話、衛星通信、Facebookなどはすべて、より簡単に情報伝達やコラボレーションを行えるようにするためのものです。ところが、このような技術が手中にあるにもかかわらず多くの企業はECAD データリリースの伝達に苦労しています。コラボレーションの相手が社内の仲間や他の部署であるか、外部ベンダーであるかにかかわらず、設計の意図、変更、リリースの情報伝達にはやはり難しい点があります。プロセスを管理する適切なプラットフォームがないと、設計の意図や状態をすべての関係者に知らせたり、コラボレーションしたり、フィードバック情報を要求したり、プロジェクトがライフサイクルのどの段階にあるのかを把握するのが困難です。現状では残念なことに、設計見直し会議を何度も開いたり、常にやり直しに迫られたり、プロジェクトが遅れたり、市場投入が間に合わなかったり、予算を超過したり、さらに悪い場合には現場で故障が発生し、製品のリコールなどという悪いニュースに発展する可能性もあります。リリースプロセスが管理されていない場合の問題点周知のとおり、製品の設計では、関与する多くの分野の部署すべてがプロジェクト全体を通じて同時並行的に作業する必要があります。設計のリリース前には、多くの場合、バージョン管理により設計の増分的な変更を取り込むことでプロジェクトのECADの部分が速く進むことがあります。通常、このような変更が行われる理由としては、設計範囲がまだ固定されていない、要件が変更された、あるいは場合によっては単に実際の設計仕様を満たすために変更が必要である、などが考えられます。残念なことに、この段階のECADデータは常に変化するため、その時点でのライフサイクル情報が他の関係者に正しく伝達されません。全員が正しいデータに基づいて作業できるようにしてプロジェクトを成功させるためには、あるバージョンがWIP(Work in Progress: 作業中)であるか、承認段階であるか、製造部門にリリース済みであるかを把握することが不可欠です。そのうえで、正しいユーザーが、正しい場所から、正しい方法で、正しいデータにアクセスできるようにしなければなりません。このような処理をまだ手動で行っているようなシステムでは、いつかはプロセスを管理できなくなって失敗に終わり、次のような結果を招くことになります。 ECADのバージョンとリリースのデータが適切に管理されていない間違ったバージョンの設計を製造部門に送ってしまうリスクが高い期限切れの部品を使用してしまうリスクが高い設計のリリース準備ができてから実際にリリースされるまでの時間の無駄が発生する人が走り回って承認署名を得るため時間がかかる標準化された設計プロセスの実施が困難である Aberdeen-Groupなどの業界調査によると、データの一貫性がないことによる問題の多くは、ECADの管理と自動プラットフォームが適切に配備されていない低機能な情報伝達システムに起因しています。このようにECADデータのリリースを人手により伝達するような固定化されたプロセスでは、エンジニアが設計意図を確認するのに時間が掛かり設計サイクル全体が長くなってしまいます。特にエンジニアリングチームがグローバルに分散している場合は、情報が失われることも多く、プロセスがオフラインで行われるためデータの追跡管理や制御を行えません。リリースシステムに透明性が無いと、ECADデータをリリースする際に想定されたグループに設計意図が確実に伝達されず、十分な情報に基づく決定が行えなくなります。(※続きはPDFをダウンロードしてください) 今すぐ Altium

インピーダンス計算とPCBスタックアップ設計スタックアップ設計には、制御されたインピーダンス、クロストークコントロール、プレーン間キャパシタンスの必要性の3つが求められます。製造者によってはスタックアップで正しいインピーダンスを得ることができるかもしれませんが、残りの2つを解決するのは到底無理です。この責務は、何が必要で、どうやって必要とされるコントロールを実行に移すのかということを唯一知っている設計エンジニアに委ねられています。この情報は、PCBスタックアップを設計するためのプロセスに関するガイダンスを提供することを目的としています。PCBスタックアップに対する要求がどのように変化していったかを理解するには、時間の経過に伴う技術の進化に注目することが役立ちます。プリント基板の製造が始まって間もない頃は論理回路が非常に遅かったため、論理回路またはディスクリート部品の間をどのように接続し、どのようにDC電源のパスを各部品に供給するかだけが唯一の関心事でした。設計者に要求されていたのは、全てのワイヤに十分な信号層を供給し、電源パスに十分な銅を用い、サグやドループを最低限に抑えてDC電源を届けることだけでした。積層板でどのガラスクロスが使われていようと、プリプレグが何であろうと、どんな樹脂系だろうと、また各積層板がどの厚さであろうと、問題ではありませんでした。はんだ付けプロセスに耐えられる最低価格の基板が、目標だったのです。やがてICは高速になり、反射やクロストークなどが問題になりました。ここで使用された論理ファミリーが、エミッタ結合論理（ECL）です。その当時、ECLの主なユーザーはIBMやCray Researchのような大規模なコンピューター企業でした。これらの企業では、スタックアップの設計に必要となるインピーダンスを計算する技術者がスタッフとして勤務していました。このような企業は社内にPCB設備を備えていましたが、一般市場の製造者には、製造条件を満たすために必要とされるコントロール能力が備わっていませんでした。 1980年代半ば、その当時使用されていた論理回路タイプの中で最も一般的だったTTLが十分な速度になったため、反射が問題となり、基板には制御されたインピーダンスが必要となりました。TTLやCMOSを使用して設計する技術者がいたとしても、ほとんどの技術者は制御されたインピーダンス基板の実現方法を知らなかったため、製造者に既知のインピーダンス（通常は50オーム）の基板を供給するよう求めました。製造者はめっき、エッチング、積層、穴あけなどを含むスキルセットのような能力を持ち合わせていませんでした。それでも技術者は、インピーダンスを計算するように製造者に求めました。当時、本稿著者は、製造者がインピーダンスを計算できるようにしようと多くの時間を費やして手助けしました。このタスクに対する製造者のスキルは、良い結果を生むときもあればそうでないときもありましたが、多くの場合、この状況は今日も変わっていません。 1990年代の半ばまでにスピードは急増し、100Mhzを超えた状態でキャパシタンスが存在する必要性が生じたため、ほとんどの製品がEMIの影響を受けました。実装インダクタンスが原因となり、パワーレール上に配置されたディスクリートコンデンサのどれもこの問題を解決することができませんでした。ここで生じた問題が、よく知られているプレーン間キャパシタンスや埋め込みキャパシタンスです。プレーン間キャパシタンスは、電源プレーンとGNDプレーンを互いにとても近く（通常3mil以下）に設置することで現れます。そのため、スタックアップ設計には、制御されたインピーダンス、クロストークコントロール、プレーン間キャパシタンスの必要性の3つが求められます。製造者によってはスタックアップで正しいインピーダンスを得ることができるかもしれませんが、残りの2つを解決するのは到底無理です。この責務は、何が必要でどうやって必要なコントロールを実行に移すのかを唯一知っている設計技術者に委ねられています。 2000年代半ばまでに多くの差動ペアのスピードが高速化したため、積層板で使用するガラス繊維やプリプレグによって、信号を劣化させるスキューと呼ばれる現象が誘発される可能性がありました。スキューとは、差動ペア信号が受信側に到達する際に起こる両側の差動ペアのずれです。さらに、積層板の伝送損失が高速信号に影響し始めたことにより、損失に対する目標や前述した要求全てを満たすために、エンジニアリングチームは低損失積層板の模索を余儀なくさせられました。これまでに説明した全ての理由により、設計技術者は設計において責任を負う必要があります。この役割を果たすためには、製造プロセスや材料についての十分な理解力が必要不可欠です。ここでは、4つの制約を満たすPCBスタックアップの設計に関連した全てのトピックを取り上げます。4つの制約とは、制御されたインピーダンス、クロストークの管理、適切なプレーン間キャパシタンスの生成、スキューを管理するための正しい織り（weave）の特定です。プリント基板の製造 PCBスタックアップを設計する際に最善の決断をするためには、多層基板をどのように製造するのかを理解することが役に立ちます。数多くの方法が多層基板の製造に使われます。最も一般的で経済的な方法は、フォイルラミネーションと呼ばれるものです。図3.1が、典型的な6層基板の図です。スタックアップに3つの基本コンポーネントがあることが分かります。これらは、スタックアップの上部と底部が銅箔シート、プリプレグシート、積層シートです。外層は常に銅箔のソリッドシートで、スタックアップの積層とドリルが終わるまで使用されます。ドリル穴に銅をめっきするために使用されるめっき電流用パスとして用いられるためです。ドリル穴は、ビアやコンポーネントリードに使われます。プリプレグまたはBステージとして知られている材料はガラスクロスで、特定の設計に応じて選択した樹脂系でコーティングされています。この樹脂は部分的に硬化されており、スタックアップが積層工程を経る際に「接着剤」の役割を果たします。コンポーネント積層板は、プリプレグのガラス／樹脂材料と同じです。樹脂を硬化するためのプレス内には、ガラス／樹脂に接合した各側に銅層があるため、積層板と呼ばれる硬質材料になります。内面信号層とプレーン層は、この積層板上で2枚一度にエッチングされます。図3.1 フォイルラミネーション使用の6 層PCB

高速設計での伝送線路と終端伝送線路は、電磁界の形でエネルギーを供給するために使う1対の導線です。大抵の人は、照明と電化製品を作動させるのに必要な電力を供給するために家庭に引かれている電線にはなじみがあります。プリント基板設計の文脈では、伝送線路とは、1つのプレーンの上または2つのプレーンの間にある1つの信号層の信号を意味します。伝送線路と終端このセクションの目的は、伝送線路とは何かを説明することです。それには、伝送線路上を何が移動しているのか、伝送線路上にスイッチング信号が送られた場合の伝送線路の挙動、最良の信号品質を得るために終端を付けてこれらのスイッチング信号を制御する方法が含まれます。このセクションの最後に、参考文献として読者に役立つと思われる資料の一覧を示します。このセクションの主要部分とそれに続く部分には、有効な設計ルールとその妥当性の証拠を記載しています。筆者の考えでは、全ての設計ルールは、その限界値が何であるかはもちろんその証拠も伴っている必要があります。伝送線路とは突き詰めると、伝送線路は、電磁界の形でエネルギーを供給するために使う1対の導線です。大抵の人は、照明と電化製品を作動させるのに必要な電力を供給するために家庭に引かれている電線にはなじみがあります。プリント基板設計の文脈では、伝送線路とは、1つのプレーンの上または2つのプレーンの間にある1つの信号層の信号を意味します。図1に、通常の基板で使う伝送線路の4つのタイプを示します。図に示すように、2つの主な種類があります。ストリップラインとマイクロストリップラインです。前者は2つのプレーンの間に伝送線路があり、後者は1つのプレーンの上に伝送線路があります。プレーンを表すのにGNDという語が使われていないことに注意することが重要です。電磁界を議論する場合、プレーンのDC名は重要ではありません。図1. PCB 伝送線路の種類これらの4つの伝送線路構成のさまざまな組み合わせを使ってPCBスタックアップを作成します。信号が1つの層で並んで走る際、または隣接する信号層の信号の上に信号が走る際のクロストークの制御については、次のブロックで説明します。インピーダンスの計算についても、以下のブロックで説明します。さまざまな実装の至る所で伝送線路を扱うことは負担かもしれません。しかし、適切なPCB設計ソフトウェアがあれば、PCBレイヤースタックアップを簡単かつ優雅に管理すると同時に、スマートなデザインルールチェック機能を使ってインピーダンスとクロストークを制御できるでしょう。Altium Designerでは、その使いやすい設計環境を設計する際に、これらを念頭に置きました。 Altium Designer の統合設計環境伝送線路を何が移動しているのか? 伝送線路を適切に管理するため、伝送線路上で移動しているものを知ることは重要です。電子工学の初歩では、電圧と電流、信号として特定される電流の流れについて教わります。残念ながら、これは、信号がどのように発生するかという観点からはあまりにも単純すぎる見方です。電流の流れのみに注目した場合、信号の品質は損なわれる可能性があります。多くの人は、電気信号が光速（真空中で秒速186,000マイル（300,000キロメートル））またはそれに近い速度で移動することを知っています。電流の流れ（銅の導線中の電子の移動に対応します）は毎時約 1375マイル（2200キロ）の速度で移動します。ですから、信号は電流の流れではあり得ません。信号は電磁界です。図2に、ストリップライン伝送線路の周囲の電磁界の様子を示します。線路は、ページから出てくるように2つのプレーンの間を通っています（断面図を示しています）。図2

Thought Leadership 統合環境における制約駆動設計とルール駆動設計もし、人生のルールが自動的にチェックされたらどんなに素晴らしいだろうか。私はイタリア料理を作るのが好きだが、料理本とトマトソースの鍋の間を行き来するのは疲れる。キッチンでの唯一の自動ルールチェック機構はオーブンタイマーだ。幸いにも、PCBデザイナーにとっては、制約とルールのチェック機能を含む高品質のソフトウェアパッケージがあり、レイアウトと回路図を自動的にチェックできる。ルーティング、スペーシング、伝搬遅延、ファンイン/ファンアウト、ビアに関する設計ルールをPCBに設定する能力は、PCB設計ソフトウェアの必須機能となっている。しかし、すべてのPCB設計ソフトウェアが同じように作られているわけではない。異なるプログラムでは設計ルールの定義が異なる方法で表示され、設計ルールは異なるインターフェースで定義され、いくつかの表示は他より直感的である。 PCB設計ソフトウェアは、設計ルールと制約を設定するだけでなく、これらのルールが回路図とレイアウトにどのように表示されるか、特定のアプリケーションに対してルーティング制約と指示をカスタマイズする柔軟性を提供すべきである。統合設計環境で作業するとき、設計ルールはプログラムの一部で定義され、レイアウト全体に適用される。制約駆動型対ルール駆動型設計制約ベースの設計とルール駆動型設計は、基本的な原則の下で動作します。定義された設計ルールに対してレイアウトをチェックし、設計者に違反を表示します。しかし、表面を掘り下げると、これらの方法論の間の主な違いは設計環境に関係しています。制約駆動型設計を使用する一部のPCB設計ソフトウェア会社は、複数のプログラム間で制約定義を受け渡します。これが統合設計環境と呼ばれているにもかかわらず、設計はユーザーインターフェースの下で真に統合されていません。真に統一された設計環境はこれを克服します。すべての制約定義とチェックが単一の統一インターフェースで行われます。回路図キャプチャプログラムからレイアウトプログラムに制約を送信する代わりに、回路図とレイアウトを一つの屋根の下で真に統合するソフトウェアを使用するのはどうでしょうか？言われているように、ルールは破るためにあるものです。すべての設計ルールがすべての状況に適用されるわけではなく、設計ソフトウェアの仕事は、ルールを破ったときに通知することです。デザイナーやエンジニアとして、そのルールがデバイスが適切に機能するために本当に重要かどうかを決定するのはあなた次第です。レイアウト内のルール違反を明確で視覚的な方法で示すグラフィックをカスタマイズできるべきです。誰もルール違反のリストをスクロールして、モデル内の違反要素を手動で探したいとは思いません。一部の設計ルールは他のルールよりも優先される必要があります。これを念頭に置いて、設計ソフトウェアはどの設計ルールをプロセスで優先するかを定義できるようにするべきです。これにより、優先順位の順にルールが順次チェックされます。このタイプのルールチェックは不必要なルールの衝突を防ぎ、統合設計モデルを使用するソフトウェアパッケージ内でのみ機能します。 Altium Designerのルールエディタ制約と設計ルール：不足した場合はどうなるのか？多層ボード、 HDIアプリケーション、高速設計、および高周波設計において、ビアのパラメータと隣接する機能とのクリアランスを定義することは非常に重要です。これらの重要な構造に対する設計ルールを定義する際には、設計プロセスの各ステップでルールが設計にどのように影響するかを正確に表示するグラフィカルインターフェースを含めるべきです。ビアとルーティングパラメータのグラフィカル表現を含まないソフトウェアは、設計者が抽象的な識別子に基づいてすべての設計ルールの意味を記憶することを強いるため、重要なルールを無視したり、誤って他のルールを適用したりする可能性があります。これはまた、新しい設計者が設計ソフトウェアに慣れるまでの時間を増加させます。 PCB設計ソフトウェアが、トレースクリアランスやビア設計のようなものにのみ設計ルールが適用されるという視点を取る場合、重要な機能に関する設計ルールを定義する機会を失います。信号整合性、高速設計、ルーティング指示、およびその他の仕様に関するルールは同様に重要であり、回路基板に同様の容量で影響を与えます。あなたのソフトウェアにこれらの設計ルールが含まれていない場合、これらの重要な要件を満たしていることを確認する唯一の方法は、シミュレーションを含めるようにプロセスを調整することです。これらの領域の問題を修正することは時間がかかり、設計とシミュレーションの間を行き来する必要があります。設計とシミュレーションのソフトウェアが統合された設計環境に組み込まれていない場合、状況はさらに悪化します。設計ルールはルーティングだけに関するものではありません複雑なデバイスに取り組むとき、設計ルールは不可欠です。おそらく、制約エディタ、設計ルールチェック、