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PDS設計：超低消費電力実装のために PDS超低消費電力実装のための設計 1 min Blog 低消費電力の実装において、製品は非常にまれに高電流オプションを持つことが特徴付けられ、小さいサイズで、電力管理に最適化され、バッテリーの持続時間が可能な限り長くなければならないという必要性があります。これらの基準に該当する製品には、スマートフォン、スマートウォッチ、遠隔監視デバイス、医療デバイスなどがありますが、これに限定されません。 PDS設計と電力管理に関しては、超低消費電力として特徴付けられるすべての製品に固有のいくつかの主要な要因があります：非常に小さいジオメトリで効率的なPDSを設計すること、電力消費を管理し、バッテリー寿命を節約すること。遠隔監視デバイスなどの製品実装では、リークによる電力ドレインの潜在的な原因としてキャパシタを排除するために適切なキャパシタを選択することも重要な要因です。この記事はこれらのダイナミクスに焦点を当てています。 まだ読んでいない場合は、 このブログはPDS設計の進化、それに関連する課題、電力が流れる場所、インダクタンスと抵抗が性能劣化に与える影響に焦点を当てており、電力供給システムを探求する良い出発点です。 こんなに小さい製品にこんなに多くの機能 スマートテクノロジーは、小型フォームファクタで実装され、私たちの日常生活において非常に普及しているため、それがなかった時代を想像することが難しくなっています。そして、これらのデバイス内に含まれる技術の進化と洗練度は、私たちが依存しているさまざまな製品機能を実装し、操作することがどれほど大変かという点において、私たちが軽視するほどに飛躍的に向上しました。 例えば、携帯電話を縦から横に回転させたときに画面が整列したままでいる技術は、かつて私たちがスーパーコンピュータと呼んでいたものです。そして、スマートフォンには多くの機能があります。いくつかのラジオ、1つ以上のカメラ、画面、内部のプロセッサ、そして電力を消費するメモリがあり、さまざまな電力ゾーンを管理することは課題となります。デバイスにある各電力レールにはPDSがあり、スマートフォンに15-20のPDSがあることは珍しくありません。 したがって、PCBデザイナーの主な仕事は、各電力レールのためにボード上に十分な領域を持つ方法と、始めるときにそれほど多くない平面を分割する十分な方法を見つけることになります。 たとえば、iPhone 10（iPhone X）には、非常に薄いPCBが2枚あります。一方は8層で、もう一方は10層です。両方のボードには両面にコンポーネントがあり、これら2枚のボードは電話の内部で互いに重なっています。複雑なICには、パッケージがまったくなく、すべてがバンプダイです。（バンプダイは、フリップチップや制御崩壊チップ接続（C4）としても知られています。これは、はんだバンプを使用してICを外部回路に接続する方法であり、非常に小さなエリアでICをボードに接続することを可能にします）。 そして、これらの狭い幾何学的形状のために、PDSを管理する方法として平面キャパシタンスを持つ余地がありません。すべてのキャパシタンスはICに直接組み込まれています。実際には、これらの製品を開発するために必要な設計の専門知識は非常に特殊化されており、従来のPCB設計とは大きく異なります。 電力管理 では、超低消費電力製品に必要なパラメーターの2つ—非常に小さなスペースに多くの機能を持たせることと、1つのデバイスに複数のPDSを持つこと—が考慮されました。電力管理の観点から見ると、携帯電話は特定の機能がアクティブでない時にはオフになるように設計されています。そして、PDSの操作を正確に行うことが重要です。 設計者としては、電話内の主要な電力消費者をすべて管理し、適切なタイミングでオンとオフを切り替える方法を見つけ出さなければなりません。ほとんどのスマートフォンでは、最も電力を消費するのは無線です。動画、写真、大量のデータなどをアップロードするとき、無線は連続してオンになり、電力消費が高くなります。中から低電力使用範囲では、テキストメッセージの送信やよりシンプルなデータファイルのアップロードがあります。電力使用の極端に低い端には、モバイルデバイスと携帯電話の基地局との間で行われる「ピンギング」があり、これはあなたの位置を連続的に監視します。本質的に、携帯電話が何らかのレベルで電力を消費していない唯一の時は、完全に電源が切れている時です。 バッテリーの保存 次に、超低消費電力製品の実装においておそらく最も重要な側面について触れます。それは、バッテリーの持続時間を可能な限り長くすることです。スマートフォンにとってバッテリー寿命は重要な特徴ですが、リモートモニタリングデバイスなどの他の製品にとっては、電力の節約が絶対的な必要性です。このタイプの製品の例としては、大きな送電線にクリップされる電力線モニターがあります。ほとんどの場合、これらのデバイスの性能要件は、バッテリーが少なくとも1年間持続することです。しかし、キャパシタが間遍なタイプである場合、漏れてしまい、バッテリーが望むよりもずっと早く放電されてしまいます。 理論的には、キャパシタは完璧な絶縁体であるとされています。しかし、実際にはそうではありません。キャパシタが80アンペアの電源で使用される場合、数マイクロアンペアの漏れは現れず、それほど問題を引き起こしません。しかし、バッテリーが1年の寿命を持たなければならない場合、どんなに小さなキャパシタの漏れも大きな問題になり得ます。通常、超低消費電力デバイスに選択されるキャパシタは、バイパスキャパシタとして使用されてきたものと同じです（しばしばタンタルキャパシタ）。原則として、これらは低漏れではなく、実際にはそれが性能基準ではありません。 通常、セラミックコンデンサは漏れ問題を引き起こすことはありませんが、最も安価な選択肢でもないため、リモートモニターのような超低消費電力アプリケーションのデフォルトの選択項目ではありません。選択したコンデンサが「漏れにくい」とされているかどうかを判断する最良の方法は、デバイスのアプリケーションノートを読むことです。漏れにくさが明記されていない場合は、そのように特定されているコンデンサを探すのが最善です。 超低消費電力デバイスのPDS要件は、標準的なPCB実装とは大きく異なります。これらのデバイスは、小型フォームファクター、高効率のPDS設計、および潜在的な電力消耗源の排除によって特徴づけられます。 記事を読む
パワープレイ - 電力供給システムの設計に成功する パワープレイ - 電力供給システムの成功設計 1 min Blog 業界全体を通じて、最も問題を引き起こし続ける設計要素は電力供給システム（PDS）です。そして、コンサルティング会社として、過去数年間にわたり私たちが解決に呼び出された問題の大半は、常にPDSの問題に集中していました。以前のブログで述べたガードトレースとその非効率性についての話と同様に、EMIの問題を解決するために呼び出されるたびに、私たちは常にPDSの修正に取り組んできました。 この記事では、PDS設計の課題がどのようにして生じ、それらを軽減するために使用された方法について議論します。この記事の第2部では、超低電力実装のためのPDS設計について取り上げます。 少しの歴史と多くの問題 まず、基本から：すべてのPDSには、電力が流れる場所と直列にインダクタンス（Lpとして表される）と抵抗（Rpとして表される）があります。低電流では、抵抗は問題になりません。低周波数では、インダクタンスも問題になりません。周波数を上げ始めると、インダクタンスは劣化の主要な原因となります。 では、インダクタンスや抵抗が問題となり始めた時期を少し振り返ってみましょう。最も重要なのは、PDS設計の「ブラックマジック」がいつ登場したかを見ることです。 両面ボードの使用を開始したとき、その上の信号の立ち上がり時間は時に数十ナノ秒にも及びました。周波数成分は非常に低く、結果としてボード上のトレースは問題を引き起こしませんでした。全ての電力はトレースではなく平面で配線されていました。各ICのルートパスに、+5とグラウンドの間にキャパシタを配置するだけで十分でした。その後、ECL（エミッタ結合ロジック）が登場しました。 ECL技術は、ボード上に平面がなければ決して機能しませんでした。なぜなら、立ち上がり時間がナノ秒未満だったからです。これが、電力分配にトレースを使用することが許容されなくなった時期です。立ち上がり時間が速いため、トレースで電力を接続することはできませんでした。インダクタンスが大きすぎました。そのため、ECL技術の最初から常に電力平面ペアが存在しました。ECL技術を設計に使用するエンジニアはこれを理解し、電力平面を使用しました。 さて、TTL（トランジスタ・トランジスタ・ロジック）に移りましょう。基本的なTTLでは、トレースで電力を配線できました。その後、ASTTL（Advanced Schottky TTL）の時代が到来しました。これはECLと同じ速さでしたが、それを使用して製品を設計していたエンジニアは、遅いTTLを使用していたときと同じ方法を試み、回路が安定しませんでした。その結果、恐ろしいEMI（電磁干渉）が発生しました。人々は.1および.01マイクロファラドのキャパシタを使用してみましたが、うまくいきませんでした。そして、それがすべての「ブラックマジック」ルールが登場し始めたときです。 公共の領域にEMIエンジニアはほとんどおらず、TTLを使用していたエンジニアが伝送線、電力供給、高速信号の配線などを理解していなかったため、本当に困難な状況に陥りました。製品がEMIテストレンジで失敗すると、設計エンジニアはテストを行っている人に何をすべきか尋ね、テストエンジニア（PDS設計を理解していない）は、問題を改善するために他の誰かが行ったことを引用し、それがリストに記載されて回されました。これらのリストが「ブラックマジック」ルールの起源でした。 PDS設計およびそれ以降におけるキャパシタの役割 「ブラックマジック」のルールの結果の一つは、PDSを設計する際に、人々がPDSの問題を修正しようとして基板に多くのキャパシタを配置する傾向があったことですが、それらのキャパシタがどのように機能するか、または機能しないかを本当に理解していませんでした。ここからデカップリングキャパシタの概念が生まれました。実際には、これらのキャパシタは何もデカップリングしません。代わりに、スイッチングイベントをサポートするための局所的な電荷源を提供します。 「クーロンバケット」として言及される方が適切です。なぜなら、スイッチングイベントをサポートするために使用されるクーロンの電荷を蓄えるからです。（クーロンは、国際単位系の電荷の単位です。1アンペアの一定の電流が1秒間に運ぶ電荷です）。使用されるキャパシタが適切なサイズでない場合や、関与する周波数で機能しない場合、結果としてVddにリップルが発生します。（Vddは、MOSまたはCMOSトランジスタまたはICのドレイン端に接続される電源の端子で、通常は電源の最も正のレールです）。このトピックに関する徹底的な取り扱いは、Lee RitcheyのAltium Resourceの記事「Win at Power Delivery System 記事を読む
直列終端抵抗の計算 直列終端抵抗の計算 1 min Blog 伝送線路に関しては、簡単に思えることがあまりありません。終端技術の決定や終端ネットワーク内のコンポーネントの値を決めることは難しい作業であるべきではありません。ほとんどのPCB設計プログラムでは、計算機をオンラインで探すか、手計算をしなければなりません。代わりに、設計ソフトウェアは終端ネットワーク内のコンポーネント値の範囲を簡単にテストできるようにするべきです。 一部のコンポーネント、トレース、差動ペア、およびビアを介してルーティングされる相互接続は、高速または高周波回路で伝送線路効果が生じるのを防ぐためにインピーダンスマッチングされるべきです。小さなインピーダンスの不一致は許容できるかもしれませんが、いくつかの信号ドライバーは、信号トレースで一般的に使用される標準の50オーム値と一致しないインピーダンスを持つことがあります。ルーティングおよびコンピュータアーキテクチャの標準（例えば、 PCIe Gen 2およびGen 3）も差動ペアインピーダンスに異なる値を使用していることに注意すべきです。 トレースが伝送線路効果を示し始めると判断した場合、この記事では、Altium Designer®の信号整合性ツールを使用してシリーズ抵抗の正しい値を決定する方法を示します。 どの終端ネットワークを使用すべきか？ この質問にはいくつかの答えがあります。なぜなら、 いくつかの可能なネットワークや終端装置が存在するからです。デジタル信号については、抵抗器が広帯域コンポーネントであるため、抵抗終端を好みます。ICのドライバーピンに直接配置された場合、非常に高い帯域幅までのドライバーを終端するために使用できます。対照的に、RF出力やアンテナは、抵抗性の電力損失を避けたいため、LCネットワークを好むでしょう。そして、インダクタとキャパシタ（直列またはシャント要素として）の正確な配置は、インピーダンスをシフトして共振周波数に合わせる必要がある方法に依存します。 抵抗終端に関しては、一般的に使用される2つの方法があります。シリーズ終端（ドライバーピンに配置）と並列終端（受信機からGNDに配置）。 シリーズ終端の効果について覚えておくべき重要なことが2つあります： シリーズ終端は、ドライバーの電圧レベルが受信機の電圧レベルと一致する必要がある場合に自体で使用されます。この場合、並列終端を使用しないでください。また、シリーズ抵抗をソースインピーダンスと伝送線インピーダンスと完全に一致させる必要があります。 シリーズ終端は並列終端と共に使用することができますが、それらは一般的ではない特殊なケースでより多く使用されます。 終端は、それが必要であることを確認し、使用しているインターフェースに目標とするインピーダンスの仕様がない場合にのみ適用すべきです。 ドライバーに直列終端抵抗を使用する理由には以下のようなものがあります： 終端されていない負荷からの反射が予想されるほど線が長い場合、終端されていないドライバーとトレースの間には必要です。そして、信号ドライバーのインピーダンスがトレースのインピーダンスよりも小さい場合 出力で見られる減衰を増やして、グラウンドバウンスを抑制するのに役立ちます。 次に、SSN、または 記事を読む
標準的なPCBの厚さとレイヤースタック 標準的なPCBの厚さとレイヤースタック 1 min Blog 1990年代のシットコムが大好きだと白状します。もしジェリー・サインフェルドがPCBデザイナーだったら、「1.57 mmの基板厚さって何のこと？」と聞くかもしれませんね。実に妥当な質問ですし、PCB設計やその他のエンジニアリングの分野でなぜ特定の標準値（例えば、 RFシステムの50オームのインピーダンスなど）が使われるのか不思議に思うこともあります。 これらやその他の設計値がPCB設計で標準化された良い理由がありますが、それらが業界標準で明確に定義されているわけではありません。PCBの厚さに関しては、その理由は主に歴史的なものですが、すぐに見ていきます。しかし、標準の基板厚さ1.57 mmだけがアクセスできる厚さではありませんが、ほとんどのメーカーはこの値を収容するように製造能力を中心にしています。もし 1.57 mm基板厚さの歴史 Lee Ritcheyは、事実上の標準である1.57 mm基板厚さの歴史を うまくまとめています。Leeが回路基板の厚さの値について述べているすべてを繰り返すことなく、この数字が業界内で事実上の標準になった理由を簡単に要約します。 電子デバイスがトランジスタや集積回路へと移行していた時代、基板は合板の作業台でブレッドボーディングによって組み立てられていました。その際、合板の表層をバケライトと呼ばれる材料に置き換えていました。合板に詳しい方なら、合板の一枚の厚みが1/16インチ、つまり1.57mmであることをご存じでしょう。この厚みは、基板間の接続が必要になった際に何らかの標準となり、新しい材料に適応されていきました。初期の基板間接続には、エッジコネクタを使用したラックユニットが用いられ、これらのエッジコネクタはこの標準厚みに合わせる必要がありました。現在では、バケライトの代わりにエッチングやめっきが可能な材料や、 FR4エポキシ積層板を使用しています。 代替のPCB厚み値 今日、一部の製品（例えば、PCIeアドインカード、Mini-PCIeカード、またはSODIMMスティック）やアプリケーションノートの配線ガイドラインでは、1.57 mm（またはあまり一般的ではない値の1.0 mm）が指定されることがあります。しかし、よく考えてみると、製造可能性や、高い 層数や高い銅の重さを収容するため以外に、このPCBの厚さが他のボード厚さの値よりも好ましい理由はないことに気づくでしょう。多くのメーカーは、低層数のこの回路基板の厚さを選択しています。それは、常にそうであり、ほとんどの顧客から一般的に期待されているからです。 1.57 mmの値は、事実上の標準となっているため、任意のメーカーにとって必要な能力の一つですが、多くのメーカーはこの厚さのさまざまな倍数のボードを製造できるように能力を適応させています。一部のメーカーから見つかるかもしれない他のPCBの厚さの値には、2.36 記事を読む
PCB設計に必要な基本ツール PCB設計に必要な基本ツール 1 min Blog 家を建てるのもPCBを作るのも、道具箱に適切な道具が必要です。すべての設計者は、コンポーネントの配置にCADツールを持っている必要がありますが、コマンドラインベースのCADソフトウェアでも正確なコンポーネント配置が可能です。現代の電子デバイスがあらゆるレベルで複雑になるにつれて、設計者は重要な設計作業を迅速に進めるのに役立つツールが必要です。 適切なPCB設計ツールのセットを選択するには、いくつかの可能性のあるオプションを比較検討する必要があります。市場にはさまざまな機能を持つソフトウェアパッケージが多数あり、誰もがすべてのソフトウェアパッケージの無料トライアルを試す時間はありません。これらの設計プラットフォームの中には、20年前と同じ時代遅れのワークフローを使用しているものもあります。これを踏まえて、設計者がPCB設計ソフトウェアに必要とするいくつかの重要なツールを見てみましょう。 回路図設計とキャプチャ 電子回路図は、家の基礎のようなものです。ボード上に配置するすべてのものは、この基礎文書に基づいています。この重要な文書は、ボードに必要なコンポーネント、それらがどのように接続されているか、電源とグラウンドの接続位置を示しています。適切な回路図エディターを使用すれば、レイアウトを簡単に計画し、ボードに注釈を付けることができます。 スキーマティックエディタを使用すると、ボードを整理できますが、設計が複雑になり始めると、単一のスキーマティックで作業するのが扱いにくくなります。ボードに複数の機能を含め始めると、階層的なスキーマティックで作業することで、物事を整理できます。これにより、コンポーネントを機能ブロックにどのように適合するかに基づいて異なるスキーマティックに分けることができ、スキーマティック間の親子関係を定義できます。 マルチチャネルPCB設計ツールを使用することは、整理された状態を維持するだけでなく、階層的なスキーマティック内のコンポーネントのグループを簡単に複製することを可能にします。初期レイアウトとして スキーマティックをキャプチャすると、これらの複製されたコンポーネントのグループは新しいボードに転送されます。その後、コンポーネント間でトレースのルーティングを開始し、電源およびグラウンド接続を配置できます。 階層的なスキーマティックは、PCB内の異なるブロック間の関係を定義するのに役立ちます ルーティング機能 回路図が初期レイアウトとして取り込まれると、CADツールがコンポーネントの配置やトレースのルーティングを支援する準備が整います。ルーティングは、ボード上のコンポーネント間の物理的な接続を定義する重要な作業です。シンプルな設計では、各接続を手作業でルーティングし、レイアウトを設計ルールと照らし合わせてチェックするのは簡単なことです。しかし、ボードが複雑になり、必要な相互接続の数が増えるにつれて、ルーティングプロセスを自動化できるツールは膨大な時間を節約してくれます。 オートルーターとインタラクティブルーターの利点に関する議論は永遠のようです。差動ペアを含まず、多数の信号ネットや相互接続上のビアの数に制約がないシンプルなボードでは、オートルーターでもまともなレイアウトを生成できます。これらの場合、適切なルーティング戦略を定義できれば、オートルーターがより良いレイアウトを生成することに注意してください。 ここで、オートインタラクティブルーティングが重要なPCB設計ツールとなります。 オートインタラクティブルーターは、オートルーターとインタラクティブルーターの最良の側面を組み合わせます。特定の信号ネットの相互接続に沿って手動でウェイポイントを定義でき、ツールは自動的にソースコンポーネント、これらのウェイポイント、および負荷コンポーネント間のネット内のトレースをルーティングします。 このタイプのレイアウトを作成することは、自動対話型ルーターを使用するとはるかに簡単です。 信号完全性と電力供給分析 信号完全性に関して言えば、現代のデジタルICは非常に高速で切り替わるため、ほぼすべての設計者にとって信号がクリーンな状態を保つことが重要な考慮事項となります。信号完全性を確保するには、特定のアプリケーションに適した 適切なレイヤースタック、トレースの形状、およびグラウンドプレーンを設計することが本当に必要です。これらはすべて、CAD、ルーティング、およびボード設計ツールのタスクです。 適切な信号完全性パッケージを使用すると、異なるネットでの反射とクロストークの波形を調べることができます。これにより、終端が必要なタイミングと、異なるトレースで使用すべきマッチングネットワークを決定するのに役立ちます。 電力供給と熱管理に関しては、電力供給ネットワークアナライザー（PDNA）を使用することで、トレース、電力およびグラウンドプレーン、ビア全体のIR損失を特定できます。PDNAは、直感的な出力形式を使用して電圧および電流密度の結果を生成する必要があります。最高のツールは、対話型のカラーマップを表示し、潜在的な電力熱問題や過度のIRドロップについてボードを視覚的に検査できるようにします。 PCB全体の電力供給を示すカラーマップ 記事を読む
多層PCB基板用のFR4代替材料の選択 多層基板用のPCB基板材料としてのFR4代替品の選択 1 min Thought Leadership PCB設計者 PCB設計者 PCB設計者 次の多層PCBにFR4を選ばなくても大丈夫です。他のPCB基板材料の選択についてもっと読む。 記事を読む
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