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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
フレキシブル回路の補強オプション フレキシブル回路PCBスティフナーオプション 1 min Blog 柔軟な回路のスタックアップにはPCBスティフナーが含まれることが一般的です。こちらで異なるPCBスティフナーのオプションについて読んでください。 記事を読む
グレイツナミの中から3D PCB CADを探る TRANSLATE:

グレイツナミの中から3D PCB CADを探索する 1 min Blog サンディエゴのAPEX - ガスランプ地区の通りをスーツとネクタイ姿でロングスケートボードに乗っている私は、かなりの光景だったに違いありません。IPC APEXの展示会場を出たばかりで、業界の同僚数人と3D PCB CADの前向きな波について数時間話し合った後、交通の中をターンを切りながらホテルに戻っていました。 突然、混雑した街角で2人の男性が笑いながら私に声をかけてきました。「おい、お前、スケートボードに乗るには歳を取りすぎてるぞ！」信号待ちでいる人々全員の楽しみになりながら、私は手でシャカサインを見せました。信号が変わるとすぐに、前夜のPCBデザイナーのプレゼンテーションで聞いた言葉を使って彼らに声をかけ返し、「グレイ・ツナミを見よ！」と叫びました。通りからさらに笑い声が聞こえるのを楽しみながら、私はスケートを続けました。 グレイ・ツナミの比喩は、電子業界から最後の波を捉えて去ろうとしているPCBデザイナーの高齢化している人口を表すために使われました。そして、おそらく彼らの集合的なPCB設計の知識と経験を持って行ってしまうでしょう。 待って… みんな、水から出て！ えっ？！ また言いますが、PCB業界で機能するほとんどすべてのものの成功の背後にいる人々—PCBデザイナーのベビーブーム世代—は最後の波に乗っています。彼らは引退しています。 数十年にわたり、PCBデザイナーは、経験豊富なデザイナーのニーズに応えるために進化し続けなければならなかったソフトウェアを使用してPCB設計のレイアウトを行ってきました。 その進化はデザイナーのワークアラウンドによってもたらされました。カスタマイズされたランドジオメトリーやティアドロップドパッドルーティングから、銅プレーンのポジティブフラッディングまで。差動ペアのダイナミックルーティングから、重要なルートの自動長さマッチングまで。手動でインポートされたDXFテンプレートから、非常に詳細な機械的ステップファイルまで。経験豊富なPCBデザイナーは、ソフトウェアが簡単に提供できるツールに進化する前から、設計を完成させるためにグラフィカルに必要なものが何であるかを常に知っていました。 たとえば、ミレニアル世代のPCBデザイナーの中には、「ドットコム」時代が2000年頃に終わる前に、自動化された電源プレーンの作成方法が1種類しかなかったことを知って驚く人もいるかもしれません。当時、設計ツールで作成できたのは内部の負のプレーンだけでした。しかし、PCBの外層を溢れさせる設計技術がより受け入れられるようになると、デザイナーは自分たちの幾何学的な工夫を使って、外層のランドジオメトリの周りのプレーンを埋めるようになりました。PCBデザインのベンチマークイベントが2000年にPCBウェストで開催されたときに、業界は初めて自動化された外層銅の溢れを実行できるPCBデザインソフトウェアを目の当たりにしました。 この瞬間は、EDA企業が経験豊富なPCBデザイナーからの要望に応え、彼らの設計を助けることが証明された機能をツールに追加することで、すべての競合他社に追随させる優れた例として立っています。しかし、新しい機能が追加されたことで、外層プリント、エッチング、メッキの制約についてデザイナーを教育する必要が生じました。今日に至るまで、ほぼ2十年後でも、デザイナーは誤って同じクリアランスルールと内層銅プレーン（プリントとエッチング）を外層の溢れに使用しており、追加のメッキステップのためにより多くのクリアランスが必要です。 PCB設計の経験が数十年にわたって蓄積され、グレーツナミの後に洗い流される中で、PCB製造における大きな変化の兆しが既に見え始めています。電子業界は、PCB設計とレイアウトの課題に取り組む 新しい電子エンジニアで溢れかえっています。 新しい電子工学の展望が形を成すにつれて、業界の見物人からの興奮が生まれています。しかし、新しいPCB設計の「グレミー」たちが初めての波を捕まえるために設計ツールを漕ぎ出すと、業界のPCB製造部門は、無理なPCBスタックアップ、恐ろしいプリントとエッチングの課題、管理不可能なドリルアスペクト比など、厄介なデザインの失敗に終わる無限の夏に備えています。これらはすべて、不格好または欠落しているデータ、設計仕様、および文書と組み合わされています。 ベビーブーム世代のPCBデザイナーの経験によって推進されたPCBレイアウトツールの大幅な改善により、新世代のミレニアルPCBデザイナーは 記事を読む