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ヒートシンク設計の基本と原則の概要 ヒートシンク設計の基本と原則の概要 1 min Thought Leadership 私は、大学で楽器を演奏していましたが、先生はいつも「基本を大切に! 」と言っていました。そのため、何時間も続けて音階を練習し、ほとんど何も考えずに、音階やその変化形を演奏できるようになりました。電気エンジニアにとって、基本を、そして基本がどう成果物に影響するかを覚えておくことは、重要です。普通、私は、高レベルのシステムを用いて業務を行いますが、高度な用途に影響する簡単な原則を忘れがちです。熱管理とヒートシンクの場合、覚えておくべき主な3点は 対流、伝導、放射 です。これらの3つ基本が、フィンの配置や向き、熱伝導材料(TIM)、ヒートシンクの表面処理などに影響します。これら全てがどのようにかみ合うかを思い起こせば、ヒートシンク設計は簡単になるでしょう。 対流 先生からの別の金言に「音楽は自然に」というのがありました。これは、必ずしも対流に当てはまりません。基板では2種類の対流が利用できます。自然対流と強制対流です。自然対流は、空気を動かすのにファンや外部の力を利用しません。加熱具合が異なる流体に自然に発生する、対流によって起こります。この受動プロセスは電力を使用しませんが、冷却に少し時間がかかる場合もあります。強制対流はその逆で、空気を動かすのに外部の力を利用します。通常、この力に、ファンなどが使用されます。この方法では、外部の力に電力を供給する必要がありますが、代わりに、冷却は早くできます。興味深いことに、どちらの方法を選択するかが、ヒートシンク設計に影響します。 自然対流の場合、空気の動きを妨げないように、ヒートシンクとフィンを配置する必要があります。自然対流では流れが非常に弱く、多少でも妨げられると、冷却を大いに抑制します。ヒートシンクを置くとき、空気が フィンを通って平行に上昇 できるよう、ヒートシンクの向きを決める必要があります。フィンを気流に垂直に置くのは、逆立ちして楽器を演奏しようとするようなものであり、うまくいきません。フィン自体も 間隔を空けて配置 する必要があります。フィン同士の間隔が狭いと、対流を妨げます。 強制対流を扱う場合、簡単な面と複雑な面の両方があります。気流は保証されていますが、気流の最適化だけが問題です。前述しましたが、フィンと平行に空気が通過するようにヒートシンクの向きを決めます。フィンの設計が、少し注意を要する点です。強制対流の主な問題点は、圧力低下と損失です。フィンが高すぎる、またはフィンの間隔が狭すぎる場合、 ヒートシンクでの圧力低下 が過度になり、損失の大きいシステムになります。完璧なフィンのサイズや配置を見つけたい場合、 計算 が必要です。 オーケストラを指揮（conduct）するのと熱を伝導（conduct）するのとは、違います! 伝導 オーケストラでは、指揮者は指揮棒を使って指示を空中に出します。まるでラジオのアンテナのようです。回路での伝導は正反対です。伝導では、直接接触する物体同士の間で熱を伝えます。伝導に対処するときには、ヒートシンクの設置場所、その材料、ヒートシンクを基板に取り付けるのに使用するTIMについて考える必要があります。 ヒートシンクを配置することは重要です。冷却を最大化し、同時に使用スペースを最小化したいと考えます。実際、そもそも 記事を読む
ESDとは何か、ESDはどのようにPCB設計に影響するか? ESDとは何か、ESDはどのようにPCB設計に影響するか? 1 min Blog 電気技術者 電気技術者 電気技術者 2、3年南部に住んだ後、乾燥した西部に引っ越したところでした。私は、ここで育ちましたが、しょっちゅう静電気がバチッと起こるのを忘れていました。南部は湿度が高いので、空気の導電性が高くなります。一方、ここでは空気が乾燥し、絶縁されているので、静電気の衝撃は、ずっと大きくなります。子供の頃、靴下でカーペットの上を走り回り、お互いに静電気のショックを与えようとしたものです（結婚式では大いにひんしゅくを買い、注意されました）。 ショックを受けるごとに、今でも驚きますが、被害はありません。電子機器の場合は、そうはいきません。人が感じないほどのわずかな電圧によって破壊される場合もあります。その結果、PCB設計での軽減や保護を計画することが重要になります。 故意でなくても歩くだけで、ショックに十分な電圧差が簡単にできます。 ESDとは何か? 静電放電 （ESD）が発生するのは、電荷の異なる2つの物体が、物体間の絶縁が破壊されるほど近づいた、または帯電したときです。家庭用製品の場合、この破壊は通常、空気中で発生し、電圧は40kV/cmを超えます。 稲光は、最も身近なESDであり、雲と地面が巨大なコンデンサーを形成します。それほど劇的ではありませんが、夜にフリースやウールの毛布を振ると、小さな閃光が飛ぶのを見ることができます。 稲光は大規模な静電放電であり、雲と地面の間の空気の絶縁が破壊されたときに起こります。 これがPCBにどう影響するのか? 人やパッケージ、ケーブル、毛皮で覆われたペット、または反対の電荷を含む他の物体に触れると、または接近すると、どのPCBもESDの影響を受ける可能性があります。 触れる と、その電圧が放電され、比較的大きな電圧スパイクが発生します。電圧スパイクが逃げる際、放電電流がPCBで電磁場を生成します。 ESD保護 の目標は、放電とそれによって生じるEMの 影響を最小化 することです。 特に、多くの最新のチップセットは、非常に小さなリソグラフィパターンを使って作成され、高電圧に対する耐性が、ほとんどまたはまったくありません。その動作電圧である3.3Vを超えるDC値でも同じです。これらのコンポーネントの1つに直接到達するESD事象は通常、悲惨な結果をもたらし、ICを完全に破壊していまいます。 PCB設計のほぼあらゆる要素（トレース、配線、レイヤー、コンポーネント配置、スペーシング）が、基板のESD保護に影響する可能性があります。つまり、設計プロセスの初期にESDを考慮する必要があります。そうしないと、配線やコンポーネント配置の問題を修正するため、大規模なPCB設計変更が必要になるおそれがあります。 製品でESDの原因になるのは何か? 翼竜のような幅広い翼や、静電気を集める大きな足を持つ巨大生物を回避しても、まったくありふれた活動からESD事象は発生します。しばしば、歩くだけでも、普通のコンポーネントを破損するのに十分な電荷が蓄積されます。 記事を読む
SpaceX Dragonの宇宙ステーションへの再利用カプセル打ち上げがPCB設計に及ぼす変革 SpaceX Dragonの宇宙ステーションへの再利用カプセル打ち上げがPCB設計に及ぼす変革 1 min Thought Leadership 月を見上げて、宇宙の神秘に思いを巡らせたことはあるでしょうか?月をぼんやりと見つめていると、ときどき動いている星を目にすることがあります。国際宇宙ステーション（ISS）は地球から見えることがあり、人類が宇宙で達成した偉業を常に思い起こさせてくれます。SpaceXは最近、使用済みのカプセルを使用してISSに再度補給を行うという新たな挑戦を成し遂げました。SpaceXが宇宙船の再利用を発展させたことで、宇宙はさらに商業的に手の届くようになっていくでしょう。宇宙への打ち上げがより一般的になるにつれ、PCBの設計者は厳しい宇宙環境と、宇宙への打ち上げ過程に耐えられる基板の設計を迫られるようになるでしょう。宇宙では急速な温度変化や、激しい加速があるため、設計者は基板の機械的特性および材質の特性についてさらに検討を行う必要があります。 Dragonカプセルのドッキング: 第2部 SpaceXは2012年に、 ISSとドッキングした初めての民間企業になりました。最初のドッキングはSpaceXにとって大きな偉業でしたが、同社はさらに大きな目標を目指しました。2017年6月5日に、同社は再度ステーションへの再補給を行いましたが、今回は 以前に使用した Dragonカプセルを再使用しました。SpaceXは再利用を使命としており、 ロケットの着地と再使用を行ってきましたが、カプセルの再使用はこれが初めてです。次の目標は、 ロケットとカプセルの両方を再補給ミッションに再使用することです。 SpaceXが何回も利用可能な宇宙船を熱心に追及している理由は、単純な費用の問題です。同社の目標は、宇宙旅行を より安価にすることです。ロケットやポッドを再装備する方が、新しいものを作るよりもはるかに安価です。打ち上げが安価になれば、打ち上げ回数が増えることを期待できます。SpaceXの長期的な目標である火星への到達も、宇宙ミッションの増大を意味します。同社は、繰り返し利用できるロケットを、地球と火星との間の往復飛行に送り出すことを計画しています。平均的なPCB設計者は普通、宇宙についてあまり考えることはありませんが、惑星植民地が視野に入ってきた今、宇宙を考慮に入れるべき時が来ました。 急速な熱サイクルは、PCBに破壊的な影響を与える可能性があります。 温度についての考慮事項 私たちは通常、宇宙を「冷たい」と考えがちです。しかし驚くべきことに、実際には宇宙は極めて熱いこともあります。直射日光は、そのエネルギーを吸収する大気がない場合、極めて多くの熱を発生させます。宇宙船が惑星を周回、または回転するとき、宇宙船は太陽に照らされたり、影になったりを繰り返すことになり、巨大な温度差が発生します。この熱サイクルにより、PCBの電気的特性が変化し、寿命が縮まる可能性があります。 高性能の基板を設計するときは、 使用する材質と、その比誘電率（Dk）について検討します。宇宙についての問題の1つは、温度の上下動から材質のDkが変化する可能性があることです。これは、 温度 によって、絶縁体を構成する 極性化された分子の再配向が発生するためです。基板のDkは、温度によって増大することも、減少することもあります。これは明らかにPCBへ悪影響を及ぼします。このため、ロケット用のPCBを設計するときは、どのような温度でも Dkが維持されることを確認する必要があります。 記事を読む
PCBレイアウトソフトウェア比較に最も重要な機能 PCBレイアウトソフトウェア比較に最も重要な機能 1 min Thought Leadership 掘り出し物を見つけようと思って、中古車販売店に行ったことがありますか? 整備工でもなければ、ほとんど不可能です。私の場合、値段を除いて、自分にはほとんど同じに見える2台の車から選ぶことになりました。安い方を選んで、近くの整備工場に持って行くと、ぽんこつを選んだことが分りました。PCB設計ソフトウェアを選ぶときにも、同じ気持ちになることがあります。無料のプログラムを使用して、または中級のプログラムを購入して、自分が必要とするものには、ほど遠いことが分ったときです。電子設計自動化（EDA）ツールを決める前に、基板の設計に必要な高度な機能をサポートするか、確認する必要があります。また、自分特有のニーズに合うようカスタマイズできる統合環境で、これらの全ての要素が利用できることも重要です。 探すべき機能 私は、値段だけで車を選びました。もう一方の車と見た目は同じなのに、数千ドル安かったのです。結局、値段相応だと分りましたが、このことは、ECADソフトウェアにも当てはまります。たぶん、PCBの設計に、より安い、できれば無料のソフトウェアを使用したいと考えるでしょう。オプション機能の足りない点が、安い類似ブランドの問題点です。PCB設計が複雑になるにつれて、これらの「オプション機能」が必要になってくるのです。設計プログラムを選ぶ際に探すべきものをいくつか示します。 基板サイズ - これは当然ですが、挙げておきます。無料ツールの多くでは、基板スペースが厳しく制限されています。ソフトウェアが、回路に十分なスペースをサポートしているか確認してください。 高度なビア設計 - 高密度相互接続（HDI）基板や高速基板などを設計している場合、これは非常に重要です。 ブラインドビアやベリードビア 、 ビアインパッド（VIP） 、 マイクロビア 、 バックドリル加工 などの使用が必要になります。これらの機能のサポートは、低価格帯のソフトウェアには含まれない場合があります。必要であれば、利用できることを確認してください。 レイヤーの数 - 記事を読む
4～20mAの電流ループレシーバーを最小の部品数で設計する方法 4～20mAの電流ループレシーバーを最小の部品数で設計する方法 1 min Thought Leadership 私は昔からGordon Ramsayのファンでした。彼は、ヘルズキッチンの不運な競技参加者が毎回生のホタテを提供するたびに、愉快な文句をつけて楽しませてくれます。しかし、本当に面白かったのは、彼がアジア料理を試みたときです。状況は一変し、彼は優れたアジア料理が、いつも作っているビーフウェリントンとは完全に異なるものであるということを、苦心の末に学んでいました。 プロセス制御: 4 ～ 20mAが最適な用途。 私は、プログラマブルロジックコントローラー（PLC）が主流である業界で、純粋なデジタル電子回路の設計に5年間を費やした後、アナログ設計に移行したとき、同様な経験をしました。私が「Ramsayのアジア料理への挑戦」を最初に体験したのは、PLC用の低コストのローカライズされたオプションとして、8ビットマイクロコントローラーを搭載した複数の4 ～ 20mA電流ループ レシーバーを使用する最初のプロジェクトに従事したときです。アナログプロセス制御の専門家にとってはごく簡単なことなのでしょうが、私は電流を、使い慣れ十分理解しているデジタル読み出し値へ変換しようとして、隅に追いやられました。 4 ～ 20mA電流ループの概略 基礎から説明すると、4 ～ 20mAは制御業界における非常に一般的な標準です。4 ～ 20mAの変換器はHVAC、製造、データセンター、またはPLCが主流であるすべての業界に見られます。この業界標準では、センサーにより測定されるパラメーターが、4mAから20mAまでの範囲の直流により表されます。 設計の仕事でずっと、純粋なデジタル電子回路を扱ってきた人なら、なぜ測定された信号を伝送するために電圧を使用しないのか? そして、なぜ0 記事を読む
設計の複雑さが増すにつれて最高のプロフェッショナル向けPCB設計ソフトウェアが要求される理由 設計の複雑さが増すにつれて最高のプロフェッショナル向けPCB設計ソフトウェアが要求される理由 1 min Thought Leadership 子供のころの生活は単純だったなと思い返すことがありますか? 仕事もなく、ローンもなく、自分の子供と口論することもありませんでした。私の主な役割は表で駆け回り、遊んでいる間に泥だらけにならないようにすることでした。今の生活は確かにあの頃より良いものですが、同時にはるかに複雑になりました。それと同様に、PCB業界も成長し、 より複雑なものとなりました 大きくて単純な基板はもうありません。今では全ての回路が小さく、洗練されており、ときにはフレキシブルである必要があります。このような業界の動向から、設計者はレイアウトや回路図の作業だけでなく、何でも行える技術者であることが要求されています。このため、リジッドフレキシブル設計、ECAD/MCADコラボレーション、関係者との協力、電源供給ネットワーク解析（PDNA）などを行うため、最高のソフトウェアを常に利用可能にしておくことが重要です。 リジッドフレキシブル設計 子供の頃の私はずっと体が柔らかかったのですが、今では爪先に触れるのもやっとです。一方でPCBはその逆に、業界の成熟につれ、より柔軟になりつつあるようです。 多くの種類の製品 でフレキシブル設計が推進されていますが、中でも主な分野は モノのインターネット（IoT） と ウェアラブル です。これらの種類のデバイスは変わった外形をしていることが多く、しかも容積の制約が厳しいのが普通です。このような用途には、フレキシブル、またはリジッドフレキシブルの基板が最適です。 しかし、フレキシブル基板の設計は、口で言うほど簡単ではありません。材質、配線、フレキシブルとリジッドフレキシブルのどちらを使用するか、取り付け方法など、 膨大な数の要素 を考慮する必要があります。適切な基板を設計するには、これら全ての要素の設計に役立つソフトウェアが必要です。優れた設計ソフトウェアには、材質や設計技法についての 詳細なドキュメント が付属しています。また、 レイヤースタックを把握 し、基板の 3Dクリアランスを確認 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