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PCB設計プロセスの概念 PCB設計プロセスの概念 1 min Blog ゴールデンゲートブリッジのような建築の傑作や、パリのノートルダム大聖堂のような歴史的建造物を見たことはありますか？そして、どのようにしてそのアイデアが生まれ、実行されたのか疑問に思ったことはありますか？いくつかの言葉が思い浮かびます：計画、計画、そして調整。 PCBとSOCパッケージデザインもそれに似ていて、つまり、部品、回路インターフェース、電源プレーン、数千の信号、ビアの遷移、そして多くの設計ルールが電気的に健全であり、必要な性能を持ち、かつ機械的なフォームファクターの制約と限界とも協働できるようにまとまる必要がある、真のパズルのようなものです。 PCBデザインの構成要素 良い入力チェックリストに従うことの重要性 エンジニアが考え、文書化されたコミュニケーションの形を作り出し、基本的に話を進める手助けとなるのが、入力チェックリストです。チェックリストは多くのことを定義でき、PCB設計の旅を始める出発点となります。また、エンジニアに設計で何を求めているのかを反映する時間でもあります。これまでのところ、エンジニアはほとんどの場合、電気的に考えており、（願わくば）回路図や部品探しに没頭していましたが、これからは物理的になる時です、笑。つまり、PCB上で電子がどのように流れるか、何が必要かを考え始めるということです。 私は基本を含むチェックリストを使用しています。設計を重ねるほど、これは筋肉記憶になります。レイアウトを行うエンジニアであれば、あなたの考え方はPCBデザイナーのように変わるでしょう。たとえば、部品番号よりも参照指定子を考えるようになるかもしれません。実現可能性の調査を行うのは早い段階で、入力チェックリストがそのフェーズを開始します。基本的に必要な項目はBOM、機械的入力、ルーティング/設計ルール、全体の厚み、インピーダンス要件、考慮すべき最小ピッチ部品で、必要なビア構造を定義するのに役立ちます。BGAの計算を行います。 機械的な協力 – キープアウトと高さ制限 プロジェクトを開始する上で、MCADとの協力は不可欠です。最初から機械的要件と同じページにいることが重要です。全体の基板厚、コネクタの位置/回転、配置のキープアウト、取り付け穴は、PCB設計の早い段階で正確に定義され、考慮されなければなりません。これは、あなたがこれから建てる建物の基礎です。フレームワークは、設計を適合させるための物理的制約と寸法であり、設計の成功には正確さが重要であることがわかります。過去には、MCADからの機械的ボードのアウトラインが底面図として示され、ECadには上面図として入ってくることがありました。これは部品配置に影響を与えますので、このようなことはしないでください。ビューが正しいことを確認し、可能な限り.idfや.idxファイルを共有し、その能力があれば同じステップモデルファイルも含めてください。これにより、成功したMCAD協力が保証されます。また、ヒートシンクの取り付け穴を移動できる場所を交渉する時期かもしれませんが、部品の配置も制限を決定します。例えば、高ピンカウントのBGAを角に配置し、信号で完全に埋め尽くされている場合、今が押し返す時です。なぜなら、角からルーティングを試みる際に詰まってしまい、より多くの信号層が必要になるからです。 ルーティングルールの重要性 ルーティングまたは設計ルールは、PCB設計をチェックするためのものです。私はしばしば、文書化されたルールを列車が走るべき線路として参照します。1つの文書で定義されたルールは、毎日または毎時変更され、追跡が困難な多数のメールと比較して、設計のパフォーマンスにとって重要な項目を見落としたり忘れたりすることが非常に容易になり、PCBデザイナーが一丸となってコミュニケーションを取り、レガシードキュメントを提供します。文書形式のルールのアイデアは、設計が遵守しなければならない制約や設計ルールとしてしばしば言及される、CADツールにルールを入力するために使用されます。これには、設計がタイミング、ノイズ、製造要件を満たすために従う物理的および電気的なルールが含まれます。 高速ルーティングとシミュレーション - 電力供給コンセプト デザインが形になり始め、ルールが定められ、配置と電源プレーンが定義されている今、デザイン上に存在する場合、最も重要なインターフェースと最も挑戦的な高速回路をレイアウトするのに適した時期です。全体のデザインに適したスタックアップを念頭に置くことが良いアイデアです。標準的なビアサイズを使用し、良好な収率アスペクト比を目指しながら、その回路をテストし、配置してルーティングし、そしてシミュレートする時期です。はい、重要なネットがルーティングされたら、最適なパフォーマンスの要件を満たしているかどうかを確認するために、今シミュレートします。この時点で、異なるスタックアップやビアの配置が必要であることがわかるかもしれません。たとえば、12GBPSを達成しようとしており、18層の.093厚さのボードでスルーホールビアを使用している場合、ビアスタブがパフォーマンスを達成するために反射を引き起こしていることがわかるかもしれません。盲孔ビアや埋没ビア、バックドリリング、または異なるボードスタックアップやインターフェースの選択を検討する必要があるかもしれません。 上で述べたこれら4つのステップは、成功したPCB設計のための枠組みを構築するための足がかりとなるはずです。これらのステップに従った私の経験は、一貫した結果をもたらしてくれました。まずは枠組みを構築することが重要だと信じています。次のステップは、シミュレーションが成功したかどうかです。PCBデザインのボード構成やビア構造、ビアのサイズ、またはDkが低く損失が少ない製造材料を変更する必要がありましたか？シミュレーションから多くを学ぶことができ、それが前進への道を築く助けとなります。 これらの項目は、シミュレーションや計算が行われ、高速インターフェースの初期の重要なルーティング/チューニングの後に明らかになるべきです。では、すべてがうまくいった場合、プロセスの次のステップは何ですか？ここからどこへ行くべきですか？スタックアップを確認しますか？設計の組織化ですか？ それが、私がパート2で議論する内容です： 技術ごとのスタックアップ定義 記事を読む
制御が必要なルーティングインピーダンス 制御が必要なルーティングインピーダンス 1 min Blog 制御インピーダンスルーティングの設計アプローチは、高速PCB設計の重要な要素であり、PCBの意図した高速性能を確保するためには、効果的な方法とツールを採用する必要があります。したがって、PCB内のルートを慎重に設計しない限り、インピーダンスは制御されず、トレース全体を通じて点から点へとその値が変動します。そして、PCBのトレースが高周波数で単純な接続のように振る舞わないため、インピーダンスを制御することで、信号の完全性を保持し、電磁放射の可能性も減少させます。 制御インピーダンスを決定するものは何か？ PCBのインピーダンスは、その抵抗、導電率、誘導性および容量性リアクタンスによって決定されます。しかし、これらの要因は、基板構造、導電性および誘電体材料の特性、導体の構造および寸法、および信号リターンプレーンからの分離、ならびに信号特性の機能です。 基本的なレベルでは、トレースインピーダンス値はPCB構造から決定され、これらの要因によって生成されます： 誘電体材料（コア/プレプレグ）の厚さ 材料（コア/プレプレグ、はんだマスクまたは空気）の誘電率 トレース幅と銅の重さ 高周波を見ると、インピーダンスは銅の粗さ（ スキン効果の増加を決定する）や損失正接（誘電体の損失）によっても決まります。設計で最も滑らかな銅を使用しても、銅張り積層板やプリプレグに粗い表面を確保するために、PCB製造では粗面化処理が使用されます。どんな場合でも、銅の粗さは常に存在します！ 典型的な構成 まず、典型的な構成を見てみましょう。トレース構成にはいくつかの広いクラスがあります： シングルエンド：デジタル信号やRF信号を単独で運ぶ孤立したトレース 差動トレース：等しく反対の極性で一緒に駆動される2つのトレース 非共面：トレースが配線されている同じ層に追加の銅がないトレース構成 共面：トレースと同じ層に接地された銅プールが含まれるトレース構成 多層PCBを検討する際、設計者はトレースの制御インピーダンスが平面（リファレンス）によって遮蔽されているため、トレースの両側の平面間の誘電体の厚さのみを考慮すべきであることを覚えておく必要があります。ここに最も一般的な構成の例をいくつか示します： Er = 材料の誘電率 H 記事を読む
IPCに準拠したフットプリントモデルの操作 IPCに準拠したフットプリントモデルの操作 1 min Blog エレクトロニクス業界は業界標準の恩恵を受けています。これらの標準により、選択したコンポーネントを設計間で再利用でき、仕様が一貫して、IPCに準拠した製造者が標準プロセスを使用して基板を構築できるという保証を設計者に与えます。これにより生産性が向上し、デバイスが確実に意図したように動作するようになります。 標準のIPC 7350シリーズ（具体的には、IPC 7351B）により、表面実装コンポーネントの領域パターンの一般的な物理設計パラメータが指定されます。この標準に適合させるには、さまざまなタイプのコンポーネントが特定のフットプリントを必要とします。製造業者はこの標準内で対処して、製品が品質の要件と信頼性の要件を満たし、再作業や破棄が確実に減るようにします。 PCBがIPC 7351B標準に準拠するとき、表面実装コンポーネントが標準化された領域の配置に準拠しない場合があります。コンポーネントを使用することはできますが、製造業者が特定のコンポーネントを操作するためにプロセスを適応させる必要があるので、彼らからの追加の設計コストを負担する必要がある可能性もあります。カスタマイズされた、独自のコンポーネントを操作している場合、コンポーネントをIPCに準拠するよう設計することは良いアイデアです。 IPC準拠のフットプリントを使用したコンポーネントの作成 全てのコンポーネントがIPCに準拠したフットプリントを使用しているわけではありません。幸いにも、最良のPCB設計ソフトウェアパッケージにはCADツールがあり、一部のシンプルな設計方法を適用する限り、これらのコンポーネントを操作することができます。例えば、領域のパッド間のピッチは標準トレース幅と違っており、これらの非準拠のコンポーネントを使用する場合は、設計ソフトでこの設定を変更する必要があります。 カスタムコンポーネントを使用するときに配置や配線の問題を避けようとするなら、手間を省いて直ちにIPCに準拠するコンポーネントのフットプリントを作成することができます。AltiumではIPC Compliant Footprint Wizardがアプリケーションの拡張機能として使用可能です。このウィザードではテンプレートを使用してIPCに準拠するコンポーネントのフットプリントを生成し、 手動でコンポーネントを作成するのに比べて、大幅に時間を節約します。 ウィザードにアクセスするには、新しいPCBライブラリファイルを作成する必要があります。これはスタンドアロンファイル、または既存のプロジェクトへの追加として作成することができます。この新規のウィンドウがアクティブな状態で、[Tool] メニューをクリックして [IPC Compliant Footprint Wizard] を選択します。さまざまなコンポーネントフットプリントを作成するオプションが表示されます。この例では、CQFPパッケージを使用します。 記事を読む
Altium Designerで差動ペアのルーティング Altium Designerを使用したPCBレイアウトでの差動ペアのルーティング 1 min Blog Altium Designerは、PCBレイアウト内の差動ペアのルーティングと、コンポーネント間の差動インピーダンスの管理を迅速かつ簡単に行うことができます。 記事を読む
PCBと部品表におけるサーキットブレーカー PCBと部品表におけるサーキットブレーカー 1 min Blog 回路遮断器はすべてのシステムで必要とされるわけではありませんが、過電圧/高電流に対する保護や、電力サージから生じる可能性のある損傷に対して、一部の環境では主要な保護源となります。回路遮断器は住宅の回路保護での使用が最もよく知られていますが、回路保護が必要とされる任意の環境（電力システムや産業システムなど）で使用することができます。一部の回路遮断器はPCB上に取り付けることができますが、他のものは大きすぎて筐体内にパネル取り付けする必要があります。 これらのオプションのどちらを設計に選択すべきか？これらの回路遮断器を選択する方法と、組み立てでこれらを指定する方法について説明します。 PCB内の回路遮断器 PCBが高電流でのシステム障害から保護する必要がある敏感な要素を含む場合、PCBに回路遮断器を含める必要があるでしょう。回路保護は、製品に適用される EMC規制や業界標準の下でも必要とされる場合があり、そのような回路保護要件は回路遮断器を必要とするかもしれません。PCBに含めることができる回路遮断器の種類は多く、ACまたはDCの過電圧および/または突入電流から回路を保護します。 回路遮断器には4種類あります： 熱的 - 過電流状態での過度の加熱によって作動 磁気 - 電流によって生成される磁場によって作動 熱磁気 - 高電流でのバイメタルアームの曲がりによって作動 油圧磁気 - 磁力が減衰液中のバネに作用してブレーカーを作動させる 各種類のブレーカーは、時間経過に伴う異なる電流作動プロファイルと独自の機械的特性を持っています。油圧遅延のない純粋な磁気ブレーカーは、電流サージを遮断するためにソレノイドを使用し、4つのオプションの中で最も速いブレーカーです。 PCB取り付け対パネル取り付け 記事を読む
接地を保つ：PCBレイアウトにおけるデジタル、アナログ、およびアースグラウンド エレクトロニクス設計におけるグラウンドリファレンスとシャーシグラウンドについて 1 min Thought Leadership アース接続技術、接地、PCBのグラウンド接続、PCBシャーシグラウンドの概念は、国際基準が概念と用語を分離しようと試みても、電子工学においては非常に複雑です。グラウンディングは、電子設計、電気作業、もちろんPCB設計のすべての側面で重要です。すべての回路には、私たちがグラウンドと呼ぶ参照接続が必要ですが、正確な参照はさまざまなシステムで異なる方法で定義されます。 さまざまなタイプの電子機器でPCBグラウンドがどのように機能し、グラウンド接続をどのように使用するか不確かな場合、すべてのシステムに適用される単純な答えはありません。異なるタイプの電子機器は、それぞれのポテンシャル参照を異なる方法で定義し、すべてのグラウンドが同じポテンシャルにあるわけではないことが、入門電子工学のクラスで学んだこととは対照的です。この記事では、デジタルグラウンド、アナロググラウンド、シャーシグラウンド、そして最終的にアースグラウンド接続を定義し統合するためのシステムレベルのアプローチを取ります。グラウンドが最終的にPCBにどのように接続され、最終的にシステム内のすべてのコンポーネントに接続されるかを学ぶために読み続けてください。 回路におけるグラウンド参照とは何か、そしてそれは何をするのか？ 地面を定義する方法はいくつかありますが、誰に尋ねるかによって異なります。物理学者は特定の方法（主に理論的に）で定義する一方で、電気技師や電気工学者は文字通りあなたの足元の地面（アースグラウンド）を指しているかもしれません。電子工学では、地面をさまざまな機能を交換可能に実行するものとして参照することがあります。ここでは、電子工学における地面の主な機能をいくつか紹介します： 地面は電圧を測定するために使用される基準点を提供します。すべての電圧は、2点間の電場（および位置エネルギー）の観点から定義されます。これらの点の1つを「0V」と定義することができ、この0Vの基準を「地面」と呼ぶことがあります。これが、PCB内のグラウンドプレーンを「基準平面」と言う理由の1つです。 地面は電源への帰還電流の経路を提供するために使用でき、これにより回路が完成します。 概念的には、地面は大きな電荷の貯蔵庫として機能し、電流の流れの方向も定義します。地面を0Vの基準として取るため、この値（正または負）より上または下の電圧は、地面の位置に対して異なる方向に電流の流れを駆動します。 グラウンドは電場が終了する点を提供します。これは本当に最初のポイントの変形です。もし電磁気学のクラスで画像法の問題を解決しなければならなかったことがあれば、グラウンドは特に0Vで保持される等電位面として定義されることを覚えているはずです。この定義は、特定の電圧で保持される任意の導体（例えば、 PCBの電源プレーン）にも適用されることに注意してください。 完全なグラウンド導体を通る電圧降下は0Vです。言い換えると、グラウンド参照内の任意の2点間の電圧を測定すると、常に0Vを測定するはずです。これは上記のポイント2の再述です。 PCB設計では、電源がコンポーネントに供給される方法と、設計内でデジタル/アナログ信号がどのように測定されるかを定義するため、ポイント1と3についてよく話します。EMI/EMCの専門家は時々、ポイント4の観点からグラウンドについて話します。これは基本的にシールド材料の機能を説明します。誰もがポイント5を福音として受け入れますが、ポイント5は現実には起こりません。 これらのポイントをカバーした今、電子機器におけるグラウンディングとさまざまなタイプのグラウンドについて認識すべきいくつかのことがあります。 全てのグラウンドは不完全です 全てのグラウンド領域は上記の特性を持つことが意図されていますが、導体の実際の性質により、グラウンド基準として使用された場合には異なる機能を果たします。さらに、グラウンド領域の幾何学的形状は、電場および磁場との相互作用の仕方を決定し、それがグラウンド領域へのおよびグラウンド領域内の電流の動き方に影響を与えます。これが、 異なる信号がその周波数内容に依存した特定のリターンパスを持つ理由です。さらに、全てのグラウンドは非ゼロの抵抗を持っており、これが実際のグラウンドに関する次のポイントにつながります。 全てのグラウンドが0Vであるわけではない 浮遊している導体や、異なる電源を参照するシステム内の導体は、同じ0Vの電位を持っているとは限りません。言い換えると、異なる機器の2つのグラウンド参照が同じ参照に接続されている場合でも、それらの間の電位を測定すると、非ゼロの電圧を測定することになります。 これは、2つのデバイスが同じ導体をグラウンド接続として参照している場合にも発生することがあります。長い導体（例えば、マルチメーターで）を測定すると、電位差がゼロでない可能性があり、これは導体に沿って一定の電流が流れていることを意味します。大きなグラウンドや2つのグラウンド接続間のこの電位差は「グラウンドオフセット」と呼ばれます。大規模なマルチボードシステムや、産業用およびネットワーク機器のような分野では、グラウンドオフセットは差動信号を使用する理由の1つです（例： CANバス、 イーサネットなど）。差動プロトコルは2本のワイヤー間の電圧差を使用するため、それぞれのグラウンド参照は関係なく、信号は依然として解釈できます。 記事を読む
高速・高周波PCBにおける終端方法 高速・高周波PCBにおける終端方法 1 min Blog PCB設計者 PCB設計者 PCB設計者 高速デジタルシステムを扱う際には、終端の話題が必ず出てきます。ほとんどのデジタルシステムには、少なくとも1つの標準化された高速インターフェースがあり、または高速なエッジレート信号を生成する高速GPIOが存在する可能性があります。高度なシステムには、通常、半導体ダイ上に適用される終端を持つ多くの標準化されたインターフェースがあります。実際に終端が必要かどうかを判断した場合、どの方法を使用すべきでしょうか？ 実際には、多くのデジタルシステムではデジタル通信のための標準化されたバスを多くのコンポーネントが実装しているため、離散終端器の適用は非常に一般的ではありません。しかし、高速I/Oを持つ高度なコンポーネントを扱っている場合、離散コンポーネントで手動で終端を適用する必要があるかもしれません。このような状況が発生するもう一つの例は、特定のプロセッサーや FPGAで時々使用される特殊なロジックです。最後に、RF終端の問題がありますが、これはデジタルシステムの終端とは非常に異なります。 終端の適用時期と方法 上述のように、離散コンポーネントで手動で終端を適用する必要があるケースは限られています。 あなたのインターフェースにはインピーダンス仕様がありません データシートには、手動での終端が必要であると記載されています インターフェース仕様では、特定の終端（例： DDR、 イーサネットのボブ・スミス終端）が要求されます RFとデジタルのインピーダンスマッチングはやや異なります。全体的な目標は同じです：伝送線に送信された信号は、伝播中に最小限の損失を経験し、受信コンポーネントによって正しい電圧/電力レベルで登録されるべきです。以下の表は、デジタルとRFで使用される終端方法を比較しています： デジタルチャネル RFチャネル 終端帯域幅 広帯域終端回路が必要 狭帯域終端回路が必要 電力損失 特定の場合にはある程度の電力損失が許容される 通過帯域での電力損失はないことが望ましい 適用範囲 記事を読む