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組み込み型ソーラーシステム向けのPCB設計ガイドライン 組み込み型ソーラーシステム向けのPCB設計ガイドライン 1 min Thought Leadership 旅行から戻って来た直後に、もう一度旅行に出掛けたいと思ったことはありませんか? 私にはそんな経験があります。前回のビーチリゾートでの休暇が、雷雨が続いたせいで台無しになってしまったのです。旅行の計画を立てるときは、予測できない天気というものがいつもジレンマになります。アウトドアで過ごす予定があればなおのことでしょう。 屋外での使用が想定される組み込み型のソーラーシステムを設計する際、私はこれと同じ慎重な姿勢で取り組みようにしています。こうしたシステムは、安定した電力供給で稼働する組み込み型のシステムとは完全に異なる難題です。例によって、私は苦労の末に慎重になることを学びました。というのも、最初に手掛けたソーラー式の試作は、1日でも雨が降ると稼働しなくなってしまったからです。 組み込み型ソーラーシステムについては考慮すべき状況がたくさんあり、太陽光のない状態で何日も稼働するように計画しなければなりません。 組み込み型ソーラーシステムの設計で考慮すべき要素 1. ソーラーパネル 言うまでもなく、ソーラーシステムで最も重要なの要素はソーラーパネルです。これについては、多結晶や薄膜よりも効率がよく、暑い気候でも優れた性能を発揮する単結晶を選択したほうがよいでしょう。パネルの中には最大22%の 太陽光を電力に 変換できるものもあります。とはいえ、単結晶や多結晶の効率はサプライヤーによって異なるため、事前に詳細情報を確認しておきましょう。 2. 電池の容量 組み込み型のソーラーシステムで重要なパラメーターは、ソーラーパネルの性能が0%になった場合のシステムの持続性です。環境要因によっては、ソーラーパネルに数日や数週間、太陽光が届かない場合もあります。そこで必要になるのは十分な容量のある 電池 です。また、ソーラーパネルの充電率が電池の使用率を上回るようにしておく必要もあります。5時間かけて充電した電池が2時間で消耗してしまっては、とても効率的とは言えません。 3. 太陽光の照射 考え方によっては、ソーラー技術はいたって単純です。太陽光がなければ電力は生成されません。ただし必ずしも、8時間分の太陽光で8時間分の電力が生成されるわけではありません。「 太陽光ピーク時間 」という用語がありますが、これは太陽が空の最も高い位置にあって、ソーラーパネルが一番効率的になる時間帯を指します。こうした要素について認識し、太陽光ピーク時間を算出しておくことが望まれます。 記事を読む
複数のデザイン構成にPCB実装バリアントを使用すべき理由 複数のデザイン構成にPCB実装バリアントを使用すべき理由 1 min Thought Leadership 何年も前、筆者は既存の基板からコピーしたデザインを扱っていましたが、問題が1つありました。レイアウト上のいくつかの回路が、技術者が作成した回路図の回路と一致しませんでした。これによって多くの混乱が生じました。最終的には、設計が承認されて製造部門に送られた後で基板に加えられた編集が問題だったことが判明しました。実装バリアントを作成したことで、回路図との同期が失われたと同時に、基板に不用意な変更が行われたのです。手作業で実装バリアントを管理しようとした場合、このような問題が忍び寄ってくる可能性があります。これにより、設計が遅れたり、さらに悪いことには、発覚していないエラーのため不良基板が製造されるかもしれません。 PCB実装バリアントとその必要性 同じ基板を、複数用途のため、実装時に異なる構成にできるよう回路基板を設計することは一般的です。これらの異なる構成は実装バリアントとして知られています。例えば、異なる電圧で動作させることができるよう電源供給を設計するケースがあります。どの部品を使用するか、使用しないか、あるいは変更するかを変えることで、実装時に異なるバージョンの電源供給基板を作成する方法が決まります。 実装バリアント用の回路基板を設計する場合、金属の電気回路構成要素（パッド、トレース、領域フィルなど）が、提案された全ての構成で機能するようレイアウトされることが重要です。このように、異なる構成が全て、未加工の同一基板設計から作成可能です。これにより、設計者の作業負荷を減らすだけでなく、基板製造と在庫の費用を減らすことができます。 各PCB実装バリアントにはドキュメントが必要です 手作業による実装バリアントの作成とドキュメント化 従来、PCB設計者は、複数のバリアントを扱う場合、各基板の実装構成に対応するため、別々のデザイン データベースを作成する必要がありました 。 これは、各実装に専用のドキュメントが必要だからです。 ただし、この方法でも設計エラーが生じる可能性がありました。 各デザイン データベースは、未加工の基板設計を含んでいるので、全てのバリアント データベースにコピーされます。未加工の基板設計のマスターコピーを1つ持つことは優れた設計慣習ですが、そのマスターコピーが各バリアントのコピーに含まれる場合は問題が生じる可能性があります。これは、たとえ偶然でも、未加工の設計がいずれかのバリアントコピーで変更された場合、未加工の基板設計の異なるコピーが作成されることになります。こうなると、どれが正しいマスターコピーか分らなくなる可能性があります。未加工の基板が全ての異なる実装バリアントの基本デザインである場合、これは問題です。何年も前に経験済みですが、変更の結果、回路図とのリンクが切断された場合、状況はさらに悪化します。 最終的には、これらの潜在的な問題と、同じデザイン データベースでの複数コピーの管理は、作業負荷を増やします。未加工の基板が意図的に変更されるたびに、各バリアント データベースに編集内容をコピーする必要があります。これは、時間のかかる作業であり、データベース間でデザインの一貫性を確実に保つために高い集中力が求められます。 PCB実装バリアントにより、同じ基板を異なる用途のために構成できます。 バリアント管理ツールによるプロセスの簡素化 CADアプリケーションのバリアント管理ツールは、1つの基本データベース内で全ての作業を行えるようにすることで、異なる実装バリアントの作成と管理のプロセスを簡素化します。バリアントを作成する際、特定部品を使用する、使用しない、あるいは値を変更するなどを指定することができます。また、バリアント管理ツールにより、実装図面などの出力や部品表を変更して、変更された部品の状態を反映できます。 記事を読む
IoTストレージ技術: 超低消費電力CBRAM IoTストレージ技術: 超低消費電力CBRAM 1 min Thought Leadership ずっと昔、あのフロッピーディスクを使っていたことを覚えていますか? 私のコンピューターにフロッピーディスクドライブが2つ付いていたのを覚えています。一方のドライブにプログラムの入ったディスクを入れ、もう一方にデータ用のディスクを入れていました。そのうち、ハードディスクという驚くべき発明品が登場し、保管容量は爆発的に増えました。メモリ容量は、まだ増加を続け、今ではサイズは、それほど有用な要素でなくなりつつあります。モノのインターネット（IoT）の場合、エネルギー消費が次の重要項目です。スマート家電からスマートシティまで、あらゆるものが構想されており、これらが機能するには、非常に消費電力が低いメモリが必要となります。そこで、超低消費電力CBRAM（導電性ブリッジング ランダムアクセスメモリ）の出番です。Adestoは、他のストレージ技術の1/100の電力で動作できるかもしれない、この技術を推進している主要な企業です。 もはやこれらは必要ありません。 低消費電力の要件 先ほど、ストレージのサイズは問題ではない言いましたが、それは嘘です。デバイスが小型化するとともに、小さなバッテリーで動作できる、より小型のメモリが必要となります。特にウェアラブル機器は、フォームファクターの小型化と効率的なエネルギー利用について、この傾向を促進しています。機械の小型化に加えて、広域IoTセンサーネットワークも、低消費電力ソリューションを必要としています。 メモリが増加しただけでなく、計算能力も向上しました。今日のスマートフォンは、NASAが月旅行に使用したコンピューターより 何百万倍も強力 であると言われています。ウェアラブル電子機器は、まだまだそのレベルに達していませんが、その方向に向かっています。より強力になりつつあるだけでなく、スマートウォッチは、 センサー機能の統合 を始めつつあり、高度なユーザーインターフェイス（UI）とサポートアプリケーションを既に備えています。プロセッサー、センサー、アプリは、 動作するためにエネルギー効率の高いメモリを必要とします 。そうでなければ、1日に何度もウォッチを外して充電することが必要になり、誰もそれは望みません。 低消費電力を本当に必要とするもう1つの領域は、低消費電力高域ネットワーク（LPWAN）で使用されるデバイスです。人は長い間、「スマートシティ」を構想してきました。そこでは、 自動車が自分で駐車スペースに止まり 、 インフラが効率的に監視、保守され 、 公共の利益を求めてデータマイニングが行われます 。これらのシステム全てに共通していることは、何でしょうか 記事を読む
高電圧設計向けのPCBレイアウトについて計画する方法 高電圧設計向けのPCBレイアウトについて計画する方法 1 min Thought Leadership 以前、都市プランナーの友人とトレイルランニングをしていたことがあります。私が疲れてやる気を失くしてしまう前に少しでも長く走らせようと企んだ彼女は、街の区画整理や建設に関することについてあれこれ聞かせてくれました。地元の政治の裏話に興味をそそられた私は、走る辛さを忘れたものです。 友人は賛成しないでしょうが、高電圧PCB向けのレイアウトは複雑な都市計画にいくつかの類似点があります。高電圧PCBでは通常のPCB設計に関する検討事項に加え、最終製品の最高性能を確保し、寿命を迎えるまで保護するために、基板全体で電界強度を制御、最適化できるレイアウトが必要になります。 高電圧領域の分離 都市計画で区画地域を指定し、土地の用途を制限するのと同じように、設計者は高電圧回路をグループ化し、基板の他の部分への影響を最小限にしなければなりません。高電圧と低電圧の領域を分離することで、基板でのアーク放電のリスクを低減できます。 高電圧の領域を物理的に分離する方法の1つは、周辺にinsertを追加することです。基板のレイアウトを作成する際は、insertを配置した場所にルータ加工する長穴を配置します。長穴が実装できるかどうかや、長穴の許容差については、製造業者に確認する必要があります。 基板の中で最も電圧が高い領域の近くに長穴を配置すると、過電圧になる可能性が高くなります。 Proto Express は、度重なるアーク放電に耐え得るよう長穴を設計することを推奨しています。長穴の最小幅は、基板で想定される最高電圧で 十分な保護 を確保できるものでなければなりません。長穴のサイズに少しマージンを追加すれば、コロナ放電やアーク放電で長穴の縁が炭化しても、PCBは損傷を受けずにすみます。これが重要なのは、縁がアーク放電による損傷を受けるのに伴って、PCB材料の耐性が低下するからです。 長穴は、基板の他の機能やビアと同様に、製造中にルータ加工されます。これが完了すると不活性絶縁材が長穴に追加され、垂直の障壁が形成されます。電圧が低ければPCB材料を使用できるものの、電圧が高い場合はポリエステルやテフロンなどの材料を使用したほうがよいでしょう。insertはクリップや接着剤で固定できるほか、長穴やinsertを所定の場所にロックできる形状に設計することも可能です。 高電圧の領域を分離することは、基板全体の電圧を徐々に下げるために重要 基板全体の電圧を徐々に低減 電圧の高い領域を分離した後も、残りの部分を「区画分け」して電圧を徐々に下げられるようにしなければなりません。ここでは、メインの導体の周辺に低電圧で稼働する回路を配置することで、電界を再分離できます。電界強度が低い領域では、コロナ放電やアーク放電が発生する可能性が低くなります。 高電圧設計での電界の分離には、 電圧浮動環 や電界格子環も使用できます。これらの環は、設計で保護される高電圧源のAC/DCの特性に応じて、抵抗やコンデンサーと連動したり、 終端として機能したりします。かなり高度な設計コンポーネントのため、使用を検討する場合は資料を詳しく確認することが推奨されます。 ノイズ源の分離 記事を読む
PLCと組み込みシステムとの比較: ユニット単価が高くてもPLCを選択すべき場合 PLCと組み込みシステムとの比較: ユニット単価が高くてもPLCを選択すべき場合 1 min Thought Leadership 評判の高い、豪華なレストランで夕食を取ったことがありますか? そのときは、かなりの金額を支払ったことでしょう。しかし、素晴らしい夕食を希望し、それを楽しめたなら、その金額は十分に価値のあるものだったはずです。これに対して、平均的な地元のレストランで、サンドイッチが予想額より20ドル高かったら、馬鹿げた話だと思うのが当然です。このような場合は、そのお金で料理教室に通い、自分で料理を作った方がずっとマシというものです。 私は電子機器設計者として、プログラマブル ロジックコントローラー(PLC)やローカライズされた組み込みシステムで同様の経験があります。PLCを、ローカライズされた組み込みシステムに置き換えることで、コストを大幅に削減できます。しかし、豪華な夕食が支払い金額に見合う価値があるように、より高価な選択肢であるPLCの方が適切な選択となる状況もあります。 PLCとその応用 プログラマブル ロジックコントローラー は産業用に特化したコンピューターです。入力信号(デジタルまたはアナログ)を監視し、論理演算を実行し、特定の出力信号を出力するようカスタムプログラムされています。PLCは堅牢であることが知られており、産業用の極端な環境や、障害がほとんど許されないようなアプリケーションで一般に使用されます。 PLCが一般的なのは、モジュール構造のためです。これによって、プラグアンドプレイの手法で簡単に組み入れできます。最も基本的な構造は、中央処理装置(CPU)、電源、入力/出力（I/O）モジュールで構成されます。PLCのプログラミングは、マイクロコントローラーのコーディングよりも簡単です。これは、製造業者から供給されるラダー図、機能ブロック図、およびソフトウェアについての構造化テキストを中心としてプログラミングが行われるためです。 PLCは産業用アプリケーションにおいて珍しいものではありません。生産ライン、交通信号、エスカレーター、HAVAシステムなどに一般的に使用されています。これらのPLCは基本的なデータ操作機能があり、 Modbus や DeviceNet など各種の通信プロトコルを対応できます。これらの機能から、自動制御システムに好んで使用されています。 PLCの設定はほとんどプラグアンププレイで行われます。 ローカライズされた組み込みシステムがPLCに置き換わることがある理由 一般に、組み込みシステムとは、ハードウェアとソフトウェアが連携動作し、アプリケーション固有の機能を提供するものと定義されます。電子機器設計者の視点からは、これはマイクロコントローラー(MCU)、メモリチップ、 電源管理回路 、通信モジュール、入力/出力機能で構成されます。 これはPLCと似ていますが、両者の間には明確な相違点があります。 記事を読む
Google Glass Enterprise Edition、業務用市場に参入 Google Glass Enterprise Edition、業務用市場に参入 1 min Thought Leadership 編集クレジット: Peppinuzzo / Shutterstock.com 誰よりも真っ先に何かをやる人はどのような気持ちになるのか、想像したことがありますか? それが険しい山頂でも月面でも、人類未踏の場所に立つことは偉大な感情を伴うのでしょう。ただし、初めての試みには数多くのリスクが付きまといます。どんなことを計画するのも自由ですが、水平線のかなたに何があるのかを目にできる方法は、実際に行ってみることだけです。長きにわたってテクノロジー業界の開拓者であり続けるGoogle（現在はAlphabet）が発売したGoogle Glassは、ヘッドアップディスプレイ（HUD）に世間の注目を集めた大胆な試みでした。初期のGoogle Glassは、開発者の予想どおりにはうまくいきませんでしたが、将来的な利用に一定の道を開きました。今回Enterprise Editionとして帰ってたGoogle Glassは、業務用としてのHUD利用を目指しています。すでにいくつかの企業が試作バージョンのGlass Enterprise Edition（Glass EE）を使用しており、その全てから効率が上がったという報告が寄せられています。この製品は、急成長中のHUDグラス市場で大きな部分を占めることを狙っています。 最初のGoogle Glass 昔は何らかの新しい場所を見つけたら、それを伝えるためにわざわざ元の場所まで戻る必要があったものです。今では、携帯電話で写真を撮り、好みのソーシャルメディア プラットフォームにアップロードするだけです。 最初のGlass は、当時すでにあったテクノロジーをさらに使いやすくしようと試みた製品でした。 Google 記事を読む
リアルタイムクロック設計でベストプラクティスに従うべき理由 リアルタイムクロック設計でベストプラクティスに従うべき理由 1 min Thought Leadership 目覚まし時計が午前3時15分で止まっていたせいで、学校に遅刻した経験はありませんか? 高校のとき、目覚まし時計が鳴る音はあまり心地よいものではなかったものの、母が呼ぶ大声ほどには耳障りではありませんでした。時計が止まったのは電池切れのせいだとわかっていましたが、もっと注意していれば、電池が少なくなるにつれて時計の動きが遅くなことに気付いていたでしょう。そうすれば電池が切れる前に交換して、母の金切り声を聞かずに済んだでしょうに。すっかり大人になった今では、学生時代の目覚まし時計ではなく、 リアルタイムクロック （RTC）の設計に取り組んでいます。一般に、RTCは、設定された基準に対して現在の時間を刻み続ける集積回路（IC）です。RTCは通常、メインシステムの電源が切られた後も動作を続けるように設計されており、最小限の電力しか消費しません。仮にシステムのRTCが故障した場合、その影響は母親のお説教よりもずっと悪いものになります。RTCが重要になる理由と設計時のベストプラクティスについて確認していきましょう。 RTCが組み込みシステムで重要な理由 時計が正しくないと、人事部門が困ることになります。 データ駆動型で時間の影響を受けやすい組み込みシステムは、そのほぼ全てでRTCを搭載しています。これは、特定の動作を実行するために正確な日付と時間が必要だからです。例えば、設定された時間に基づいて、異なるアクセス優先度を有効にするドア セキュリティシステムがあるとします。RTCが故障すると、正しい時間帯に作動させてもドアが開かないかもしれません。 そのほかに、記録されたイベントとアラートが、信頼できる監査証跡として使用される組み込みシステムでは、RTCが非常に重要になります。例としては、従業員の報告した日時を人事部門が追跡する出勤管理システムや、アラームイベントの記録を保持する必要のある火災警報システムが挙げられます。 RTC設計にベストプラクティスを導入していないと、大きな損害につながるおそれがあり、特に制御装置が現場に実装済みの場合はなおさらす。以前私が勤めていた職場では、駐車場システムの独立した支払い制御装置で、RTCの問題が発生したことがありました。RTCの時間が実際の時間よりも徐々に遅くなっていき、駐車料金の間違いで顧客を怒らせてしまったのです。 RTC設計で避けるべき一般的なミス RTC回路の設計には、通常5つのコンポーネントしか必要ないため、簡単な業務のように思えるかもしれません。必要なのは、専用RTCチップまたはマイクロコントローラーに組み込まれたRTC、水晶振動子、一対のコンデンサー、コイン電池です。私は、ベストプラクティスとして、次の設計ガイドラインを常に守るように心がけています。 1. 水晶振動子をできるだけRTCの近くに維持し、トレース長を可能な限り短くします。こうすることで、ノイズ結合の生じる可能性を低減できます。 2. RTCと水晶振動子の間またはトレースの下に、その他のトレースを配線しないようにします。これは、クロック信号に不要な干渉が結合しないようにするためです。 3. RTC回路の近くに 高速信号 を配線しないようにします。 記事を読む