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PCBトレースとパッドのクリアランス：低電圧対高電圧 PCBトレースとパッドのクリアランス：低電圧対高電圧 1 min Thought Leadership 高電圧/高電流設計は、設計者が満たす必要がある安全要件を伴います。同様に、高速設計では、信号の整合性を保証するためにクロストークを抑制する必要があります。両方の領域に関連する主要な設計要素は、PCBトレースクリアランスとパッドクリアランスの値です。これらの設計選択は、安全性、ノイズ抑制、および製造可能性のバランスをとるために重要です。 IPC 2221電圧および間隔基準は、導体間のESDを防ぐためのガイダンスを提供しますが、すべてのボードがこの基準を満たす必要はありません。PCBトレース間の距離の電圧と信号の頻度（またはデジタル信号のエッジレート）に応じて、PCBトレースクリアランスに異なる値が必要になる場合があります。製造可能性を確保しながら、PCBクリアランスレイアウトのこれら2つの側面をどのようにバランスさせるかについて説明します。 低電圧 (15 V) IPC 2221電圧および間隔基準によると、一般用途デバイスの最小PCBクリアランスルール（実際には、任意の2つの導体間のクリアランス）は0.1 mmまたは4ミルです。電力変換デバイスの場合、この最小PCBトレース幅および間隔は0.13 mm、または5.1ミルです。これらのボードは「高電圧」とは考えられず、これらのボードの導体間隔はHDI領域に近づき始めます。 これらの電圧では、デジタル信号、低周波アナログ信号、または単に中程度の電流でのDCを扱っている可能性があります。デジタル信号の場合、典型的なルールは「3W」ルールに従うことです。ここで、トレース間のクリアランスはトレースの幅の3倍です。典型的な50オーム制御インピーダンスのマイクロストリップの場合、トレース幅は約20ミルになるため、推奨されるPCBトレース間隔は60ミルです。 IPC 2221の要件内にまだ十分に収まっており、主な焦点は効率的なルーティングとDFMにあるべきです。HDI領域でも、BGAの細かいピッチパッド間をルーティングする必要がある場合でも、一般的に3.3Vまたは約1Vで作業しているため、これらの電圧要件を心配する必要はありません。 高電圧（>15 V） 高DC電圧では、PCBトレースのクリアランス値を選択する際の主な懸念事項は、露出した導体間でのESD（静電気放電）と樹枝状成長を防ぐことです。高AC電圧の場合、または高電流を出力するスイッチングレギュレータを使用する場合、ESDと樹枝状成長だけでなく、クロストークについても心配する必要があります。クロストーク抑制ガイドラインは、非常に高い電圧になるまで、導体間の必要なPCB電圧クリアランスまたは間隔を過剰に規定しています。 IPC 2221とクロストーク抑制のバランスをどのように見つける必要があるかを考えるために、次の仮定の状況を考えてみましょう。制御インピーダンスのマイクロストリップ（幅20ミル）が、高電圧ACラインの近く、または高電流DCレギュレータの出入りするトレースの近くにあるとします。"3W"ルールに従うと、平行なマイクロストリップ間および近くの高電圧ラインとの間隔は1.5 mm、または約60ミルであるべきです。これは、高電圧レベルが電力変換デバイスの場合は180V、その他の高電圧製品の場合は340Vに達するまで、IPC 2221に十分適合するものです。 記事を読む
これらのアンプは動作中に安定していますか？PCB内のアンプの安定性について知っておくべきことがここにあります。 高周波数と漂遊容量におけるアンプの安定性 1 min Thought Leadership アンプは、現代生活を可能にする重要なコンポーネントの一つです。無線通信からパワーエレクトロニクスまで、これらの製品が適切に機能するためには、アンプが安定して予測可能に動作する必要があります。安定性分析は、物理学と工学の中で私のお気に入りのトピックの一つであり、予想外の場所でよく出くわします。その一つがアンプです。 フィードバックとゲインを持つ時間依存の物理システムは、システムが安定した振る舞いに達する条件を持っています。アンプの安定性は、これらの概念をアンプに拡張し、意図しないフィードバックによってシステム出力が望ましくない飽和状態に成長する可能性がある場所です。適切な設計とシミュレーションツールを使用すれば、レイアウトを作成する前に回路モデルの潜在的な不安定性を簡単に考慮に入れることができます。 RFアンプの安定性に及ぼす漂遊容量の影響 アンプ回路の不安定性の源泉、およびアンプICの入出力ポート間は、寄生容量です。この寄生容量は、アンプに接続されるトレース間に存在します。寄生容量は、長いトレース（すなわち、伝送線）のインピーダンスを特定の値に設定するために重要です。しかし、寄生容量はまた、出力ポートと入力ポート間の意図しないフィードバックの経路を提供します。 このフィードバックパスは容量性であるため、入出力信号の周波数が高いほどそのインピーダンスは低くなります。現在、これは通常チップレベルで対処されていますが、より多くのRFアンプがますます高い周波数で動作するにつれて、PCBのトレースやパッドからの寄与がより重要になってきます。わずか数pFの寄生容量でも、運用中にアンプを不安定にするのに十分です。 ボードレベルでは、入力の漂遊容量が帯域幅を制限する効果を持ち、帯域幅は因子(1 + ゲイン)によって減少します。解決策は、アンプのポートでトレースとパッドを設計して寄生容量を最小限にするか、フィードバックループに補償容量を追加することです。高GHz帯域（例えば、mmWave周波数）では、コンポーネント間の間隔は臨界長よりも大きいため、 インピーダンス制御ルーティングを使用する必要があります。SoCへの一部のコンポーネントの統合は、この問題を解消するのに役立っていますが、今後のデバイス用の多くのRFアンプは依然として個別のコンポーネントとしてパッケージされています。典型的な例は、mmWaveアプリケーション用の新しいパワーアンプです。 アンプの安定性を評価する典型的な方法は、メーカーの評価ボードを使用して、直接、任意の過渡的な挙動を測定することです。もう一つの選択肢は、アンプに接続された入力および出力トレース上の寄生容量を決定し、これらをシミュレーションに含めることです。これらのシミュレーションでは、寄生容量を打ち消すために、アンプのフィードバックループに補償用のキャパシタを実験的に追加することもできます。 シミュレーションでの漂遊容量の考慮方法 あなたの回路図は、完璧な回路の2D描画に過ぎません。システム内のどこにも漂遊容量要素を含んでおらず、PCBの実際の挙動を正確に反映していません。とはいえ、適切な設計ツールを使用すれば、PCBに寄生を簡単に含めることができます。受動部品の 自己共振をシミュレートしようとしているのか、またはシステムの他の部分の漂遊容量をシミュレートしたいのかにかかわらず、戦略的な場所に回路図にキャパシタを追加する必要があります。 アンプの入力における漂遊容量をシミュレートするには、適切なサイズのキャパシタとACソースをアンプの入力に追加するだけです。キャパシタはシャント要素として配置されます（つまり、共通のグラウンド接続に接続されます）アンプの入力ポートと出力ポートに。また、アンプコンポーネントの検証済みコンポーネントモデルを使用して、寄生容量の存在下でのアンプの動作を把握する必要があります。シャント容量要素は、基板内のグラウンドと入出力トレース間の結合をモデル化します。 その後、2種類のシミュレーションを実行できます： 過渡解析および 極-零点解析。 過渡解析の予想結果 過渡解析では、アンプが動作するにつれて信号が不安定になり、時間とともに飽和に達するかどうかを確認できます。以下のグラフは、大きな寄生容量による強い不安定性を持つ100 GHz信号の例示結果を示しています。ここでは、意図しない強いフィードバックと高入力信号レベルにより、出力の過渡電圧が2Vの飽和値に達しています。 記事を読む
Altium Designerでブラインドビアとベリードビアを使用する Altium Designerでブラインドビアとベリードビアを使用する 1 min Thought Leadership 5ポンド用のバッグに10ポンドの荷物は入らない――この古いことわざは、PCB設計の配線トレースに特にあてはまります。残念ながら最近はこのような要求がノルマになっているように見えます。近頃はだれもが設計の密度を上げることやフォームファクタを削減すること、あるいはその両方を望んでいますが、これに対応するための方法の1つが、配線でブラインドビアとベリードビアを使用することです。これらのビアを使うと、スルーホールビアが接続されていないレイヤーでスルーホールビアが占めていたはずのスペースを利用できるため、配線方法の選択肢が広がります。 この設計技術が開発されてから、かなりの時間がたっているものの、まだ使用したことがないPCB設計者は大勢います。これらのビアを使い始めたとしても、他のビアに戻りたくなくなる恐れがあるため注意が必要です。また、製造コストも上がってしまうため、使用にあたっては事前の計画も必要です。ブラインドビアとベリードビアの使い方をよくご存じでない方のために、Altium Designerでのこれらのビアの使い方を簡単に説明します。 Altium Designerでビアを使用する 製造、実装を通して、レイアウトを正確かつ確実なものにする必要があります。選択した材料とメッキ、使用予定の半田、コンポーネントと試作品の入手した見積もり、基板のその他の要件も考慮します。Altium Designerのブラインドビアとベリードビアは、レイヤースタック全体ではなく特定のレイヤーを接続するように設定される以外は通常のビアと同じです。そのため、ブラインドビアとベリードビアの設定および使用方法を理解するには、まず通常のビアの使い方を理解する必要があります。 Altium Designerのパッドスタックとビアは、属性を定義することで作成される設計オブジェクトです。パッドスタックとビアの作成を完了するには、それらのサイズ、穴のサイズ、許容差、その他の属性を指定します。これらは、テンプレートから作成することも、その場でご自身で定義することも可能です。下の画像は、PCB設定メニューのビアのデフォルト設定を示しています。 Altium Designerでのデフォルトのビア設定 上図に、デフォルトビアに使用したテンプレート、穴情報、ビアのサイズ情報を示します。また、Altium Designerでビアの詳細をコントロールするように以下の基準に従って設定できます。 [Simple]: 1つのサイズですべてのレイヤーに対応 [Top-Middle-Bottom]: トップ、ミドル、ボトムのサイズを個別に指定できます。 [Full Stack]: 全レイヤーのサイズを個別に設定できます。 記事を読む
PCB外層処理の概要 PCB外層処理の概要 1 min Thought Leadership エキスパートのケラ・ナックがPCB外層の製造について詳しく説明しています。異なるビアがどのように形成されるか、多層構造プロセスにおけるステップについて読んで学びましょう。 記事を読む
Arduino Portenta H7 は開発ボードを製品グレードに引き上げます Arduino Portenta H7 が開発ボードを製品グレードに引き上げる 1 min Thought Leadership 「Arduino」という名前を聞くと、私は通常、生産グレードのハードウェアを思い浮かべません。Arduinoの人たちを軽視しているわけではありませんが、彼らは教育や概念実証の開発ニッチ市場に見事に浸透しており、他のハードウェアプラットフォームが追いつけないほどです。Arduinoボードは、低ボリュームの機能プロトタイピングや組み込みソフトウェア開発には優れた選択です。しかし、要求の厳しい環境での生産グレードのアプリケーションについてはどうでしょうか？ 新しいArduino Portenta H7プラットフォームは、産業環境での組み込みアプリケーションを対象としています。MKRやNanoプラットフォームと比較して、このボードは開発やプロトタイピングの製品としてではなく、生産グレードのアプリケーションにより深く浸透するかもしれません。この新製品の能力と異なる組み込みアプリケーションへの適用可能性を見てみましょう。 Arduino Portenta H7の能力 Arduino Portenta H7は、STM32H747デュアルコアプロセッサ（Cortex-M7コアは480 MHz、Cortex-M4コアは200 MHz）を中心に構築されています。IoTシステムのセキュリティとプライバシーは現代の懸念事項であり、このボードには暗号化機能のためのECC608（Microchip）またはSE050C2（NXP）ICが含まれています。Portentaボードの全体的なハードウェア能力には： Arduino MKRヘッダーにはUART1、6xアナログ入力ピン、GPIO、PWM、SPI、I2C、リセット、5V、3.3V、GNDが含まれます 2 MBのオンボードSDRAM、16 MBのNORフラッシュオンボードストレージ（最大128 MBまでアップグレード可能） 10/100 Ethernet 記事を読む
GaN MMICパワーアンプ市場の展望とアプリケーション GaN MMICパワーアンプ市場の展望とアプリケーション 1 min Engineering News 次に購入するスマートフォンには、無線通信用のGaN MMICパワーアンプが搭載される可能性が高いです。かつて学術界に限定されていたものが、現在では急速に商業化されています。これらの開発はスマートフォンに限られているわけではありませんが、成長しているRFコンポーネント市場の大きな部分を占めると予想されています。自動車、航空宇宙、さらにはロボティクスにおける高周波レーダーが、GaN MMICのさらなる採用を大きく推進すると期待されています。高熱伝導率と耐圧電圧を必要とする関連分野として、GaN-SiCおよび4H-SiCアンプは、再生可能エネルギー部門での豊富な使用が期待されています。 市場データが証拠です。 Global mobile Suppliers Association (GSA)の最新の市場データによると、全ての5Gデバイスの67%以上がsub-6 GHzスペクトラムバンドをサポートしており、34%以上がmmWave無線通信をサポートしています。発表されたデバイスの27%以上がmmWaveとsub-6 GHz無線通信の両方をサポートしています。より多くのデバイスがmmWave範囲に進出し、これらの製品の冷却方法がより革新的になるにつれて、 最近の推定では、2023年までに全世界のアンプ市場の価値が16億ドルから30億ドルになるとされています。GaNは、この総市場シェアの43%を占めると予測されています。 これらのコンポーネントを取り巻く興奮が高まる中、RF、モバイル、レーダー、または電力変換の設計者であることは良い時期です。イノベーションを求めているなら、次に成長が見込まれる場所と、これらのアプリケーションにおいてGaN MMICがなぜ重要であるかを読み進めてください。 GaN MMICパワーアンプに対する興奮の理由は？ GaNは、GaAsやバルクシリコンと並んで、高電子移動度トランジスタ（HEMT）に理想的な半導体です。RFアプリケーション用のGaNとSiやGaAsとの重要な違いは、それらの材料特性を比較すると明らかになります。以下の表に簡単な比較を示します。 特性 Si GaAs 記事を読む
デカップリングコンデンサとバイパス配置ガイドライン デカップリングコンデンサとバイパス配置ガイドライン 1 min Thought Leadership 電力整合性の問題は通常、電源の観点から見られますが、ICからの出力を見ることも同じくらい重要です。デカップリングおよびバイパスコンデンサは、PDN上で見られる電力変動を補償することを目的としており、信号レベルが一貫しており、ICの電源/グラウンドピンで一定の電圧が見られることを保証します。次のPCBでこれらのコンポーネントを成功裏に使用するための重要なバイパスおよびデカップリングコンデンサ設計ガイドラインをいくつかまとめました。このブログでは、バイパスコンデンサとデカップリングコンデンサの違いについて取り上げます。 2つの関連する電力整合性の問題 デカップリングキャパシタとバイパスキャパシタは、異なる2つの電力整合性問題を解決するために使用されます。これらの電力整合性問題は関連していますが、異なる方法で現れます。最初に指摘すべき点は、「デカップリングキャパシタ」と「バイパスキャパシタ」という用語が電力整合性に使用される場合、それらは誤称であり、何もデカップルまたはバイパスしません。また、ノイズを地面に渡すわけでもありません。単に時間をかけて充電および放電し、ノイズの変動に対応します。これらの用語は、電力整合性戦略の一部としてこれらのキャパシタの機能を指します。 まず、デカップリングコンデンサを考慮しましょう。PCBデカップリングコンデンサの配置の目的は、低周波の電源ノイズ、 PDN上のリンギング、およびPDN上のその他の電圧変動に対して、電源レール/プレーンとグラウンドプレーン間の電圧が一定に保たれるようにすることと一般に言われています。電源とグラウンドプレーンの間に配置されたデカップリングコンデンサは、プレーンと並列になり、これにより全体のPDN容量が増加します。実際には、 インタープレーン容量が不足していることを補い、PDNインピーダンスを減少させるため、PDN電圧のリンギングが最小限に抑えられます。 バイパスコンデンサについて考えてみましょう。これらもPDNと駆動IC内で一定の電圧を維持することを目的としていますが、補償する電圧は出力ピンとPCBのグラウンドプレーンの間の電圧です。電源供給ピンとICのグラウンド接続の間に配置されていますが、異なる機能を果たします。それは、キャパシタからグラウンドへのバウンスを抑制することです。デジタルICがスイッチすると、ボンドワイヤー、パッケージ、ピンの寄生インダクタンスが原因で、ドライバーの出力とグラウンドの間の電圧が増加します。バイパスコンデンサは、グラウンドバウンス電圧とは反対の電圧を出力し、理想的には総電圧変動がゼロになるようにします。 上記のモデルでは、バイパスコンデンサ（CB）とICパッケージ/グラウンド接続上の漂遊インダクタンスL1を含む閉ループがあります。出力ピンとグラウンドプレーンの間で測定される グラウンドバウンス電圧 V(GB)に注目してください。残りのインダクタンスはすべて寄生成分であり、バイパスコンデンサの応答時間に影響を与え、グラウンドバウンスを補償します。理想的なモデルでは、バイパスコンデンサによって見られる電圧は、スイッチング中に漂遊インダクタンスL1によって生成されるグラウンドバウンス電圧を補償します。 バイパスコンデンサの配置ガイドライン キャパシタからグラウンドへのバウンスが発生する仕組みを見れば、 バイパスキャパシタをどこに配置するかは明らかでしょう。上記の回路モデルにおける寄生インダクタンスのため、バイパスキャパシタは電源ピンとグラウンドピンにできるだけ近く配置する必要があります。これは、多くのアプリケーションノートやコンポーネントのデータシートで見つかるアドバイスと一致しています。 寄生インダクタンスに関連するもう一つの考慮事項は、ICへの接続がどのようにルーティングされるかです。キャパシタからICピンへ短いトレースをルーティングするのではなく、キャパシタをビアを通じて直接グラウンドプレーンと電源プレーンに接続するべきです。 パッドとトレースの間隔要件をこの配置で守ることを確認してください。 なぜこのような配置が必要なのでしょうか？その理由は、グラウンド/パワープレーンの配置（プレーンが隣接する層にある限り）は非常に低い寄生インダクタンスを持つからです。実際、これはボード内で最も低い寄生インダクタンスの源です。ボードの裏側にバイパスコンデンサを配置できる場合、より良い配置を実現できるかもしれません。 デカップリングコンデンサの設計ガイドライン PDNで必要な PCBデカップリングキャパシタのサイズを決定した後、入力電圧の変動を補償できるように、どこかに配置する必要があります。実際には、複数を使用するのが最善で、並列に配置され、並列配置により有効な直列インダクタンスが低くなります。 古いガイドラインでは、基板上のどこにでも配置できるとされていました。しかし、これには注意が必要です。なぜなら、デカップリングキャパシタとターゲットICの間の寄生インダクタンスが増加し、PDNのインピーダンスとEMIへの感受性が高まる可能性があるからです。代わりに、エッジレートが速いICの場合、ターゲットICに近づけて配置するべきです。下の画像は、ICの近くに配置された典型的なバイパスおよびデカップリングキャパシタの配置を示しています。これは、キャパシタとICの間の寄生インダクタンスが非常に低いため、高速回路にとって最適な配置の一つです。 記事を読む