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2層のPCBのGNDプレーン

2層のPCBのGNDプレーン 1 min Thought Leadership 私が若くてハングリーな大学院生だった頃、最初に設計したPCBは、いくつかのセンサーからアナログ信号を収集するためのものでした。測定結果の電圧グラフを見ると、ノイズレベルがひどく、測定しようとしていた信号が完全にマスクされていました。私がすぐに気付いたのは、GNDプレーン接続で完全に失敗し、GNDループによって信号が歪められているということでした。 GNDプレーンの配置とGND接続の配線は、2つ以上のレイヤを持つPCBの設計において最も重要な手順の1つです。これらを正しく行うことで、EMI、クロストーク、GNDループを抑制できます。これらのノイズ源は信号の整合性を劣化させますが、GNDプレーンを正しい手法で設計すると、デバイスの最大性能を保証できます。それでは、GNDプレーンはどこに配置するべきでしょうか? PCB設計を始めたばかりの人は、GNDプレーン、EMI、配線などの用語をよく耳にすると思います。最初に設計するPCBは、おそらく2層の基板でしょう。これらの用語は確かに簡単に定義できますが、これらを全て組み合わせ、高品質のPCBを設計するにはどうすればいいのでしょうか? 2層のPCBでは、GNDプレーンは一般に基板の最下位レイヤで、信号のトレースと部品は最上位レイヤに配置されます。リターントレースを基板に配置し、各トレンドを電源のGNDリードに送る代わりに、信号をGNDプレーンに配線するほうが便利です。これには、いくつかの理由があります。まず、リターン信号がGNDプレーンを通過する場合、リターン信号は対応する信号トレースと可能な限り近くを通るようにします。これにより、電気的信号を含む回路のループ領域が最小化されます。信号トレースとリターンとの間の距離が小さければ、回路ループはEMIやクロストークの影響を受けにくくなります。正しい配線手法によりEMIを防止する最大の性能を実現するGNDプレーンの設計 PCBレイアウトのGNDプレーンを配置するときは、トレースと電子部品の場所に注意する必要があります。一部の設計者は、最下位レイヤの全体にGNDプレーンを配置してから、電子部品を含む部分だけ削除する方法を使う傾向があります。この方法では、GNDプレーンで電子部品の周囲に伝導性のリングが形成され、問題を引き起こすことがあります。この場合に引き起こされる問題は、GNDプレーンが部品の周囲にリングを形成すると、GNDプレーン自体が EMI干渉を受けやすくなることです。GNDプレーンに閉じた伝導性のリングが存在すると、コイルの働きをし、外部の磁場によってGNDプレーン内に電流が発生します。この電流はGNDループと呼ばれ、PCBの他の部分に過剰なノイズを引き起こすことがあります。これは、レイアウト段階で留意しておくべき重要な問題です。部品の配置とトレースの配線には独創性が必要です。部品間のトレースが可能な限り短くなるよう、部品の配置を考えてください。トレースの配置を計画してから、それらのトレースの完全に下になるようGNDプレーンを配置します。トレースの下にGNDプレーンを配置するとき、一部のトレースをカバーするために、GNDプレーンにどうしてもリングが形成されることがあります。このような場合、正しいレイアウトが得られるまで、基板上でトレースと部品を移動する必要があります。これには多少の時間が必要ですが、労力に十分に見合う効果が得られます。正しい配線手法によりEMIを防止する最後の手順では、スルーホールビアを使用してトレースをGNDプレーンに戻す必要があります。最上位レイヤからGNDプレーンへ多くのクイック接続を直接作成したくなるかもしれません。しかし、GNDプレーンへの複数の接続を作成すると、各ビアに電圧の差分が発生し、GNDループが形成されます。全てのトレースを単一のビアでGNDプレーンに接続するほうが適切な方法です。 2のPCBで複数のGNDプレーンを使用する前に述べたトレース配線とGNDリングの問題があるため、PCBレイアウトで複数のGNDプレーンを使用するほうがよい結果になることもあります。これにより、配線と部品の配置が簡単になります。これは、ほとんどの多層PCB設計で一般的な方法です。複数のGNDプレーンを使用する場合、互いにデイジーチェーン接続しないよう注意します。GNDプレーンがデイジーチェーン接続し、リターン場所を各プレーンに接続すると、単一のGNDプレーンの異なる場所にトレースの複数のリターンを配置するのと同じことになります。スター型トポロジーを使用し、各GNDプレーンを別々に電源に接続するほうが適切な方法です。これにより、GNDプレーンは互いに絶縁され、GNDループが回避されます。

PCB設計とCADソフトウェア：あなたの設計を支配するものを知る

PCB設計とCADソフトウェア：あなたの設計を支配するものを知る 1 min Thought Leadership 時々、「法の支配」というフレーズが、国がどのように統治されるかについての会話の一部になります。13世紀のマグナ・カルタにまで遡るこの「法の支配」は、平和で公正な社会の発展と、基本的人権の必要性について語っています。「法の支配」の下で生活する個人は、法の下の平等法の透明性独立した司法と法的救済へのアクセスを享受します。統治のためのルールがなければ、一貫性の欠如によって混乱が生じるのを目の当たりにするでしょう。PCB設計においても同じことが言えます。電気的および設計ルールの確かな基盤がなければ、異なる周波数で動作するデジタル信号とアナログ信号の狂乱がノイズになってしまいます。スマート食器洗い機が10軒中9軒の家庭で放つ信号がスパイ衛星によって検出されるような、騒がしい回路で満たされた世界はあまり快適とは言えません。 PCBを設計するためにCADソフトウェアを使用するとき、電気的ルールがボードレイアウトプロセスを支配します。たとえば、コンポーネントを配置した後、トレースが回路図と一致するように、また、設計が信号完全性、RF、およびEMC設計ルールを遵守するように、電源、グラウンド、および信号トレースをルーティングする必要があります。空気中には電気があります一部のルールはどこでも明らかですが、コンピュータの周りに立っている間にPCB設計に速度制限を適用するのはそう簡単ではないかもしれません。PCBにおける一般的な電気的ルールには、クリアランスショートサーキット未配線ネット未接続ピン未塗布ポリゴンクリアランス：PCBトレース間の正しい距離がないと、フラッシュオーバーが発生する可能性があります。クリアランスは、銅層上の任意の2つのオブジェクト間で許可される最小のクリアランスを定義します。アメリカ合衆国では、UL 60950-1標準が、バッテリー駆動およびAC駆動の情報技術機器のための許可される最小のPCB間隔を提供しています。標準文書内の表は、作業電圧、汚染度、PCB材料グループ、およびコーティングの観点から、トレースのクリアランス距離を指定しています。ショートサーキット：PCB設計のコンポーネント密度を増やすことは、ショートサーキットの環境を構築します。多くの場合、設計では密度の問題に対処するために、より小さいコンポーネントパッドを使用します。しかし、小さいパッド間の狭い距離は、はんだブリッジが形成される可能性があります。小さいパッドの使用は、トレースルーティングにも問題を引き起こし、それが結果として接続を混雑させ、はんだ接合に影響を与えます。これらの条件のいずれかが、ショートサーキットの環境を作り出す可能性があります。電圧と電流が従うべき多くの法則があります。未配線ネット：ボードのアウトラインを作成した後、PCB設計プロセスは部品の配置と設計デバイスのフットプリントの設定に移ります。配置された各部品のピンは、設計を完了と呼ぶ前に接続する必要があります。

レイヤーを剥がしてみる：電子PCBスタックアップ

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レイヤーを剥がしてみる：電子PCBスタックアップ 1 min Thought Leadership グランドキャニオンを訪れたときに最初に気づくことの一つは、その信じられないほどの景色です。異なる色の岩や鉱物の層を通して、誰もが見ることができる歴史が刻まれたキャニオンの壁は本当に感動的です。何年もかけても、その層状の岩面に住んでいる、または住んでいたすべてのつながり、材料、生き物を発見することはほとんど不可能でしょう。私が情熱を持っていることに物事を結びつけるのをやめるのが難しいので、グランドキャニオンは、外層にあるガラス繊維、はんだマスク、その他の仕上げコーティングを持つプリント基板を思い出させました。電子PCBは複雑であり、必要な複雑さを満たすために十分な層を使用する必要があります。そのサイズにもかかわらず、PCBはグランドキャニオンの岩の層と同じくらいの深さと相互接続性を持っているように見えます。プリント基板の層の決定 PCBでは、ルーティング、トレース、ビアの間に内部層がありますが、銅面と銅面の間には、ファイバーグラスや類似の材料などの保護層もあり、これらはコアとプレプレグと呼ばれる層を形成します。コアは最も厳密な制御の下で製造され、電気信号の誘電率を指定してデカップリングし、設計からノイズを排除するために使用されます。プレプレグは制御が少なく、代わりに必要に応じてPCBの厚さを変えるために使用されます。プリント基板の層は、設計を実現するために必要な銅の量に基づいて進化します。エンジニアは、コンポーネントとトレースの密度と量を研究して、必要な層の数を決定します。次のステップでは、重要な信号を特定し、その性能を最適化するために配置する必要がある場所を決定します。これにより、コアの厚さ、トレースの配置と厚さ、およびの理想的な位置が確立されます。製造のための材料は、設計プロセスのこの段階で念頭に置かれる必要があり、設計が製造可能であり、コストを最小限に抑えることを確認する必要があります。層を使用してスタックを構築し、全体的な構造を定義するレイヤーを使用してスタックを構築し、その後にトレースを配置できます。各レイヤーは、銅、プレプレグ、またははんだマスクとして視覚化および定義できます。プレプレグ材料は、その電気的および製造特性の両方に基づいて選択されるほか、設計のための信頼性および安全性部門の要件を満たすためにも選択されます。この時点でビアの位置と配置が行われ、ビアの電流容量要件に応じためっきが施されます。設計にブラインドビアが必要な場合、これらはPCB内の適切な位置に含まれます。レイヤーを計画し、積み重ねる方法を知ることで、より良いPCBが得られます。スタック内でのPCBの構築を続ける回路図からレイアウトへのコンポーネントを取り出し、設計を最適化する位置に仮想プリント基板上にコンポーネントを配置できます。これに続いて、設計内のコンポーネント間やコネクタ、テストポイントへのトレースを追加します。部品が多ければ多いほど、トレースも増えます。トレースが増えるということは、銅と層が増えるということです。同じ方向に進むトレースは、衝突を避けるために異なる層に配置されることがあります。私は、互いに知り合っていても、通信しているか、隔離されているかにかかわらず、近くにあるが別々の岩の層内の異なるアリのコロニーを想像するのが好きです。コロニーは、互いに訪問するために平面間にトンネルを掘って合流することがあります。プリント基板では、ビアを使って同じプロセスが行われます。銅のトレースが他のトレースからの干渉なしにプリント基板を横切る必要がある場合、トレースが基板の別の平面を横切って続行できるように、ビアが基板に設計されます。設計ソフトウェアの賢いツールを使用すると、設計プロセスが容易になります。設計のすべてのステップをガイドするボードレイアウト機能を探している場合は、ツール内の要件を定義するための設計ルールシステムを備えたビジュアルレイヤースタックマネージャーを試してみてください。各層は、銅、プレプレグ、またははんだマスクとして視覚化および定義されることがあります。プレプレグは、その電気的および製造特性のためだけでなく、設計の信頼性と安全性部門の要件を満たすためにも選択されることがあります。

PCBレイアウトにおけるクリスタル発振器は周波数を安定させます

PCBレイアウトにおけるクリスタル発振器は周波数を安定させます 1 min Thought Leadership 人類の歴史の大部分において、私たちは生活を計画するために天文学的な時間計測に頼ってきました。現在では、日常生活を管理するのに役立つ洗練された時計を持っています。現代の生活がますます慌ただしくなるにつれて、私たちは秒の一部を追跡する必要があります。電子pcbレイアウト用のクリスタル発振器ガイドラインは、これを可能にする秘密の要素です。シュミットトリガ発振器や555タイマーからの出力クロック信号は、RCタイムコンスタントを使用して制御されます。これらの回路を使用する際の問題点は、抵抗器とデカップリングキャパシタの値が時間とともに一定ではないことです。抵抗と容量は、回路基板の温度によって変化することがあります。コンポーネントは経年劣化もします。これらの要因により、時計の周波数は時間とともにドリフトします。周波数の安定性と精度が重要な場合、クリスタル発振器がより良い選択です。特定の形状に切断された石英クリスタルは、特定の共振周波数で振動することができ、この周波数は温度変化に対して非常に安定しています。クリスタル発振器は、適切に配置して接続されている場合、kHzからMHzまでの安定した周波数を出力することができます。デジタルシステムがクロックを使用する場合、設計上の課題が生じます。これは、寄生容量や信号反射のような問題が信号の整合性を低下させる可能性があるPCBでは特に真実です。これらの設計上の問題は、高周波数でより顕著になります。幸いなことに、設計における信号の整合性を維持するためのいくつかの設計戦略があります。伝播遅延とクロックスキューの最小化特にTTLやCMOSロジックデバイスのようなロジック回路の切り替えは、クロック出力から下流に伝播遅延が蓄積される原因となります。これはナノ秒のオーダーであることが多いですが、高周波回路ではクロックパルスの幅と比較して顕著になります。クロックスキューは使用されるクロックに関係なく発生する可能性があります。トレースの長さの変動が原因で、さまざまな電気部品にクロック信号がルーティングされる際に時間遅延が蓄積します。クロックスキューが伝播遅延と組み合わさると、並列トレース内のクロックパルス間の不一致が顕著になることがあります。クロックスキューと伝播遅延は、信号トレースの長さを調整することで補償できます。連続するコンポーネント間の差動トレースの長さは、クロックスキューを最小限に抑えるために等しくするべきです。特定の並列トレースには異なる数のコンポーネントが含まれている場合があり、各コンポーネントの伝播遅延は、プリント回路基板上にトレースを配置する際に考慮されるべきです。クロックスキューを避けるために並列トレースを一致させるグラウンドプレーンの配置一部のPCB設計者は、電源と信号トレースをグラウンドプレーンの直上に走らせがちです。これは推奨されません。グラウンドプレーンの配置が不適切な場合、クロック回路がアンテナとして機能する原因となります。回路は外部EMIに対して脆弱になるだけでなく、他の近くの回路にEMIを引き起こす可能性があるRF放射を生成します。特定のクロック周波数において、グラウンドプレーンの厚さは波長の半分に過ぎません。クリスタル発振器は本質的に広帯域の電流源であるため、クロック信号とそのリターン電流は、高周波成分の帯域を含んでいます。これらの電流をグラウンドプレーン上で流すことを許すと、中央給電パッチアンテナを作成したことになります。クロック信号帯域がグラウンドプレーンの共振周波数のいずれかと重なる場合、グラウンドプレーン内で強い電流が生成される可能性があります。しかし、電源とグラウンドプレーンを分離すると、高周波電流ループによる放射が減少します。これにより、外部EMIへの感受性も低減されます。 EMIを減らすためにグラウンドプレーンと電源プレーンを分離する適切なキャパシタを使用するクリスタルオシレータからの信号整合性は、2つのキャパシタを使用することで維持できます。1つは高電圧ピンとグラウンドプレーンの間に、もう1つはグラウンドピンとグラウンドプレーンの間に接続する必要があります。選択した特定のクリスタルに合わせてキャパシタを選択する必要があります。必要な容量は、同じメーカー内でも異なるオシレータモデルによって異なります。クリスタルオシレータには負荷容量仕様（通常は20から50 pF）が含まれており、これを使用してクリスタルに使用するキャパシタを決定できます。各キャパシタは、負荷容量値の2倍から、任意の漂遊容量を引いた値である必要があります。漂遊容量値は数pFになることが多いです。

産業用エアドライヤーの設計には安全への鋭い目が求められる

産業用エアドライヤーの設計には安全への鋭い目が求められる 1 min Thought Leadership 学生時代の初期、私は怠け者で忘れっぽかったです。すべてのことを先延ばしにして、学校の靴を洗うことさえもです。時間に追われて、よく古い冷蔵庫のラジエーターコイルの下で靴を乾かしていました。もちろん、それで母からの叱責を免れることはありませんでした。私が最初に手がけた産業用電子機器の設計では、靴を乾かす以上のことをしました。地元の乳製品加工工場のために、インテリジェントなエアドライヤーのコントローラーを設計しました。製造業、特に産業用エアドライヤー業界に新しく、ハードウェア設計において安全性が最優先事項であることを学びました。適切なソフトウェアを使用し、ハードウェアを設計する際に直面する課題や制約を常に自分自身に思い出させることで、エアドライヤーや電子機器の環境に必要な任意のハードウェアも構築できます。産業用エアドライヤーとは何か？私たちが呼吸する一般的な空気には、製造プロセスを腐食させたり影響を与えたりする可能性のある水蒸気の割合が含まれています。食品加工が関係している場合、汚染の原因ともなります。産業用エアドライヤーは、製造エリアに入る前に空気が蒸気を含まないようにします。再生型吸湿乾燥機は、吸湿ビーズを使用して空気中の水分を吸着する工業用乾燥機の一種です。これは、空気が一方のタワーにある間に、もう一方のタワーで吸湿剤が再生されることによって行われます。これは一定期間行われた後、空気が二番目のタワーに切り替えられます。工業用エアドライヤーコントローラーの設計複雑なアルゴリズムを含む商用電子機器の設計に慣れているハードウェア設計者にとって、工業用エアドライヤーコントローラーは単純に見えるかもしれません。結局のところ、それはマイクロコントローラーに接続された一連のリレー出力とアナログ入力に過ぎません。しかし、エアドライヤー設計における隠された懸念を過小評価すると、安全リスクにつながる可能性があります。安全性は工業用エアドライヤーコントローラー設計の優先事項ですバルブの制御ハードウェアで制御する必要があるバルブは少なくとも4つあります。設計者の観点から、これらは単純なリレー出力です。しかし、設計者が理解する必要があるのは、タワー内の空気の圧力が非常に高く、バルブの切り替えを誤ると、機器が爆発する可能性があるということです。リレー出力設計には、あなたの全注意を要求する二つの重要な点があります。一つは、エアフローが一つのタワーから別のタワーに切り替えられるときです。第二のタワーのバルブが第一のタワーのバルブが閉じる前に開かれることが重要です。これは、空気が流れる場所がないときに空気圧が急激に上昇するのを防ぐためです。ハードウェア設計者はファームウェアのアルゴリズムをほとんど制御できませんが、リレー信号が電気的干渉から保護されていることを確認することができます。高周波トラックから信号を遠ざけることに加えて、マイクロコントローラが短期間でも未定義の状態に入ったときにバルブが開くように、リレー信号をプルアップまたはプルダウンすることが最善です。正確なパラメータ値の取得産業用エアドライヤーには二つの重要なパラメータがあります。コントローラは、いずれかのタワーで空気が吸着されているときに、圧力と露点を定期的に監視する必要があります。タワー内の空気圧は、再生バルブが閉じているときにその定格最大値を超えてはなりません。機能的なエアドライヤーは、吸着プロセス中に露点が望ましい値まで下がるべきです。これらの値は通常、産業用センサーによって監視され、アナログデジタル変換（ADC）を通じてコントローラーによって読み取られます。産業環境でアナログ信号を扱うことは、設計者にとって課題を増加させます。工場の電気環境は、電気干渉を引き起こすことで悪名高いことがよくあります。 PCB内でアナログ設計のベストプラクティスに従うことが重要です。トラックは、高速デジタルまたは電源トラックから分離される必要があり、安定したセンサー読み取りを提供するためにアナログコンポーネントの下に別のグラウンドプレーンを配置する必要があります。コントローラーが空気圧の異常な増加に気づかないようにしたくありません。

低エネルギーブルートゥース設計における重要な考慮事項

Bluetooth 設計ガイドライン：低エネルギーデザインにおける重要な考慮事項 1 min Thought Leadership 20代の頃は、ラップトップを持ち歩いても疲れることがなかった。しかし、今では長時間歩き回るとすぐに疲れてしまい、マッサージが恋しくなる。だから、かさばるラップトップの代わりに軽い作業用タブレットを持ち歩くことを好むようになった。技術は、古典的なBluetooth以来、かなり進歩した。電子機器において、Bluetooth Low Energy (BLE) はアプリケーションに対して似たようなことを行う。それは、Bluetoothチップが消費する電力のほんの一部を使用しながら、短いデータバーストを送信する。効率（そして快適さ）のために旅行中にラップトップを置いていく私の選択のように、多くのデータをストリーミングしていない時には、低エネルギーの方が効率的である。 Bluetooth Low Energyの基礎 Bluetooth技術がワイヤレスヘッドフォンを現実のものにしたとき、私は夢中になった。それは今までで最もクールな技術の一つだと思った。それにもかかわらず、従来のBluetooth Classicの標準は、短いバッテリー寿命や接続の安定性の欠如といった問題に悩まされている。 Bluetooth Low Energyはこれらの問題に対する完璧な解決策である。 Bluetooth Classicの基準を置き換えるのではなく、Bluetooth LEは非常に低い電力消費が求められるアプリケーションでその前身を補完します。デバイスが接続されていない限り、それらは「スリープ」モードになり、したがって最小限の電力を消費します。接続を確立するのにわずか数ミリ秒かかります。 Bluetooth low energyデバイスは、受信機の感度や構造損失などの他の要因によって異なりますが、最大100メートルまでデータを送信できます。これは、広い範囲にわたって簡単に展開できるBluetooth

Altium Designerの部品配置ショートカット

Altium Designerの部品配置ショートカット 1 min Thought Leadership 私は以前、PCB設計は90%が配置で10%が配線という記事を読みました。確かなことはわかりませんが、コンポーネントの配置は、基板設計全体において重要な部分と言っても過言ではありません。しかし、一部の設計者は、後から戻って基板の一部を再配置するだけで済むように、この配置作業の部分を急ぎ、配線に取り掛かります。問題の1つは、配置プロセス時、設計者にフラストレーションがたまることだと思います。全てのコンポーネントを正確に配置、整列、位置合わせして、最適な配線チャネルを作成するには、時間を要します。これは特に、配置機能に制限のある設計ツールで作業する場合、または設計支援ツールで利用可能な配置機能の知識が十分にない場合に当てはまります。さいわい、Altium Designerには作業に便利な強力な配置機能がいくつかあります。部品を整列できる手動の配置ユーティリティを備えており、最初に回路図からコンポーネントを選択して、それらをまとめて配置できます。また、特定のコンポーネントを検索・選択して配置するサポートが必要な場合、それらのユーティリティも用意されています。整列機能を使用して配置を整理配置する際に、コンポーネントを必ず移動する必要があり、面倒であることには認めざるをえません。新しいコンポーネントの挿入が必要かを確認するためだけに、一連のコンポーネントを整列することがしばしばあります。新しい部品を挿入する周囲を全て移動すると、完璧に整理された状態が崩れ、全てのコンポーメントを選択して整理し直す必要があります。これは、部品ごとに手動で移動する単純な作業になりますが、使いやすいシンプルなサポートがあればいいと思いませんか? Altium Designerでは、配置の整列ツールのサポートが用意されています。さまざまな整列機能を自在に扱えるメニューが揃っており、ここでは、使用方法の例を説明します。この画面キャプチャからわかるとおり、コンポーネントが整列しておらず整理する必要があります。また、ピン間の距離が近すぎ、クリアランス違反もあります。整列されていないコンポーネントまず、これら全てのコンポーネントを選択した後、右マウスボタンを押して [Align] メニューに移動します。[Align] メニューで、リストの上部にある [Align] を選択すると、以下の [Align Objects] サブメニューがポップアップ表示されます。整列パラメータの設定