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オンボードの供給電圧を不安定化しないMicroSD電源回路の設計方法 オンボードの供給電圧を不安定化しないMicroSD電源回路の設計方法 1 min Thought Leadership PCB設計者は多くの場合、完璧な設計とコスト削減との間で適切なバランスを選択するという困難な課題に直面しています。MicroSDのようなデータ保存メディアを扱う設計では、「動作中挿入」や「突入電流」のような単純な概念を見落としたために、試作が不完全で高価になる可能性があります。 私は、ハードウェア設計を単純に保つことを美学にしてます。設計する上で本質的な必要性がないコンポーネントはすぐに取り除くことにしています。残念ながら、多くの失敗の結果、このように設計を単純化することにより、かえって問題が複雑化することもあるという教訓を得ました。10年前に、SDインターフェイスを使用するプロジェクトに取り組んだことがあります。当時はSDカードというのはよく知られていないコンポーネントで、技術資料もほとんど存在しませんでした。 突入電流を見落とさない MicroSDやSDカードのピン配列は、一見複雑ではないように見えます。十分な経験のないエンジニアでも、各ピンの機能を簡単に判別できるでしょう。一般的なMicroSDは3.3Vにおいて最大100mAを消費するため、3.3V電源に接続すれば問題はないと、私も考えていました。しかし、自分が設計した実用試作にSDカードを再挿入したときに問題が発生しました。これまでの多くのエンジニアと同じように私も、SDインターフェイス用の回路を設計するとき、重要な概念を見落としていました。すなわち、突入電流を考慮に入れていなかったのです。そのため、私たちのマイクロコントローラはSDカードを挿入するごとにリセットされる結果となりました。 この結果から、現在にまで通用する教訓が導き出されます。SDカードは、フォームファクターの小型化されたMicroSDカードと電気的特性はほぼ同じです。すなわち、私が10年前に犯した過ちは、今日のPCB設計でも同じように発生するということです。 コンデンサーを使用して問題を回避できます。 デカップリングコンデンサー: プロトタイプ構築後の迅速な修正 それでは、MicroSDカード用に設計したボードでこの過ちを犯してしまった場合にはどうすべきでしょうか?ほとんどのMicroSDコネクターにはカード検出ピンが搭載されており、マイクロコントローラーはこのピンを使用してMicroSDカードの存在を検出できます。システムは、MicroSDが正しく挿入されているときにのみ電源をオンにし、MicroSDが取り外されたときに電源をオフにします。問題を素早く解決するには、MicroSDカードの電源ピンの近くにデカップリングコンデンサーを追加します。これによって、回路に必要な安定性を得ることができます。この解決策は、MicroSD挿入時の突入電流の問題を解決するのに有効なことが判明しました。 完成したPCB上にコンデンサーを人手でハンダ付けするというのは、洗練された解決策ではないのは事実ですが、急いで問題を解決しなければならないときに可能な唯一の方法です。ここで考慮すべき最も重要な要素は、突入電流を低減し、供給電圧の不安定化を防ぐために十分な電荷を保持できるコンデンサーの選択です。 デカップリングコンデンサーの最適な値は、合計負荷容量と、MicroSDカードのVddとVssとの間の容量を超えている必要があります。ほとんどの場合、45uFを超える値が適切です。ここで重要なのは、コンデンサーを可能な限りMicroSDの近くに配置することです。場合によっては、PCB試作でこれを行うのが不可能なため、基板の修正が必要なこともあります。 問題は、単一のコンデンサーを使用する単純なソリューションを使い続けるか、より洗練された 手法に変更すべきかです。メモリメディアに関する私の過去の経験から、MicroSDカードの電気的特性はブランドによって異なるため、今後行う設計については、特定の特性を想定しないことをお勧めします。 洗練された手法は、設計開始時点からMOSFETを使用することです 設計フェーズにおける洗練されたソリューション MicroSDカードによる内部的な供給電圧の乱動を防止する、デカップリングコンデンサー以外の最良の方法は、電気的スイッチを使用して突入電流を制限することです。より具体的に言うと、FDN340P MOSFETを使用して、MicroSDの電源をコントロールします。この方法では、電子回路とファームウェアロジックとの連携により、MicroSDの電源が効率的に管理されます。 MOSFETを使用すると、電圧の増大率を制限し、突入電流の問題を回避するため役立ちます。 アプリケーションに応じて、許容される電圧スルーレート を持つMOSFETを選択します。このスルーレートにより、電圧の急激な変動を抑えることができます。また、下流方向の最大突入電流も制限できます。この両方により、MicroSDの正しい動作を維持できます。 記事を読む
自動車レーダーや5G用途の高周波回路向けPCB設計ガイドライン 自動車レーダーや5G用途の高周波回路向けPCB設計ガイドライン 1 min Thought Leadership 今朝、通りを歩いていて、非常に奇妙な光景を見ました。長くもつれた磁気VHSテープが、風に運ばれ、道を転がっていたのです。私は、ビデオレンタル店や巻き戻し機といった素朴な時代に連れ戻されました。もし、あの巻き戻し機を速いと思っていたならば、今日の電子回路の大躍進には、目が回るでしょう。基板設計における最新の進化の1つは、5Gネットワークおよび先進運転支援システム（ADAS）対応自動車という、2つの新しいテクノロジーによって促されています。これらのテクノロジーは両方とも、基板設計者によって長い間、恐れられてきた、極高周波（EHF）帯域を使用します。自分の基板が、ベータマックスや大型ラジカセと同じ運命をたどらないよう、高周波の未来に備えるのがよいでしょう。 これとお別れできてよかった ミリ波を使用する理由 RFやマイクロ波の周波数が十分でないからといって、EHF帯域に移ろうとしているのは、なぜでしょう? 5GとADASレーダーという2つの進歩が、より高い周波数への移行を迫っているからです。 5G - 電気通信企業は、今日の4G/LTEの速度や待ち時間から、より速く明るい未来の5Gへと移行しようとしています。現在の移動体通信ネットワークでは、ダウンロード速度は、 数十メガビット/秒、待ち時間は 約70ミリ秒>です。5Gでは大きく飛躍し、 ダウンロードは最大10Gbps、待ち時間は10ミリ秒未満になります。この全てが可能なのは、5GがEHF帯域で動作するからです。周波数帯域幅が広いほど、待ち時間は短く、周波数が高いほど、データ転送速度は速くなります。業界では、5Gの実装開始を2018年頃と予想しています。その時には、ミリメートル（mm）波長信号を扱う準備ができている必要があります。 ADASレーダー - ADAS対応車向けレーダーは、開発済みの技術です。衝突検出レーダーは、30GHz未満で動作していましたが、最近、規格が 77GHzまで上がりました。メーカーが製造する ADAS機能付き自動車が増える>につれて、通りを 走るレーダーシステムが増えると予想できます。何らかの種類の自動車レーダーを扱う基板を設計したい場合、EHF信号を扱う準備をしておくべきです。 これらの技術が両方とも成長するにつれて、その動作周波数を扱う方法について、ますます知る必要ができてきます。急速に変わる基板設計環境に対処するため、ここでは、材料と設計のガイドラインを示します。 材料のガイドライン 実は、高周波基板に使用する 記事を読む
設計要件に対して最適なIoTプロトコルの選択 設計要件に対して最適なIoTプロトコルの選択 1 min Thought Leadership IoT製品設計は、新しいノートパソコンの購入と似ている部分があります。速度、コスト、機能、相互運用性など多くの要素を検討する必要があります。最終的には、これらの要素のうち1つまたは2つを特に重視し、他の要素を可能な限り最適化することになります。私の場合、何年にもわたってLinuxコンピューターだけを使用してきましたが、Microsoftファイルの共有が必要になったとき、相互運用性の制約は厳しいものでした。最終的に私は妥協し、コンピューターをWindowsとのデュアルブートに設定しました。 オープンソースでも独自のものでも、ほとんどのシステムにおいて相互運用性は重要です IoT製品の相互運用性についての質問は、使用する通信プロトコルに依存します。これは、ほとんどの製品は別のプロトコルを使用してシステムと通信できないためです。選択するプロトコルは、ハードウェアにも影響を及ぼします。例えば、伝送距離によってシステムで利用可能な IoTモジュール、電力要件、 ネットワーク構成が決まります。 プロトコルの選択方針 選択可能なプロトコルは膨大な数にのぼります。新しいバージョンが 毎年誕生し、グループは既存の オプションの統合を試みています。自分の製品に最適なプロトコルは、どのように決定すればいいのでしょうか? 国際的な標準を策定しようとすることは、それ自体が混乱を、絵文字についてさえも引き起こします。 検討の必要があるすべてのオプションにストレスを与える前に、いくつかの助言を行いたいと思います。これは正直なところ、私自身が最初のIoT設計を行う前に 読んでいればよかったと思うものです。「結局のところ、 それを使わないこと自体が間違いであると言えるほど浸透している、または重要である標準は存在しません」（テキストの強調は私が加えたものです）。 1. 優先度の特定 IoT Centralが開発者の動向について行った 2017年の調査によれば、IoTについて最も重要な懸念はセキュリティと相互運用性です。セキュリティは、 物理的なPCBから ユーザーデータの保存まで、製品設計のあらゆるレベルで対処が必要です。相互運用性はもう少しだけ簡単です。適切なプロトコルを選択することで、自分の製品が属するIoTエコシステムを最大化することが可能です。 記事を読む
低消費電力広域ネットワークによりIoTシステムで何が可能になるか 低消費電力広域ネットワークによりIoTシステムで何が可能になるか 1 min Thought Leadership 土木エンジニアが好きで、電気エンジニアが嫌いなものは何でしょうか? 答はコンクリートです。私たちの物理的な世界の基盤であるコンクリートは、多くの場合に私たちのデジタル世界の基盤である電気信号の混乱の原因となります。立体駐車場、ショッピングモール、地下構造物はすべて、信号適用範囲の低下という問題を抱えています。いずれかの種類の窓やリピーターを使用しなければ、これらの部分で良好な適用範囲が得られることは稀です。モノのインターネット（IoT）がこのような場所への展開を目指すときも、これらの点が問題になります。このような場合に役に立つのが低消費電力広域ネットワーク（LPWAN）です。LPWANを使用すると、IoTデバイスの適用範囲と電力の問題を解決できます。さらに、低消費電力の分散サービスのオプションが可能となり、IoTに革新的な変化をもたらす可能性もあります。 LPWANとは何か LPWANの概要は、その名前が示すとおりです。LPWANは低消費電力のデバイスを対象として、広い範囲を適用するためのネットワークです。明確にしておくと、LPWANは基準ではなく、単なる記述です。現在、または過去において、 LPWANを提供するさまざまな企業が各種の 異なるテクノロジーを使用してきました。これらのシステムに共通の必要条件は、「広い範囲」（ 通常は2km以上）をカバーし、低消費電力のデバイスに対応することです。市場への普及を目指すには、低価格であるという条件も加わります。 大きな複合施設やビルディングの施設監視など分散した配置を可能にするため、広い範囲をカバーする必要があります。LPWANシステムは本質的に集中化していないため、多くのセンサーやデバイスを購入する必要があります。これらのコストが加算されることから、LPWANが成功するには、製品が安価な必要があります。LPWANのほとんどのセンサーやデバイスは、バッテリーで何年も動作する必要があります（標準は10年のようです）。つまり、センサーが低消費電力で、LPWANも低消費電力のネットワークソリューションを使用する必要があります。低消費電力ネットワークの唯一の欠点は、データ転送速度が低下することです。その結果、ほとんどのLPWANは処理能力の低いアプリケーションに適してます。 LPWAN市場は驚異的な速度で成長しつつあり、 2025年には40億台のデバイスが接続されると予測されています。この成長機運から激しい競争が引き起こされ、電気通信業界まで波及しています。 LPWANではないもの セルネットワークは現在のところ、LPWANとはみなされていません。しかし、セル事業者が この市場へ参入を試みることにより、情勢は変化する可能性があります。テレコムには既に巨大なインフラストラクチャが存在し、それによってネットワークを簡単に稼動できます。セルのもう1つの利点は、企業のビジネスモデルの関係で、LPWANシステムを安価に販売できることです。これらの企業はハードウェアではなく契約で利益を上げます。このモデルは、これらの企業が可能な限り多くのシステムを低価格で販売するための動機付けとなります。既に述べたように、LPWANは低価格であることが重要です。これらの事業者が抱える唯一の問題は低消費電力の要件です。現在の携帯電話アンテナは消費電力が多すぎるため、多くのLPWANアプリケーションにおいて有用ではありません。しかし、テレコムが 低消費電力のソリューションの開発に投資を行っているため、この状況も変化しつつあります。 この状況は、ライセンス不要の周波数帯を運用しているLPWAN企業にとって、どのような影響を及ぼすでしょうか?まず、これらの企業は間もなく、ライセンスされている帯域で莫大な資金を持つ通信事業者と競合することになるでしょう。 5Gはセルプロバイダーの次のLPWANソリューションになると予測されます。 現在のLPWAN IoTアプリケーション それでは、LPWANはIoTとどのような関わりがあるのでしょうか? 個別のIoTデバイスは既に 記事を読む
電源解析が効果的なPCB設計に不可欠な理由 電源解析が効果的なPCB設計に不可欠な理由 1 min Thought Leadership この焦げる臭いは何でしょう? 自分の試作でないことを願います。 以前、愚かにも木工をやってみようと決心したことがあります。ロッキングチェアのように、何か簡単なものから始めようと考えました。構造や静力学に関する限られた知識を使って、座った途端にばらばらに壊れる椅子を作るのに成功しました。使用したYouTubeのチュートリアルでは、座ると椅子が崩壊する部分には触れていませんでした。普通は、何か作ったら、物理的にテストする前にその道のエキスパートに見てもらうのが良いのでしょう。同じことがPCB設計にも言えます。たとえ優れた設計者であっても、電源のエキスパートであるとは限りません。アルティウムの電源解析ツール PDN Analyzer ご利用のパーソナルコンピュータに、電力のプロが持つ知識を全て提供してくれます。優れた電源解析プログラムでは、発火する試作にお金を使う前に、電流密度、温度の問題、電圧降下をチェックできます。 電流密度と温度 私は、ロッキングチェアを作るとき、支柱の幅を決めるのに、古い「じっと見る」方法を採用しました。そして、その方法では尻もちをつくことが判明しました。PCBのトレースを設計するときにも、同様の方法を採用できます。見て良さそうな幅を選択して配置すると、何がまずいのでしょう? 基板が焼けるかもしれません。電源プレーンがスイスチーズのように見えたり、ビアの負荷が大きすぎると、電流密度や温度が高くなります。電力消費が多い集積回路（IC）を使うと、PCBで発熱が増える場合があります。 電源プレーン: 製品を「過剰に設計」したいとは思いませんが、銅箔のことになると誰も気にかけません。問題が発生するのは、電源プレーンを追加しすぎた場合のみです。とは言っても、設計がますます小さくなる中、電源プレーンは、しばしばサイズが小さくなったり、奇妙な形に変わったります。電源プレーンが小さくなると、 過度の電流密度でボトルネック ができる場合があります。 ビア: ビアも重要です。 ビアの設計で EMIを減らすのに忙しすぎて、ビアが電流にどう関連するかを考えることができません。しかし、ビアは、PCB上に電流を充満させる場合があります。電流密度が高いと高温になり、時にはトレースを溶かすほど高温になることを思い出してください。 IC : 食べ過ぎると、普通の椅子でも重量制限を超える場合があります。新しいICは、多くの電流を消費し、公称トレースの限界を超える場合があります。最近の電子機器は、ますます高速のICを必要としており、より多くの電力を消費します。試作から煙が出始めるまで、どれほどの電流を取り込んでいるか考えないかもしれませんが。 記事を読む
フレキシブルの今後: リジッドフレキシブル基板設計についての学習が要求される業界 フレキシブルの今後: リジッドフレキシブル基板設計についての学習が要求される業界 1 min Thought Leadership フレキシブルなLEDストリップライト 時の過ぎるのが少し速すぎると感じたことはありませんか? 私は、ダイヤルアップインターネットの使用方法を憶えるのに四苦八苦していたのが昨日のことのように感じます。それが今では、最新技術のブロードバンドルーターの設定に苦労しています。現在の技術をマスターできたら、すぐに、次の大きな課題に取りかかる時期であり、すべてをまた最初から始める必要があると思っています。PCB設計者である皆さんにとっても、PCB設計の次の大きな課題であるフレキシブルとリジッドフレキシブルについて学習する時期です。急速に進化しつつあるPCBの分野でも、最も進化のスピードが速いのがフレキシブル基板です。IoT（モノのインターネット）、ウェアラブルな電子機器、フレキシブルディスプレイのすべてが、業界をリジッドフレキシブル基板へと推し進める要因となっています。皆さんにとっても、ため息をついていないでリジッドフレキシブルに目を向け、次世代PCBの設計基準の学習を始める時期なのだと思います。 フレキシブル基板の分野は急速に成長 新しい設計手法の学習は大変ですが、PCB市場は世界的に成長しており、いくつかの調査では、市場規模が 2016年の635億ドルから2021年には738億ドルまで成長すると予想しています。この成長のうちの大きな部分を占めると期待されているのがフレキシブル基板です。いくつかの報告書ではフレキシブル基板の市場規模が 2020年までに152億ドル、 2022年までには270億ドルに成長すると予測しています。私には、次世代PCBは気にならなくても収益は気になります。フレキシブル基板は、すでにリジッド基板を追い抜いています。2014年には、リジッド基板の販売額がわずかに減少したのに対し、 フレキシブル基板の販売額は増加しています。「適応か死か」というのは自然の法則ですが、PCB設計の世界も同じです。リジッド設計しかなかった過去にとどまっていたのでは取り残されてしまいます。 フレキシブル基板の推進要因となっている業界 フレキシブル基板が成長していることを認識するのも重要ですが、もう一つ、このトレンドの要因となっている業界を知ることも重要です。現在フレキシブル基板の大きな成長要因となっているのは、IoTとウェアラブル電子機器です。私は、近い将来、フレキシブルディスプレイも 新たな成長要因になってくると考えています。 デジタルカメラには、すでに多くのフレキシブル基板が使用されています IoT（モノのインターネット） 爆発的な成長の先頭に立っている電子部品業界の一つがIoTです。成長が非常に速いため、間もなく皆さんも IoTデバイス用のPCBを設計することが大幅に増えてくるでしょう。このような新しいIoT用PCBの多くは、フレキシブル基板であることが要求されると思われます。 その一例が、あの「スマートな」LEDストリップライトです。LEDストリップライトは、ユーザーが必要とする形状に合わせて曲げられるよう、長さ方向に沿ってフレキシブルでなければなりません。最終的には、髪の毛が乾いたかどうか教えてくれる「スマートタオル」とか、くしゃみをしたら「お大事に! 」と注意してくれる「コネクテッドティッシュ」とかがあったら、ユーザーはやっぱり欲しくなるのです。この種のデバイスには、性質上、フレキシブル基板が必要です。 フレキシブル基板は、小さい3D形状に合わせる目的で使用される可能性もあります。3D印刷によるPCBはまだやっと形が見え始めた段階ですので、ぴったりこないスペースを埋めるには多少の創意工夫が必要です。リジッドフレキシブルを利用した設計であれば、基板を折り曲げ、長方形や立方体や八面体にしてスペースに入れることも可能です。これは、平らな基板では考えられなかったことです。リジッドフレキシブル設計を学習する際には折り紙も憶える必要があるかも知れませんね。 将来的には、ほとんどのPCBがこのウェアラブルデバイスのようになってしまうかも知れません。 記事を読む
製造のためのPCB設計: 製造業者と話し合ってビアの不具合を予防する 製造のためのPCB設計: 製造業者と話し合ってビアの不具合を予防する 1 min Thought Leadership 「コミュニケーションは私たちの関係に大切よ」と、昔の恋人の1人は、いつも言っていました。私は、基板で EMIを減らす方法を伝えるのは得意かもしれませんが、自分の感情を表現するのは、あまり上手ではありません。彼女が「昔の恋人」になったのは、それが理由でしょう。製造業者に対する気持ちは、昔の彼女に対する気持ちに似ている場合があります。特に、基板の歩留まりが50%未満であると言われるとそうです。そんな時、気の利いた言葉で返答したいと思うかもしれません。しかし、そうはできなくても、話し合えば返答したことになります。初期段階で製造業者と話し合うことで、製造上の不具合や製造コストを削減できます。 これらの小さな穴が、思っていたより多くの問題の原因となる 製造の不具合を減らす 誰もが、完璧な人とのデートを望んでいますが、そんなことは起こりません。幸い、優れたPCBを設計することによって、恋愛の欠陥を補うことができます。その完璧な人の欠陥のように、PCBの不具合は、時間が経過すると現れる傾向があります。製造業者と一緒に設計を進めることで、不具合を完全に避ける方が良いでしょう。 チェックすることはたくさんありますが、最優先すべきは、via-In-pad、filled via、またはcapped via、穴開け方法、表面実装技術（SMT）パッドです。 ● Via-In-Pad （VIP ） - VIPVIPBGAVIP 接続不良や廃棄処分の原因となります 。VIPVIPVIP ● Capped Via 、またはFilled 記事を読む