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高速PCB設計でシグナルインテグリティを維持するための差動ペア配線 高速PCB設計でシグナルインテグリティを維持するための差動ペア配線 1 min Thought Leadership 配線の状態が良好でない高速信号 私は過去に、お見合いをしたことがあります。ところが、見知らぬ相手の女性は遅刻の常習犯でした。時間通りにレストランに到着した私は20分ほど待った後に、約束をすっぽかされたのだと考えました。もう待つのはやめようと思ったとき、デートの相手が現れました。彼女の到着があと5分遅ければ、私たちが出会うことはなかったでしょう。高速PCBの設計でも、これと同じようなことが起こり得ます。それは、差動ペアが正しく配線されていない場合です。片方の信号が然るべき場所に到着しても、もう片方の信号が現れなければ万事休すです。デートをすっぽかされた信号の気持ちが傷つくことはないとはいえ、シグナルインテグリティーが低下したり、回路がまったく機能しなくなったりする問題が発生します。高速信号のための信頼できる橋渡し役として、双方が予定通り出会えるように配線を行う必要があります。 差動配線に関するヒントとテクニック その後も私たちはデートを重ねましたが、私は相手が時間を守れるようにするためにいくつかのトリックを使いました。相手を騙すことは道徳的に議論の余地があるでしょう。ただし、このトリックの対象が差動ペア信号であれば、時間厳守を徹底させることでシグナルインテグリティーを確保できます。下記のヒントを参考にして、タイミングを踏まえた差動ペア配線を行いましょう。 等長配線: 等長配線は差動ペア配線の最優先事項でしょう。片方の信号を放置したまま、もう片方だけで作業を進めるのは厳禁です。差動ペアの配線長が一致しないと、タイミング差によって相殺的干渉が発生し、シグナルインテグリティーが低下してしまいます。デートの相手の身長に対する好みが人によって違うのと同じように、配線長の不一致に対する耐性はそれぞれの回路によって異なります。設計を開始する前に、差動ペアを比較して、配線長の不一致に対するそれぞれの耐性を確認してください。 並行配線: 差動ペア配線では並行配線が最善策です。並行配線はEMIを解消するだけでなく、等長配線にも役立ちます。 電気的なクリアランスと沿面: 人間で言えば、今の恋人と昔の恋人に相当するように、それぞれ差動ペアはできるだけ近接させないことが肝心です。近接して配線した複数の差動ペアは、必ずマイナスの影響を及ぼし合います。十分な距離を保ことで、優勢度に関する衝突とEMIを最小限にすることができます。 差動ペアは、EMIの影響を受けやすいコンポーネントにも近接させてはなりません。この距離はクリアランスと沿面の両方で測定されるものです。回路の クリアランスと沿面の要件は、さまざまな方法を使って満たすことができます。 差動ペアをこのように配線しないこと 鋭角は厳禁: 差動ペアは方向を一切変えることなく、まっすぐに配線することが最善です。とはいえ、PCBのレイアウトがそれを許さないこともあるでしょう。女性のなかにはなめらかな体型の男性を好む人もいますが、差動ペアは「必ず」なめらかなカーブを好みます。カーブが鋭角になると、はるかに多くのEMIが発生するため、方向を変える場合は45度以内にすることが望ましいでしょう。EMIはカーブの内側と外側で発生し得るため、これを両方で考慮に入れることが重要です。 ビア: 一度に複数の恋人がいるのは、褒められたものではないでしょう。それと同じように、たくさんのビアを使うのも得策ではありません。ビアの配置は、シグナルインテグリティーの低下がわずかな場合にしか保証されません。ビアを使い過ぎるとシグナルインテグリティーが大幅に低下し、差動ペアで破壊的な反射が発生する恐れがあります。 PCBでビアを使わざるを得ない場合は、必ずスタブ長を短くするか、スタブのバックドリルを行ってください。ビアスタブは開口部のある伝送線路として機能するため、 信号反射が増加します。スタブ長によっては、信号が180度の角度で差動ペアに反射され、有効な反射が無効になることもあります。スタブのマイナスの影響を抑制するための一番の方法は、ブラインドビアまたはベリードビアを使用するか、ビアスタッズにバックドリルを行って、スタブ長を最小限にすることです。ただし、これらの方法はすべて製造コストを引き上げるため、予算が厳しい場合は距離を離した基板層でビアを接続するとよいでしょう。8層の基板では、1～7の接続に1～2の接続よりも短い未使用のスタブを使用します。 また、ビアが原因で発生する信号遅延量も一致させることが重要です。これについては、差動ペアの各伝送線路で同じ数のビアを使用するか、ビアが足りないほうの伝送線路に相応の蛇行配線を追加することで対処できます。誰もデートの邪魔者にはなりたくありません。すべてを均等に調和させるようにしてください。 記事を読む
マルチチャンネルデザインで回路の複製を簡単に行う方法 マルチチャンネルデザインで回路の複製を簡単に行う方法 1 min Thought Leadership 回路のコピー、特にフラット設計でのコピーにはいくつかの固有の課題が存在し、設計者の悩みの種になります。マルチチャンネル デザインにより回路と配線のデータを効率的にコピーすることで、フラット設計に関連する一般的な課題を解決できます。 記事を読む
適切なPCBレイアウトでは、どのようにして設計へのヒートシンクの追加を回避できるか 適切なPCBレイアウトでは、どのようにして設計へのヒートシンクの追加を回避できるか 1 min Thought Leadership 不具合のあるコンピューターモニターなどの製品リコールは、避けることのできる経済的負担です 私は、何年にもわたって、コンピューター技術が提供する必要のある高解像度や色深度を表示できる新しいモニターを買い続けてきました。モニターをつないで機能をテストするさまざまなアプリケーションを試すときはワクワクしました。どのアプリケーションも全く問題なく動作していたので、私は新しいモニターを自慢するため、オフィスを離れました。戻ってくると、モニターの表示がちらついているではありませんか。動揺した私は、電源を切ったり入れたりしてちらつきが解消するか確認しました。新しいモニターは明らかに壊れていました。 数日後、問題があるかどうか確認するため、モニターの筐体を開けて中をのぞいてみました。すると、ビデオ回路の1つが電源に直接取り付けられていることが判明しました。このため、仕様通りに機能しない温度にまでビデオ回路が熱くなって、モニターは壊れてしまったのでした。遮熱材を取り付けてビデオ回路から熱エネルギーを移すことで、簡単に修理できました。とはいえ、本当の問題は製品の設計にありました。ビデオ回路は、これほど電源に近い場所に配置されるべきではありませんでした。 PCBの最悪の敵である熱 コンポーネントは余分な熱で壊れたり仕様外の動作をしたりすることは誰もが知っていますが、いつ熱が問題になるかわかりません。場合によっては、熱管理のトラブルシューティングは特に難しく、稀な状況でのみ問題になることがあります。例えば、高温が発生する場合があります。さらに、放熱の問題は、度重なる熱サイクルで熱膨張や熱収縮が起きたために割れたはんだ接合のように、経時的に発生する可能性があります。これらの放熱の問題は試験で見逃される可能性があります。したがって、このようなシナリオを避けるため、適切に基板をレイアウトすることが重要です。 PCBにコンポーネントを配置する前に外部熱源の位置を考慮する PCB設計者はどうすべきか PCB設計では、 SMTヒートシンク 、ファン、サーマルビア、その他の技術を使って、熱を緩和するのが一般的です。これらの方法はとても効果的ですが、設計のコストと複雑さが増します。最も安価で最も信頼性の高い対策は、好ましくない外部熱源からの熱伝導が問題にならないようにPCBを設計することです。問題を回避する設計をしましょう。問題箇所にコンポーネントを配置しないことです。 設計を考えるとき、PCBはより大きいシステムの一部であることを忘れないでください。PCB上で、相互に関連する発熱部品どうしの配置や、製品全体の他の部分と関連する発熱部品の配置を考慮する必要があります。PCBは、それが設計されるデバイスによって異なるので、外部熱源は基板の周りに3次元的に配置される可能性があります。このことを念頭に置いて、以下の点を考慮する必要があります。 熱源の隔離: 電源など、発熱するサブシステムをレイアウト内で隔離し、他のコンポーネントに影響を与えないようにします。 他のPCB: 近くのPCBに、発熱するコンポーネントまたは熱に弱いコンポーネントが含まれている可能性が十分にあります。 物理的な部品: 機械部品、配線、および取付けフレームが、PCBから熱を吸収したり製品の他の部品に熱を伝達したりすることがあります。これには、ユーザーが接触する可能性のある部品が含まれます。 筐体: 設計者として、製品をより小さくコンパクトにするプレッシャーが常にあります。つまり、PCBの周りの筐体がますます窮屈になっています。このことが、PCBからの熱伝導にどのように影響するかを注意深く検討する必要があります。空間が狭くなるほど、対流による冷却機会は減り、熱に敏感な他の場所への熱伝導の機会が増加します。 PCBの筐体のサイズを考慮しましょう。基板をどのようにレイアウトするかに影響する可能性があります。 記事を読む
複雑なパッド形状の実装方法 複雑なパッド形状の実装方法 1 min Thought Leadership PCB設計への複雑なパッド形状の実装方法 大部分のコンポーネントのパッケージのパッド形状は、共通して単純な長方形または円形です。そのようなパッケージのフットプリントを作成することは、手作業でも、自動IPCフットプリントジェネレーターを使っても、簡単な作業です。しかし時として、コンポーネントのパッケージは複雑なパッド形状を必要とし、それらをうまく調整するのに人手による多くの労力と余分な時間が必要になることがあります。複雑なパッド形状を素早くPCB設計に実装し、時間と労力を節約する方法があれば非常に便利です。 複雑なパッド形状を素早く設計に配置 場合によっては、設計の際に幾何学的に複雑または不規則な形状のパッドが必要になることがあります。例えば、LED照明のコンポーネントは、複数の切り抜かれた曲線を含む独特な形状の放熱パッドを必要とする場合があります。そのような曲線は、複数の標準の円形/長方形パッドを組み合わせることや、フィルまたはリジョンを手作業で配置することでは実装できません。それを行うには、見落とされがちだった1つの方法があります。つまり、閉じた輪郭線を形成する一連の直線と円弧として必要な形状の輪郭線を配置（またはインポート）できる場合は、その輪郭線そのものを、パッドを定義する精密な形状のリジョンにPCBライブラリエディター内で簡単に変換できます。その上、そのリジョンオブジェクトのプロパティ設定を使って、はんだペーストマスクをDRCルールで自動的に制御できます。この方法をもっとよく理解するために、以下に示すBourns社SRR5028シリーズシールド付きSMDパワーインダクターのフットプリントを作成することでこのプロセス全体を詳しく検討できます。まず、この例の製品（製品番号SRR5028-101Y）のデータシートが部品メーカーのウェブサイトの こちらにあります。この2ピンデバイスの各パッドは半径2.2mmの切り抜かれた曲線を含んでいます。次に、データシートに記載されている例を使ってパッド形状の輪郭線を定義してみましょう。 パッド形状の輪郭線の定義 SRR5028シリーズのデータシートの推奨レイアウトのセクションに、コンポーネントのパッドの主要な寸法が原点に対して図示されています。コンポーネントの原点に対する各パッドの主要な寸法を取り込むために、PCBライブラリエディター内でメカニカルレイヤーに6つの直線と1つの円を配置します（図1参照）。これらの直線と円の正確なサイズと配置が、部品メーカーのデータシートに記載された寸法と完全に一致していることを確認します。部品メーカーの寸法を正確に再現できるように、PCBライブラリエディターのスナップグリッドを0.05mmに設定します。 部品メーカーのデータシート（左）から作成したメカニカルレイヤーの輪郭線（右） コンポーネントのパッドの主要な寸法を配置および確認したら、メカニカルレイヤー上のパッド形状を表す2つの閉じた輪郭線のみが残るように、無関係な直線または円弧を全て切断、リサイズ、除去します。この例では、閉じた輪郭線を手作業で作成および確認しました。その代わりに、DXF/DWGフォーマットから複雑なパッド形状の輪郭線をインポートすることもできます（そのようなデータが存在し、それを使う方がより実用的である場合）。 Altium Designerで複雑なパッド形状を簡単に作成またはインポート 部品メーカーの推奨レイアウトでは、一部のコンポーネントで複雑または不規則なパッド形状が必要となることがあります。複雑なパッド形状を素早く実装する簡単で効率的な方法があることを常に心に留めておいてください。直線と円弧を使った複雑なパッド形状の正確な輪郭線を作成またはインポートすることで、結果をリジョンオブジェクトに変換できます。 複雑なパッド形状をAltium Designerに素早く実装する方法の詳細をご覧になるには、無償のホワイトペーパー 『複雑なパッド形状の実装方法』を今すぐダウンロードしてください。 記事を読む
PCB設計プロセスを容易にするモジュールの使い方 PCB設計プロセスを容易にするモジュールの使い方 1 min Thought Leadership 画像出典: Adobe Stockユーザー alexbrylovhk ヨセミテへの初めての旅で、私はとんでもなく大変なことをしようとしていました。大きな山と無謀な計画。私はクラックにすっぽりと入り込んで身動きが取れなくなってしまいました。一晩の緊急野営の後、私のプロジェクトは終わりを告げられ、谷底に戻った私は征服できなかった山を見上げる羽目になりました。PCB設計でも、概念的な仕様を実際の設計に移す際に適切に計画を立てないと、空しく終わったこの登山のような結末になる可能性があります。同時に考慮すべき要素が多数あります。例えば、空間とパフォーマンスを最適化するため、主要コンポーネントをどの場所に配置するか、どのコンポーネントを最初に配置するかなどがあります。また、サブシステムをどこに収納するか、どの配置が結果的に最もきれいにトレースできるかなども検討する必要があります。このような最初の決定事項は、面倒な作業だったり、先送りされたり、ヨセミテ登山のように完全に最初からやり直しをする必要があったりする可能性があります。 設計者の障害物を打ち破るため、仮想コンポーネントにモジュール化することで設計の概念を容易にします。 画像出典: Flickrユーザー Uwe Hermann （CC BY 2.0） 山を分割する 登山者が山にアプローチする方法と同じように、PCB設計を管理可能な「ピッチ」に分割し、頂上に到達するまで各ピッチに個別に取り組みます。設計を開始するには、設計内に自己完結している部分やよく知っているインターフェイスがある部分を探します。それらの部分は、最終的には詳細に設計する必要がありますが、最初の段階では基板上に存在することを明らかにしておくだけで十分です。それらの部分が特定できたら、プレースホルダーを使って一時的に作業対象から外し、「ブラックボックス」として扱います。これにより、登山ルートを計画するように、全体像に焦点を絞り、後で各部分に戻って作業を進めることができます。設計にプレースホルダーを使用してレイアウトのセクションに優先順位をつけることを、一般に「設計のモジュール化」と呼びます。 モジュール化を検討する場合、設計で使用する実際のコンポーネントは、2つの理由でブラックボックスになります。 それらのコンポーネントは、ピン配列および仕様で明確に定義されたインターフェイスを提供します。 パフォーマンスは事前定義され、インターフェイスに固有であることがわかっています。この結果、それらがインターフェイスで どのように機能するかを定義する必要はなくなります。 アンペア、CPU、レギュレーターなどの内部のしくみを示す必要があるとしたら、プロジェクトがどれほど複雑になるか想像してみてください。極めて複雑になるはずです。 記事を読む
設計の準備: 設計データの集中管理 設計の準備: 設計データの集中管理 1 min Thought Leadership 私は料理が大好きです。レシピを調整して味とバランスをびったりにする満足感。キッチンのにおい。「 パパのミートボールは最高だね」なんて言いながらパクパク食べている息子を見るときの誇らしい気持ち! でもレシピをゼロから考えるのは大変な時間が掛かるし、普通はそんな時間はありません。乱切りしたり、さいの目に切ったり、量を計ったり、冷蔵庫と戸棚の間を行ったり来たり。 料理番組ではどうしてあんなに簡単に見えるのでしょう? 理由はいたって簡単で、料理番組では事前にすべて準備してあるからその時間がいらないというだけなのです。プロのシェフは事前にすべての食材を用意しておくことを「 mise en place（下ごしらえ）」と言いますが、これはフランス語で「その場に置いておく、用意しておく」というような意味です。普通の家庭よりプロのシェフの料理の方が速いのは、そのためです。 EDAのブログでなぜ料理の話をしているかですって? 実は、料理には設計プロセスに活かせると思えるヒントがいくつかあるからです。つまり、電子機器の設計と料理をうまくやることには、いくつかの類似点があるのです。計画し、設計し、テストし、その方法を捨ててやり直し、微調整する。こういった過程を経て最終的な料理や製品ができるわけです。必要なのは正しいスキルだけではありません。創造力も必要です。創造のための時間を確保するには、必要なときにその都度タマネギを切るのではなく、いつでも使用できるようにあらかじめ準備しておく必要があります。では「EDAでこのタマネギに相当するもの」は何でしょうか? 設計データをあらかじめ定義し承認し簡単にアクセスできるようにしておく 新たに設計を開始する際にすることを考えてみてください。基本的なファイルフォルダーの構成や回路図の最初の2ページとプリント基板ファイルなど、プロジェクトの基本的な骨組みを固める必要があります。回路図には、枠線や使用するタイトル欄が必要です。プリント基板については、基板外形を考えレイヤースタックを定義する必要があります。設計規則も確立しておく必要があります。もちろん、使用承認されたコンポーネントのライブラリにアクセスできるようにしておくことも必要です（場合によってはこれらを開発することが必要かも知れません）。後で出力プロセスに時間が掛からないように事前にしっかり決めておけば理想的です（詳しくは、 こちら、または こちらをご覧ください）。 これらの情報がすべて1つの場所で集中管理されており、組織内の全員が事前に定義され承認された設計要素にアクセスできプロセスをスピードアップできるようになっていたらどうでしょうか? 準備作業が済んでいる状態で新たなプロジェクトを開始できるとしたらどうでしょう? 誰でも使用できるように自分の設計要素を整理する Altium VaultはEDAの中核をなすデータ管理ソリューションであり、設計のためのキッチンを五つ星のレストランのように機能させることができます。Altium Vaultの主な機能はコンポーネントのデータを保存することにあります。ライフサイクルが管理されている承認済みの部品を組織内の全員が利用できるようにしておけば、作業の重複による時間の浪費を防止できます。新しい部品の開発が 記事を読む
PCB設計で銅箔を最大化する方法: 銅箔流し込みと銅箔配置の長所と短所 PCB設計で銅箔を最大化する方法: 銅箔流し込みと銅箔配置の長所と短所 1 min Thought Leadership 画像出典: Flickrユーザーbillautomata ( CC BY 2.0) PCB設計には「銅箔は自由」という格言があります。これは、PCB設計者は逆に考える必要があることを意味します。最初、基板には一面に銅箔が張られ、必要のない銅箔を取り除きます。ほとんどベアボード状態の同じサイズの基板と比べて、ほとんど銅箔である基板を作る方が、素早く作成でき、無駄がなく、コストも安くなります。適切なテクニックを選ぶかどうかで、作業が楽になるか、ストレスがたまるかの違いが生じます。 銅箔を最大化する方法は、一般に2つあります: 手動 – 通常、この方法の方が迅速ですが、雑になります。具体的な図形を定義、配置することによって、銅箔をオブジェクトとして素早く配置できます。これらのオブジェクトは、ネットに割り当てることができ、導通試験の間に、ショートやエラーがないかチェックします。このテクニックは、短納期の場合やプロトタイプの作成に好まれます。 自動 – この方法の方が、時間がかかります。一方、銅箔流し込みによって、銅箔使用の最大化がより簡単にできます。基板をレイアウトし、レイアウトに収まる銅箔の図形を配置する代わりに、基板領域の周囲に境界を描き、銅箔を流し込むことによって、銅箔を最大限に残すことができます。 銅箔流し込みが時間を節約できる仕組み 銅箔を流し込む場合、境界が定義され、流し込み操作が実行されると、その内部は全て自動的に接続されます。その領域が大きい場合、珍しい図形である場合、または形が不揃いの複数のオブジェクトで満たされている場合、通常、このテクニックの方が簡単で迅速です。流し込み操作によって、複数の不揃いな領域が自動的に塗りつぶされ、さらに、その領域の他のパーツやトレースを自動的に分離します。 GNDなど、同じネット上のオブジェクトは全て、セットアップページまたは設計ルールに従って接続されます。銅箔流し込みで自動的に対応できるオブジェクトは、ビア、トレース、ネット、デカル、空間領域、パッドです。適切に使用すれば、銅箔流し込みは、自動的に、必要な接続を行い、不必要な接続を行いません。これらの接続は、 導通チェッカーツールを使用して再確認できます。 画像出典: Flickrユーザー 記事を読む