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基板統合導波路ルーティング mmWave PCB用の基板統合導波路ルーティング mmWave信号の応用はかつては防衛に限られていましたが、現在ではmmWaveシステムがより一般的になっています。自動車レーダー、UAVレーダー、5Gの今後の展開、そして6Gに関する現在の研究のおかげで、mmWave技術が主流になりつつあります。mmWave信号を使ったルーティングは、設計者にルーティングの慣行と相互接続設計を再考させることを強いています。これは、商業的に入手可能なPCB基板上で低損失ルーティングを提供する新しい相互接続構造を設計するために、多くの研究グループや革新的な企業を動機付けています。 接地共面導波路（およびその変種）は、マイクロ波周波数で作業するRFエンジニアの間でおそらく最もよく知られている相互接続構造です。基板統合導波路と呼ばれるルーティング構造は、相互接続に沿った電磁場を工学的に扱うのに理想的な代替手段を提供します。 John Coonrodのような人々のおかげで、この技術は他の相互接続設計よりもいくつかの利点を提供するため、RF PCB設計者の間でより人気になる可能性があります。このユニークな導波構造とmmWaveルーティングのためのその利点を見てみましょう。 基板統合導波路とは何か？ 想像してみてください。古いスタイルの金属製長方形の導波管があり、音響または電磁波を反射によって案内します。このシンプルな構造は、二つの平行な銅ストリップの間にPCB上で実装することができます。側壁の銅線は、 スルーホールメッキビアから形成され、誘電体で満たされた金属構造を作り出します。このタイプの構造は基板統合導波管と呼ばれます。 これらの導波管はPCB上で形成するのが非常に簡単です。以下に示すのは、例の導波管の図です。ここでは、相互接続は効果的に2層を占め、表面層のテーパーマイクロストリップカプラーを使用してこの構造に信号を注入することができます。 基板統合導波管構造 これらのシステムは、長方形導波管と同様の方法で機能します。それらは、その幾何学によって定義される一連のモードを持っています。数学的には、電磁場の空間分布を記述する固有関数のセットは、典型的な長方形導波管に使用されるものと同じです。各固有関数には特定の波数と波長があり、これらが組み合わされて導波管に沿った場の空間分布を形成し定義します。伝播モードのおおよその波数は（WとHはそれぞれ構造の幅と高さです）： 同等の誘電体導波路における伝播波数（近似） nおよびmの項が大きすぎる場合、信号が特定のモードを励起することができません。これは、信号の周波数と構造の形状が、どのモードが励起されるかを決定することを意味します。 一般に、所望の信号周波数に合わせて導波路のサイズを調整することで、TE10モードを簡単に励起することができます。他のすべての高次モードは減衰し、構造を通過することはありません。TE10モードの波数は次のとおりです： TE10モードのための伝播波数。設計者は、特定のモードを選択するために、オメガ、a、W、およびdを自由に選択できます。 ここで、導波路構造内での閉じ込めを提供する標準要件は、ビア間隔（s）がビア直径（d）の2倍未満であること、および aがビア直径の5倍以上であることです。所望の周波数で他のモードを励起するための同様の条件を導出することができます。これにより、アンテナ、カプラー、アンプ/共振器、または他の受動RFデバイスに必要な電界分布を設計することができます。 基板統合導波路の利点 基板統合導波管の主な利点は、マイクロストリップ、ストリップライン、接地共面導波管と比較して損失が少ないことです。Kaバンド以下で作業している場合、マイクロストリップとストリップラインは接地共面導波管と同様の損失を提供します。Kaバンドを超え、Vバンド深くまで行くと、接地共面導波管はより少ない損失を提供しますが、挿入損失は依然として-6 dBに達し、40
高速配線のための高度なPCBガイドライン Thought Leadership 高速配線のための高度なPCBガイドライン これらの高速配線ガイドラインを使用して、高度なPCB用のこの先進的なボードを作成できます 新しい設計はますます高速化しており、PCIe 5.0は32 Gb/sに達し、PAM4は信号の整合性と速度を限界まで押し上げています。適切なインターコネクト設計は、高度なデバイスの低ノイズマージン、完璧な電力安定性要件などを考慮し、信号が適切に受信されることを確実にする必要があります。 高度なデバイスが低い信号レベルで動作するため、高速配線ガイドラインは、インターコネクト全体でのインピーダンス不連続による信号損失、歪み、反射を防ぐことに焦点を当てています。特に多レベル信号を使用する場合、超高速信号には、ここで提示されたすべての高速設計ガイドラインを真剣に考慮し、実践に移す必要があります。 重要な高速配線ガイドライン 高速がサブナノ秒領域に達する場合、特に新しいPCIe世代で、高速ネットワーキング機器をサポートするために、どの設計者もいくつかの基本的な高速PCB配線ガイドラインを心に留めておくべきです。新しいデバイスが引き続き速度制限を破るため、アプリケーションを満足させるためにいくつかを選択するのではなく、これらのガイドラインすべてを念頭に置く必要があるでしょう。 制御インピーダンスルーティングと電力整合性のためのスタックアップ 信号整合性だけでなく、電力整合性にとっても、スタックアップは重要です。同様に、信号帯域が10GHz台にまで拡大する場合、特に多レベル信号方式（例えば、400GネットワーキングのPAM4）を使用する場合、インターコネクトの インピーダンスを制御する必要があります。これは、適切な終端とマッチングを確保するためです。また、リンギング（つまり、過渡応答を臨界的に減衰させる）を最小限に抑えるためにトレースのサイズを適切に設定しながら、 インピーダンスを一定に保つ必要があります。これには、入念なスタックアップエンジニアリングとインターコネクト設計が必要です。 差動ペアルーティングと長さのマッチング 共通モードノイズが信号整合性における主要な問題であるため、制御インピーダンスルーティングの一環として、差動ペアの長さ全体にわたって十分な結合を確保する必要があります。これには、 差動ペアの長さに沿った位相マッチングも必要です。可能な限り、結合領域は直接レシーバーに伸び、結合されていない領域はドライバーに限定され、長さがマッチしている必要があります。これにより、共通モードノイズは完全に位相が揃っていると見なされ、レシーバーで完全に抑制されます。 適切な基板材料を選択する 高速立ち上がり時間が求められる場合、低損失正接とフラットな分散特性を持つ基板材料を見つける必要があります。ここで分散は非常に重要であり、インターコネクトの長さに沿ってインピーダンスと伝搬定数が連続的に変化することを引き起こします。まず、分散は電磁パルス（すなわち、デジタル信号）が伝播するにつれて広がる原因となります。第二に、強い分散の 存在下では、信号の立ち上がりエッジで見られるインピーダンスが、立ち下がりエッジで見られるインピーダンスと一致しないため、強い歪みが生じます。関連する帯域幅で誘電率がフラットであることを確認する必要がありますが、これは12 GbpsでのPAM4では簡単に30 GHzに及ぶことがあります。 短いトレースとバックドリリング
ヒートシンクからのEMIとその対策方法 Thought Leadership コンデンサのヒートシンクからのEMIとその対策方法 適切なヒートシンクを選択することで、システムを冷却し、EMIを防ぐことができます. 明らかではないかもしれませんが、また、ほとんどの設計者がチェックするとは思わないかもしれませんが、ヒートシンクはスイッチング要素に接続されている場合、EMIを発生させることがあります。これは電源設計における一般的な問題であり、特にヒートシンクが高電流を引き出し、高周波でスイッチングするコンポーネントと接触する場合に発生します。ヒートシンクからのEMIを減らすには、導電部分と放射部分のバランスを取る必要があり、これを行うためのいくつかの簡単な設計手順があります。 ヒートシンクと寄生容量からのEMI ほとんどの設計者が基板上のコンポーネント用に ヒートシンクを選択することを考えるとき、彼らはおそらく単にメーカーの推奨に従うだけです。彼らはメーカーが推奨するサイズと同様のヒートシンクを使用するかもしれませんが、熱伝導率が高い材料で作られたものを選ぶかもしれません。設計者の中には、 アクティブ冷却対策、例えば冷却ファン、または（極端な場合には）液体冷却や蒸発冷却を選択する人もいます。これらの対策は、特にメーカーが必要なヒートシンクと組み立てガイドラインを提供している場合、標準化されたコンポーネントを使用する際に適切です。 CPUの速度が1 GHzを超えて以来、ヒートシンクからの放射および導電EMIがより目立つようになりましたが、これは電力電子およびコンピュータシステム業界外の多くの設計者には気づかれなかった可能性があります。今日では、一般的にヒートシンクは単に接地されるべきであり、これがEMIの問題を解決するとされています。実際には、これだけでは問題を完全に解決するわけではなく、問題を解決するには寄生容量を管理する必要があります。 EMIの両方のタイプは、スイッチングICと近くのヒートシンクとの間の寄生容量結合によって生じます。スイッチングトランジスタを持つ集積回路の構造を調べると、チップパッケージと任意の 熱伝導ペーストやインターフェース材料がキャパシタの絶縁領域を形成しているのがすぐにわかります。この寄生容量がヒートシンクに共通モード電流を誘導する責任があります。 MOSFETに垂直ヒートシンクが接着された例。 次に何が起こるかは、ヒートシンクが接地されているかどうかによります。ヒートシンクが接地されていない場合、ヒートシンクとチップは容量結合電流の地面への容易な戻り道がないため、放射されたEMIの源として機能します。電流はヒートシンク内の複数の電磁共鳴を励起し、高電流と強い放射を持つヒートシンク内の一連の領域を作り出します。これは、ヒートシンクが通常デフォルトで接地される理由の一つです。しかし、ヒートシンクに誘導された強い電流が地面に向けて偏向されると、 グラウンドリターンパスに応じて、近くの回路で伝導EMIの源を作り出す可能性があります。 なぜヒートシンクからの放射または伝導EMIがより頻繁に対処されないのでしょうか？その理由はいくつかあります。通常、ヒートシンクからのEMIが顕著になるのは以下の二つの場合です： スイッチング時の高電流。 これは、大きなスイッチングレギュレータで大型トランジスタがスイッチングする電力電子工学における一つの問題です。より短い時間でより高い電圧にスイッチングすると、ヒートシンク内のより大きな変位電流が生成されます。 プロセッサの高速スイッチング。 より高速に動作するプロセッサは、ヒートシンク内に大きな変位電流を簡単に生成することができます。また、ヒートシンク内の高周波共鳴を容易に励起することもできます。 どちらの場合も、高電圧/電流のスイッチング電源を設計する際には、ヒートシンクへの容量結合を考慮する必要があります。他のアプリケーションには、低電圧で動作するデバイスのGPUやCPUのためのVRMが含まれます。 ヒートシンクからの伝導および放射EMIのバランス
CAMエディタを活用する CAMエディタを活用する プリント基板CADのAltium DesignerはCAMエディタを備えており、PCBからGerber出力を実行すると、出力されたGerberデータがCAMエディタに自動的に読み込まれ、アートワークイメージが画面に表示されます。 プリント基板の製造に際して設計者は、Altium DesignerのPCBデータではなく出力されたGerberデータに対して責任を負はなくてはなりません。CAMエディタはその為に必要なチェック機能に加え、テストクーポンの追加や面付け等、製造上の要件を満たす為の多くの編集機能を備えています。 そこで、今回は、このCAMエディタの機能をいくつか紹介したいと思います。 Gerberイメージの表示 CAMエディタは、PCBエディタから出力されたGerberデータを読み込んで表示します。これにより、Gerber出力の段階で発生した過りを発見することができます。 CAMエディタでは表示する層のオン/オフや拡大/縮小が自由にででき、目視による確認が容易です。また、レポート機能などによって数値を取得して、より精密な確認を行うことができます。 デザインルールチェック CAMエディタはデザインルールチェック機能を備えています。この機能は、[解析] – [PCB デザインをチェック /修正] によって利用できます。 デザインルールチェックの設定と実行 各項目に規定値を入力し、[OK]ボタンで実行。エラーを自動的に修正する事ができる。この機能を利用する為には、[ツール] - [ネットリスト] -
分割プレーン—良い点、悪い点、そして醜い点 分割プレーン—良い点、悪い点、そして醜い点 プレーンを分割する、またはプレーンカットを行うことは、多くの矛盾する情報がある技術的な問題の一つです。パワープレーンを分割することは良いことだと言う人もいれば、グラウンドプレーンとパワープレーンの両方を分割できると言う人もいれば、パワープレーンにのみカットを入れるべきだと言う人もいれば、プレーンカットを完全に避けるべきだと言う人もいます。この記事では、分割プレーンに関する神話を暴き、それらが有用である場合とそうでない場合についての証拠を提供し、説明します。 真実、噂、誤解 上記のように、プレーンを分割する、またはプレーンカットを行うことは、多くの誤情報と混乱に悩まされるトピックエリアの一つです。以下は、トピック全体を混乱させ、製品開発者に不利益をもたらす、よくあるコメントの一部です。特に、「反分割」警告は、どこに配置すべきか、なぜそれを行うべきか、どのような害を及ぼすかについて、いくらか無作為にされていることに注意すべきです。それらには以下のようなものが含まれます： 分割されたグラウンドプレーンまたはパワープレーンを 横切る信号は望ましくありません。 スイッチングレートが高いほど、影響は悪化します。” トレースがスプリットプレーンを横切るのは、インダクタンスが増加し、リターン電流の経路が複雑になるため悪いです。 アナログ側の共通モード ノイズを減らすためにグラウンドプレーンを分割します 。 基板をアナログ部分とデジタル部分に分けて配置します。 アナログセクションを隔離する場合、スプリットプレーンが必要です。 スプリット電源プレーンを横切ることは、クロストークのリスクが増加し、EMC要件を満たさない可能性があるため、絶対に行ってはいけません。 簡単にするために、上記のすべてを否定し、それらが真実ではないと言うことができます。しかし、おそらく最も重要な教訓は、グラウンドプレーンを決して、絶対に分割してはいけないということです。もしそうすると、PDSの整合性を破壊してしまいます。 Lee Ritchey（Speeding Edgeの創設者兼社長）は次のように述べています。「自称EMIの専門家が、アナログ信号に何らかの影響を与える地面平面内の循環電流のために、グラウンドプレーンを切断することを提唱しています。ここでの考え方は、グラウンドプレーンの一部を小さな島に変えて、一か所に接続するというものです。私が見たほとんどのケースでは、誰かがグラウンドプレーン内で電流が循環しているために、何らかの魔法のような問題が存在すると仮定しています。実際には、私がグラウンドプレーンを切断した人を見たたびに、彼らは EMIの問題を作り出していました。」 したがって、グラウンド分割に関する誤ったデータをすべて排除した後、議論は電源プレーンに移り、それらを分割する正当な理由があります。それらの理由と実装方法は以下に詳述されています。 同じPCB層内の二つの電源供給設計プレーン電圧の分布