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マイクロコントローラーの故障モード: 発生理由と回避方法 Thought Leadership マイクロコントローラーの故障モード: 発生理由と回避方法 設計の成功の大部分は大学にかかっています。実験室の実験でコンデンサーを誤って爆発させる原因を学んだからではなく、思いもよらないときにマーフィーの法則が当てはまることがあると学んだからです。Warcraftゲームに参加して終わりのない任務の遂行に明け暮れていた私は、常にコンピューターに依存して活動していました。 その当時、コンピューターの性能はかなり低く、悪名高いWindowsの「死のブルースクリーン」ポップアップが時々表示されるのは珍しいことではありませんでした。Warcraftゲームが中断されることはイライラの種であり、遂行した任務がシステムに保存されず数時間が無駄になる一方で、私はコンピュータークラッシュにより重度のパニック発作を引き起こしたものです。設計者であれば、現場でマイクロコントローラーに障害が発生した場合に、同様のパニックを経験したことがあるかもしれません。 マイクロコントローラーの故障モードがシステムに与える影響 組み込みシステムでは、マイクロ コントローラー（MCU）の障害は、業務の締め切りに遅れた場合よりも悪い影響が出る可能性があります。多くの場合、MCUは、決済端末、医療機器、セキュリティーシステムなどの用途における心臓部です。これらのシステムは高い安定性を必要とし、たいていはシステム障害に強くありません。 MCUが故障すると、場合によってはシステムの稼働が完全に停止します。この状況は、ユーザーに迷惑をかけたり、重要な使用現場において安全上のリスクを引き起こす可能性があります。クライアントにとって、信頼性の低いシステムは運用能力に影響を与え、収益の損失につながる可能性があります。設計者にとっては、何百もの製品が現場で常に故障していることは、私たちの誇りに大きな打撃を与え、評判に影響することが考えられます。 マイクロコントローラーの故障の理由とその責任 信頼性のある組み込みシステムには、ハードウェア設計者とファームウェア プログラマの協力が必要です。一部の設計エラーは開発段階で検知されず、導入後にやっと問題が顕在化します。この場合、その責任の大部分を誰が負うべきなのでしょうか。 指をさす前に、マイクロコントローラーが故障する一般的な理由を考えてみましょう。 1. メモリスタック オーバーフロー マイクロコントローラーの メモリスタックは、一時的な使用を目的とした内部RAMの指定領域です。メモリスタックのサイズは制限されており、MCUによって異なります。ファームウェア プログラマがスタックサイズより大きい変数を割り当てると、ランタイム中にスタックオーバーフローが発生し、ファームウェアに問題が生じる場合があります。 2. 不正なポインター MCUファームウェア プログラミングでは、変数、またはプログラム関数のアドレスを示すために、通常
OnTrack Newsletter 2017年10月 OnTrack Newsletters OnTrack Newsletter 2017年10月 On Track Newsletter 2017年10月 第1巻第7号 いつもお世話になっております。Altiumより今月のニュースレターをお送りいたします。今月は、世界中のAltiumユーザーが集まるコミュニティーに参加されているすばらしい技術者や設計者の方をご紹介いたします。最初にご紹介するのは、Square Kilometre Array（SKA）用の基板を設計している、南アフリカのOmer Mahgoub氏です。SKAは、2つの大陸にまたがって建設される世界最大の電波望遠鏡で、この望遠鏡により、かつて見たことのない新たな宇宙の姿を見ることができます。 続いて、カナダのWaterloo大学で熱心に技術を学ぶ学生グループをご紹介します。この学生チームは、2018年の国際大会に参戦すべくソーラーカーの開発に追われています。 今月のOn Trackビデオは、熱管理についてのChris Carlsonによる全3回シリーズビデオの第1回です。 是非、On Trackについてのご意見を judy.warner@altium.comまでお寄せください。 今月号をお楽しみください。 敬具 Judy Warner
最良のPCB設計ソフトウェアの考慮すべき機能とは Thought Leadership 最良のPCB設計ソフトウェアの考慮すべき機能とは 家の購入を決意する前には、おそらくたくさんの質問をするかと思います。自分にとって大事な施設やサービスが近所にありますか? 近隣の環境に問題がなく、安全ですか? 家の間取りが自分のニーズに合っていますか? これらはいずれも、そこに住むと決める前に解決する必要がある重要な質問です。 同様に、PCB設計ソフトウェアの購入も同じレベルの詳細な検討が必要です。そのソフトウェアが自分に必要な処理を行ってくれるかどうか、どのようなサポートが受けられるかなどを確認する必要があります。また、会社の将来や、それらのツールが設計ニーズの変化にともなって設計者とともに成長できるかどうかなども考慮する必要があります。 新しい家の購入と全く同じように、新しいソフトウェアへの移行は大変な作業になる可能性があります。設計者を手助けするため、Altiumは、PCB設計ソフトウェアについて質問する時に設計者がガイドとして使用できるトピックリストをまとめました。 PCB設計ソフトウェアが必要な処理を行ってくれるか 最初に確認すべきことは、検討しているPCB設計ソフトウェアが、自分に必要な処理を行ってくれるかどうかです。この質問に答えるためには、どのような設計技術のためにそのソフトウェアを使用するかを明らかにする必要があります。設計するのは片面、両面、または 多層基板 ですか? それらの設計の用途は、 電源 、 アナログ 、 デジアナ混在信号 、 高速 、あるいは RF
PCB取り付け穴 メッキPCB取り付け穴のPCB接地手法 基板を筐体に配置するときは、何らかの方法でその筐体に取り付ける必要があります。PCBの表面をネジで傷つけずに確実に取り付けるには、通常はメッキスルーホールをただコーナーに配置します。このPCB取り付け穴は通常、ソルダーマスクの下にパッドが露出しているため、必要に応じて取り付けポイントをネットの1つに電気的に接続できます。この場合によく発生する問題の1つは、接地とPCB取り付け穴です。取り付け穴を設計で接地する必要がある場合、どのように接地する必要があるのか？筐体に接続するのか、内部接地のみに接続するのか、それとも別の場所に接続するのか？ これは楽しい質問で、答えは通常、「必ずすべき/絶対にすべきではない」という具合になります。取り付け穴は必ず筐体に接地しているという人もいれば、設計が台無しになるので絶対に接地すべきではないという人もいます。このように定められたほとんどの設計ルールと同様に、実際の答えはより複雑で、入力電力から接地系の構造に至るまで、設計の多くの側面が関わります。PCBへの入力で電源と接地がどのように定義されているかを理解していれば、接地を適切に考慮した取り付け方法を設計することが容易になります。 PCB取り付け穴の設計方法 名前が示すように、PCB取り付け穴は、回路基板を筐体に固定するために使用されます。PCB取り付け穴に関しては、誰もが同意するいくつかのポイントがあります。 金属ネジで取り付けることができるように、取り付け穴は一般的にメッキされている必要がある。 浮遊する金属片はEMIの発生源となるため、取り付け穴は何らかのGNDネット（アース(PE)、信号GND (SGND)、接地済み筐体など）に接続する必要がある。 取り付け穴は、標準サイズの留め具に対応するサイズにする必要がある。 取り付け穴はメッキなしでもかまわないが、設計でプラスチック製のネジやスタンドオフを使用する場合以外は望ましいやり方ではない。 これについては、 位置決め穴に関する以前の記事で少し詳しく説明しました。というのは、一部の有名企業では取り付け穴と位置決め穴を区別していないからです。設計者にとって、このように区別することは重要です。取り付け穴はほぼ確実に基板の接地系の一部になるし、設計におけるEMIと安全性にこの相違がどのように影響するかを正確に考慮する必要があるからです。 メッキした取り付け穴を筐体に接続することはベストプラクティスであり、そのような接続が可能な場合は、筐体の接地をアース接地に接続することができます。ただし、筐体内に金属元素があるバッテリー駆動システムなどでは、必ずしもそうとは限りません。PCBの取り付け穴、筐体、およびアースの接続方法によっては、デバイスでEMIが発生したり、ユーザーが感電したりする可能性があります。後者のケースは、電源の筐体がアースに十分に接地されていないか（プラグを差し込んだとき）、マイナス電源端子が十分に接地されていない場合に（プラグを抜いたとき）、コンピューターの電源で発生するおそれがある問題の1つです。適切なアース接地接続を含め、PCBの接地手法を適切に行えば、フローティング接地をなくすことができます。それが、金属筐体の接地したPCB取り付け穴の主な用途の1つです。 PCBの接地手法と取り付け穴 上の画像は、過度に一般化したものではありません。場合によっては、取り付け穴を基板に接地する必要がまったくなく、代わりに筐体に接地する必要があります。それ以外の場合、選択の余地はありません。接地する場所が他にないため、取り付け穴を内部接続に接地する必要があります。取り付け穴に適用するPCB接地手法では、対処の必要な電流、その電流の周波数、ESDなどの安全性の問題を考慮する必要があります。残念ながら、考えられるあらゆる状況に対応できる単独のアプローチはありませんが、PCBの取り付け時に生じる接地接続をどのように考えたらいいのかは、以下のポイントを参考にしていただければと思います。 ケース1: 低電流DC、ガルバニック絶縁なし 以下の表は、標準的なPCB接地手法の一環として、メッキPCB取り付け穴をどのように扱うのかという状況をいくつか示しています。ここでは、3線式DC（POS、NEG、アースGND接続）、2線式DC（POSとNEGのみ）、3 線式ACをDCに整流した場合を検討します。 入力電力 金属筐体
プリント基板に適したソルダーマスクの選び方 プリント基板に適したソルダーマスクの選び方 編集クレジット: CREATISTA / Shutterstock.com ハロウィーンが近づくとともに、寝ても覚めても衣装のことで頭がいっぱいになり、仕事どころではありません。今年は、かなり凝ったフェイスペイントが必要になるので、適切にペイントする方法をあれこれ検索しています。ペイントのレイヤー、色、種類ごとに、適切にペイントするための道具やタイミングが必要です。何の説明書も読まずに予行演習した結果、ペイントした部分が剥がれ落ち、それ以外の部分は完全にそのままでした。ひどいフェイスペイントのために短絡が発生しそうにはありませんが、ソルダーマスクで同じような状況を目にしたことがあります。最近はソルダ―マスクにも複数の色があります！ソルダーマスクのタイプと厚さの選択は、できのよいフェイスペイントの場合と同様に、優れた製品を作るために重要です。そして、失敗するとさらに多くの費用がかかります。 ソルダーマスクとは ソルダ―マスクは、プリント基板の金属部分の酸化を防ぐため、また小さい半田片が望ましくない場所に付着してソルダーパッド間に「ブリッジ」が形成されるのを防止するために使用されます。リフロー、またはソルダ―バスが使用されている場合、それらの技術は、接続すべきでない場所で半田片が接続しないよう十分に制御できないため、プリント基板製造において重要なステップになります。ソルダ―マスクは「ソルダーレジスト」とも呼ばれます。私自身は、ソルダ―マスクは基板に適用された半田のレイヤー全体であると考えていたので、後者のほうがよい呼び方だと思います。 プリント基板へのソルダ―マスクの適用方法 ソルダ―マスクは、プリント基板の金属配線全体に適用されるポリマーレイヤーです。 マスクの素材はさまざまな種類があり、いずれが最適かはコストと用途によって決まります。最も基本的なソルダ―マスクは、シルクスクリーンを使用してプリント基板全体に液状エポキシをプリントします。これは、ステンシルを使ってエアブラシでフェイスペイントを塗るようなものです。 より手の込んだタイプでは、ドライフィルムや液状ソルダ―マスクを用いて感光するソルダ―マスクがあります。液状感光性ソルダーマスク（LPSM）は、エポキシと同様のシルクスクリーンプリントや、多くの場合低コストですむ表面へのスプレーが可能です。ドライフィルム感光性ソルダーマスク（DFSM）は、気泡による不具合が生じないよう、基板に真空積層させる必要があります。いずれの感光性ソルダ―マスクも、パッドがコンポーネントに対して半田付けされ、焼付の過程あるいは紫外線照射によって硬化する箇所がマスク内にないように形成されます。 ソルダ―マスクは、エポキシ、または感光性ポリマーとして適用されます。 どのソルダーマスクを使用すべきか 最適なソルダ―マスクは、基板、穴、コンポーネント、導体の物理的な寸法や、表面のレイアウト、製品の最終用途によって決まります。 まず、航空宇宙、通信、医療、あるいはその他の「高信頼性」が要求される分野で使用されるプリント基板の場合は、ソルダ―マスクに関するその分野での基準や、一般的な用途に関する基準を確認します。インターネットで見つかるようなその他の要件より優先される特定の要件があります。 最近の多くのプリント基板設計では、 感光性ソルダ―レジストをお勧めします。液状とドライのどちらを使用するかは、表面形状によって決まります。ドライマスクは、表面全体に均一の厚さで形成されます。ただし、基板の表面が非常に平らな場合に最もよく付着します。表面形状が複雑な場合は、液状（LPISM）オプションの方がトレースの銅箔や積層によく付着し、よい結果を得られるでしょう。液状オプションの欠点は、基板全体で厚さが完全には均一にならない点です。 マスクレイヤーにはさまざまな仕上げを施すこともできます。可能な処理および製造への影響について、製造業者と話してください。例えば、半田リフロープロセスを使用している場合、マット仕上げにより半田ボールを減らすことができます。 半田リフロープロセスを使用して製造されたプリント基板には、ソルダ―マスクが必要です。 マスクの仕上がりは、リフローの品質に影響する可能性があります。
Midnight Sunソーラー設計チームが開発した未来のソーラーカー Engineering News Newsletters OnTrack Midnight Sunソーラー設計チームが開発した未来のソーラーカー World Solar Challenge（WSC）に参戦するWaterloo大学のMidnight Sunソーラーチーム 1988年度以降、 Waterloo大学のMidnight Sunソーラーチーム は、顧問のGordon Savage教授の指導の下、ソーラーカーを製造し、American Solar Challenge （ASC） およびWorld Solar Challenge （WSC ）に参加しています。これらの大会は、1年おきに交互に開催されます。電気系統チームの舵取りは、Minghou Ji（エンジニアリングマネージャー）、Yifei Li（ハードウェアエンジニア）、およびTaiping Li（ハードウェア設計者リーダー）が行っています。