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卓越した次世代のPCB設計者: Nicole Pacino OnTrack Newsletters 卓越した次世代のPCB設計者: Nicole Pacino San Diego PCBの創設者Mike Creedenと、娘Nicole Pacino Judy Warner: Nicole、あなたが基板の設計を始めたのは何歳のときでしたか? Nicole Pacino: 私はとても若いときから設計を始めました。たぶん11歳だったと思います。私の父、Mike Creedenはこの業界の人間で、私はいつも父を見ていたため当然、父が何をしているのかいつも興味を持っていました。ある日、父は私をコンピューターの前に座らせ、作業をゲームとして私に見せてくれました。とても具体的に精密なルールの、非常に難しいゲームで、私はとても楽しめました。そこで、私は仕事をしているのだと気付くよりも前に、この作業を開始したわけです。 私が公式に仕事として設計を始めたのは、20歳のときです。この頃、私は物事のより技術的な側面の学習を開始し、単に誰かから指示を受けるのでなく、自分が何を、どうして行うのかを理解するようになりました。 数年後には、私は物事の技術的な側面を習得するだけでなく、ビジネスの側面も理解することが重要であると判断しました。このため、私はオハイオ州立大学のカレッジに入り、2つの学位を取得しました。1つは戦略的通信について、もう1つはビジネスについてのものです。この知識を元に私は業界で勉強を続け、将来的には自分のオフィスを開き、将来を主導することを目指すための準備を進めました。 Warner: あなたは今どのような仕事をしていますか? 抱えている最も重要な課題は何ですか? Pacino: 私は通常、複雑ないくつかのプロジェクトに同時に取り組んでいます。例えば、現在小さな基板を設計しており、この基板はRF設計で、2.4Ghzで駆動するプリント基板によるアンテナがあり、標準のBluetooth LEを使用しています。もう1つははるかに高度なデザインで、16のレイヤーがあり、メインのFPGAから2つの異なるDDRを動かしています。これは興味深く、特に手ごたえのある作業でした。これは0.5mm
高電圧設計向けのPCBレイアウトについて計画する方法 Thought Leadership 高電圧設計向けのPCBレイアウトについて計画する方法 以前、都市プランナーの友人とトレイルランニングをしていたことがあります。私が疲れてやる気を失くしてしまう前に少しでも長く走らせようと企んだ彼女は、街の区画整理や建設に関することについてあれこれ聞かせてくれました。地元の政治の裏話に興味をそそられた私は、走る辛さを忘れたものです。 友人は賛成しないでしょうが、高電圧PCB向けのレイアウトは複雑な都市計画にいくつかの類似点があります。高電圧PCBでは通常のPCB設計に関する検討事項に加え、最終製品の最高性能を確保し、寿命を迎えるまで保護するために、基板全体で電界強度を制御、最適化できるレイアウトが必要になります。 高電圧領域の分離 都市計画で区画地域を指定し、土地の用途を制限するのと同じように、設計者は高電圧回路をグループ化し、基板の他の部分への影響を最小限にしなければなりません。高電圧と低電圧の領域を分離することで、基板でのアーク放電のリスクを低減できます。 高電圧の領域を物理的に分離する方法の1つは、周辺にinsertを追加することです。基板のレイアウトを作成する際は、insertを配置した場所にルータ加工する長穴を配置します。長穴が実装できるかどうかや、長穴の許容差については、製造業者に確認する必要があります。 基板の中で最も電圧が高い領域の近くに長穴を配置すると、過電圧になる可能性が高くなります。 Proto Express は、度重なるアーク放電に耐え得るよう長穴を設計することを推奨しています。長穴の最小幅は、基板で想定される最高電圧で 十分な保護 を確保できるものでなければなりません。長穴のサイズに少しマージンを追加すれば、コロナ放電やアーク放電で長穴の縁が炭化しても、PCBは損傷を受けずにすみます。これが重要なのは、縁がアーク放電による損傷を受けるのに伴って、PCB材料の耐性が低下するからです。 長穴は、基板の他の機能やビアと同様に、製造中にルータ加工されます。これが完了すると不活性絶縁材が長穴に追加され、垂直の障壁が形成されます。電圧が低ければPCB材料を使用できるものの、電圧が高い場合はポリエステルやテフロンなどの材料を使用したほうがよいでしょう。insertはクリップや接着剤で固定できるほか、長穴やinsertを所定の場所にロックできる形状に設計することも可能です。 高電圧の領域を分離することは、基板全体の電圧を徐々に下げるために重要 基板全体の電圧を徐々に低減 電圧の高い領域を分離した後も、残りの部分を「区画分け」して電圧を徐々に下げられるようにしなければなりません。ここでは、メインの導体の周辺に低電圧で稼働する回路を配置することで、電界を再分離できます。電界強度が低い領域では、コロナ放電やアーク放電が発生する可能性が低くなります。 高電圧設計での電界の分離には、 電圧浮動環 や電界格子環も使用できます。これらの環は、設計で保護される高電圧源のAC/DCの特性に応じて、抵抗やコンデンサーと連動したり、 終端として機能したりします。かなり高度な設計コンポーネントのため、使用を検討する場合は資料を詳しく確認することが推奨されます。 ノイズ源の分離
PLCと組み込みシステムとの比較: ユニット単価が高くてもPLCを選択すべき場合 Thought Leadership PLCと組み込みシステムとの比較: ユニット単価が高くてもPLCを選択すべき場合 評判の高い、豪華なレストランで夕食を取ったことがありますか? そのときは、かなりの金額を支払ったことでしょう。しかし、素晴らしい夕食を希望し、それを楽しめたなら、その金額は十分に価値のあるものだったはずです。これに対して、平均的な地元のレストランで、サンドイッチが予想額より20ドル高かったら、馬鹿げた話だと思うのが当然です。このような場合は、そのお金で料理教室に通い、自分で料理を作った方がずっとマシというものです。 私は電子機器設計者として、プログラマブル ロジックコントローラー(PLC)やローカライズされた組み込みシステムで同様の経験があります。PLCを、ローカライズされた組み込みシステムに置き換えることで、コストを大幅に削減できます。しかし、豪華な夕食が支払い金額に見合う価値があるように、より高価な選択肢であるPLCの方が適切な選択となる状況もあります。 PLCとその応用 プログラマブル ロジックコントローラー は産業用に特化したコンピューターです。入力信号(デジタルまたはアナログ)を監視し、論理演算を実行し、特定の出力信号を出力するようカスタムプログラムされています。PLCは堅牢であることが知られており、産業用の極端な環境や、障害がほとんど許されないようなアプリケーションで一般に使用されます。 PLCが一般的なのは、モジュール構造のためです。これによって、プラグアンドプレイの手法で簡単に組み入れできます。最も基本的な構造は、中央処理装置(CPU)、電源、入力/出力（I/O）モジュールで構成されます。PLCのプログラミングは、マイクロコントローラーのコーディングよりも簡単です。これは、製造業者から供給されるラダー図、機能ブロック図、およびソフトウェアについての構造化テキストを中心としてプログラミングが行われるためです。 PLCは産業用アプリケーションにおいて珍しいものではありません。生産ライン、交通信号、エスカレーター、HAVAシステムなどに一般的に使用されています。これらのPLCは基本的なデータ操作機能があり、 Modbus や DeviceNet など各種の通信プロトコルを対応できます。これらの機能から、自動制御システムに好んで使用されています。 PLCの設定はほとんどプラグアンププレイで行われます。 ローカライズされた組み込みシステムがPLCに置き換わることがある理由 一般に、組み込みシステムとは、ハードウェアとソフトウェアが連携動作し、アプリケーション固有の機能を提供するものと定義されます。電子機器設計者の視点からは、これはマイクロコントローラー(MCU)、メモリチップ、 電源管理回路 、通信モジュール、入力/出力機能で構成されます。 これはPLCと似ていますが、両者の間には明確な相違点があります。
1つのGND接続によって100台のMP3プレイヤーに問題が発生した理由 Thought Leadership 1つのGND接続によって100台のMP3プレイヤーに問題が発生した理由 テクノロジーは偉大なもので、確かに人生の特定の部分を楽にしてくれました。しかし、子育て、コーディング、電子機器の設計、そして時にはこのような記事を書いていると、最高のアプリを使用しても、日々のストレスを低減できなくなることがあります。例えば、私は今朝塩と砂糖を間違えて、子供の大好きなお粥に混ぜてしまいました。私の小さなミスにより、私の5歳の子供はGordon Ramseyと張り合えるくらい騒ぎ立ててしまいました。 同様に、ごく小さなミスにより、優れた設計が台無しになることもあります。非常に運が良ければ、そのミスは子供の癇癪に10分間付き合う程度の問題で済むかもしれません。残念ながら、PCB設計の世界では、これは数百もの欠陥のある設計を処理することになるのが普通です。私は5年前に、まさにこのような例を経験しました。小さな設計ミスのせいで、きっかり100台のカスタマイズされたMP3プレイヤーが、左チャンネルの音声に障害を持つことになってしまったのです。このミスは大きな苦痛であったため、今でも詳しい点を全て覚えています。 GNDが同じであっても異なる場合 MP3プレイヤー、またはオーディオをベースとする他のPCBプロジェクトの設計を開始する前に、何が重要なのかに集中する必要があります。そして、場合によってはこれは十分に明確ではありません。私は今朝、息子にお粥をあげることが目的だと考えていましたが、本当に肝心なのは正しい砂糖を入れることだったわけです。それと同様に、どのような種類の特化した集積回路（IC）を使用するかに気を取られていたところ、本当に決定的なのは電子回路における各種のGNDの重要性を知ることだったということが考えられます。大学の回路設計の講義では、電力GND、デジタルGND、アナログGNDについて学びます。 全てのGNDが同じではありません。 オーディオプレイヤーを設計するときは、アナログとデジタルのGNDを取り扱う必要があります。これらのGNDは回路図に、異なるシンボルで表示されますが、PCBレイアウトでは互いに接続されているように見えます。 GND配置 についてのいくつかのベストプラクティスを見ると、ほとんどの場合にこれらを単一の点、たとえばスター型GNDに接続することが推奨されています。 この助言を無視することは許されませんが、オーディオ設計の全体で最もやってはいけないことは、 単一のGNDプレーン を持つことです。オーディオGNDとデジタルGNDを単一の点で接続すると、オーディオチャンネルに干渉が起き、しかも原因がそこにあると判別するのは困難です。 私は、オーディオICをマイクロコントローラー（MCU）に接続している シリアルペリフェラルインターフェイス （SPI）の信号が干渉を引き起こしていることに気付かなければ、数万ドルの損失を引き起こし、大幅な修正を必要としたかもしれない経験があります。しかし、それに気づいても、100台のMP3プレイヤーに影響を及ぼす問題点を手作業で修正するため、私のチームは長時間の作業を余儀なくされました。 GNDの接続場所が重要な理由 この失敗から、私は電子機器の設計における最も大きな教訓の2つを得ました。まず、 テクニカルユーザーガイドは常に全部読む ことです。次に、各種のGNDプレーンをどこに接続するかは重要だということです。最初の教訓に従っていれば、この惨劇は避けられたでしょう。元の設計で私が失敗したのはこの部分です。 GNDプレーンでの失策は惨劇を招くことがあります。
Google Glass Enterprise Edition、業務用市場に参入 Thought Leadership Google Glass Enterprise Edition、業務用市場に参入 編集クレジット: Peppinuzzo / Shutterstock.com 誰よりも真っ先に何かをやる人はどのような気持ちになるのか、想像したことがありますか? それが険しい山頂でも月面でも、人類未踏の場所に立つことは偉大な感情を伴うのでしょう。ただし、初めての試みには数多くのリスクが付きまといます。どんなことを計画するのも自由ですが、水平線のかなたに何があるのかを目にできる方法は、実際に行ってみることだけです。長きにわたってテクノロジー業界の開拓者であり続けるGoogle（現在はAlphabet）が発売したGoogle Glassは、ヘッドアップディスプレイ（HUD）に世間の注目を集めた大胆な試みでした。初期のGoogle Glassは、開発者の予想どおりにはうまくいきませんでしたが、将来的な利用に一定の道を開きました。今回Enterprise Editionとして帰ってたGoogle Glassは、業務用としてのHUD利用を目指しています。すでにいくつかの企業が試作バージョンのGlass Enterprise Edition（Glass EE）を使用しており、その全てから効率が上がったという報告が寄せられています。この製品は、急成長中のHUDグラス市場で大きな部分を占めることを狙っています。 最初のGoogle Glass 昔は何らかの新しい場所を見つけたら、それを伝えるためにわざわざ元の場所まで戻る必要があったものです。今では、携帯電話で写真を撮り、好みのソーシャルメディア プラットフォームにアップロードするだけです。 最初のGlass は、当時すでにあったテクノロジーをさらに使いやすくしようと試みた製品でした。 Google
リアルタイムクロック設計でベストプラクティスに従うべき理由 Thought Leadership リアルタイムクロック設計でベストプラクティスに従うべき理由 目覚まし時計が午前3時15分で止まっていたせいで、学校に遅刻した経験はありませんか? 高校のとき、目覚まし時計が鳴る音はあまり心地よいものではなかったものの、母が呼ぶ大声ほどには耳障りではありませんでした。時計が止まったのは電池切れのせいだとわかっていましたが、もっと注意していれば、電池が少なくなるにつれて時計の動きが遅くなことに気付いていたでしょう。そうすれば電池が切れる前に交換して、母の金切り声を聞かずに済んだでしょうに。すっかり大人になった今では、学生時代の目覚まし時計ではなく、 リアルタイムクロック （RTC）の設計に取り組んでいます。一般に、RTCは、設定された基準に対して現在の時間を刻み続ける集積回路（IC）です。RTCは通常、メインシステムの電源が切られた後も動作を続けるように設計されており、最小限の電力しか消費しません。仮にシステムのRTCが故障した場合、その影響は母親のお説教よりもずっと悪いものになります。RTCが重要になる理由と設計時のベストプラクティスについて確認していきましょう。 RTCが組み込みシステムで重要な理由 時計が正しくないと、人事部門が困ることになります。 データ駆動型で時間の影響を受けやすい組み込みシステムは、そのほぼ全てでRTCを搭載しています。これは、特定の動作を実行するために正確な日付と時間が必要だからです。例えば、設定された時間に基づいて、異なるアクセス優先度を有効にするドア セキュリティシステムがあるとします。RTCが故障すると、正しい時間帯に作動させてもドアが開かないかもしれません。 そのほかに、記録されたイベントとアラートが、信頼できる監査証跡として使用される組み込みシステムでは、RTCが非常に重要になります。例としては、従業員の報告した日時を人事部門が追跡する出勤管理システムや、アラームイベントの記録を保持する必要のある火災警報システムが挙げられます。 RTC設計にベストプラクティスを導入していないと、大きな損害につながるおそれがあり、特に制御装置が現場に実装済みの場合はなおさらす。以前私が勤めていた職場では、駐車場システムの独立した支払い制御装置で、RTCの問題が発生したことがありました。RTCの時間が実際の時間よりも徐々に遅くなっていき、駐車料金の間違いで顧客を怒らせてしまったのです。 RTC設計で避けるべき一般的なミス RTC回路の設計には、通常5つのコンポーネントしか必要ないため、簡単な業務のように思えるかもしれません。必要なのは、専用RTCチップまたはマイクロコントローラーに組み込まれたRTC、水晶振動子、一対のコンデンサー、コイン電池です。私は、ベストプラクティスとして、次の設計ガイドラインを常に守るように心がけています。 1. 水晶振動子をできるだけRTCの近くに維持し、トレース長を可能な限り短くします。こうすることで、ノイズ結合の生じる可能性を低減できます。 2. RTCと水晶振動子の間またはトレースの下に、その他のトレースを配線しないようにします。これは、クロック信号に不要な干渉が結合しないようにするためです。 3. RTC回路の近くに 高速信号 を配線しないようにします。