電子設計 - PCB設計のコア問題解決方案

PCB設計とは、原理図と回路レイアウトを設計することにより、できるだけ低コストで回路基板を生産することを意味します。かつては高価な専用ツールの助けを得て完成することが多かったが、現在では、無料の高性能ソフトウェアツールや設計モデルの普及に伴い、回路基板デザイナーの設計速度が大幅に加速している。

エンジニアリングデザイナーは完璧な設計案が問題を回避する最善の方法であることを知っているが、これは依然として時間とお金を浪費し、同時に根本的な解決ができない。たとえば、電磁互換性（EMC）テストの段階で問題が見つかった場合、元の設計を調整して再構築する必要さえあるほどのコストがかかり、数ヶ月かかります。

レイアウトは設計者が直面しなければならない最初の問題です。この問題は図面の内容の一部に依存し、論理的な考慮に基づいていくつかのデバイスをセットアップする必要があります。しかし、センサなどの温度に敏感な部品は、電力変換器を含む熱を発生させる部品とは別に設置されなければならないことに注意すべきである。さまざまな電力設定を備えた設計では、12ボルト電力変換器と15ボルト電力変換器は、発生する熱や電子ノイズが他のコンポーネントや回路基板の信頼性や性能に影響を与えるため、回路基板上の異なる位置に配置することができます。

上記の素子は回路設計の電磁性能にも影響を与える。これは、回路基板の性能やエネルギー消費量だけでなく、回路基板の経済性にも大きな影響を与えます。そのため、ヨーロッパで販売されているすべての回路基板デバイスは、他のシステムに干渉しないことを証明するためにCEフラグを取得する必要があります。しかし、これは一般的に電源の面だけであり、DC-DCコンバータや高速データコンバータなど、多くのデバイスがノイズを発生します。回路基板設計における欠陥のため、これらのノイズはチャネルによって捕捉され、小型アンテナとして放射されることができ、それによって雑音と周波数異常領域が生じる。

遠視野電磁干渉（EMI）の問題は、ノイズポイントにフィルタを取り付けるか、金属ハウジングを使用して信号を遮蔽することで解決することができる。しかし、回路基板上で電磁干渉（EMI）を解放できる装置には十分な関心が寄せられており、これにより回路基板がより安価な筐体を選択できるようになり、システム全体のコストを効果的に削減することができる。

回路基板設計の過程で、電磁干渉は確かに真剣に対処しなければならない要素である。電磁クロストークはチャネルと結合し、信号をノイズに干渉し、回路基板の全体的な性能に影響を与える可能性がある。結合ノイズが高すぎると、信号が完全にカバーされる可能性があるので、通常に戻すには、より高価な信号増幅器をインストールする必要があります。しかし、回路基板設計当初に信号回路レイアウトを十分に考慮することができれば、上記の問題を回避することができる。回路基板の設計は、デバイス、使用場所、放熱要件、電磁干渉（EMI）条件によって異なるため、設計テンプレートが役立ちます。

容量も回路基板設計において無視できない重要な問題の1つであり、容量は信号の伝播速度に影響を与え、消費電力を増加させるためである。チャネルは、隣接する回路と結合されるか、2つの回路層を垂直に通過し、意図せずにコンデンサを形成する。平行線の長さを減らし、一方の線にねじれを加えて結合を切断するなどして、上記の問題を比較的容易に解決することができる。しかし、これはまた、回路の曲げ角度が大きすぎて発生するノイズ放射を回避しながら、設計が製造しやすいことを確保するために、エンジニアリング設計者が生産設計の原則を十分に考慮することを要求している。ワイヤ間の距離が近すぎることもあります。これにより、ワイヤ間に短いループ、特にワイヤの曲がったところが生成されます。時間が経つにつれて、金属の「ひげ」が現れる。設計規則検出は通常、ループリスクが通常より高い領域を示すことができる。

この問題は地表面の設計の中で特に際立っている。金属回路層は、その上と下のすべての線に結合される可能性があります。金属層はノイズを効果的に遮断することができますが、金属層は関連する容量を生成し、これは線の動作速度に影響を与え、電力消費量を増加させることができます。

多層回路基板の設計については、異なる回路基板層間のスルーホール設計が最も論争的な問題である可能性がある。スルーホール設計は回路基板の生産に多くの問題をもたらすからである。回路基板の各層間のスルーホールは信号の性能に影響を与え、回路基板設計の信頼性を低下させるため、十分に重視すべきである。

ソリューション：

PCBの設計過程では、様々な問題を解決するために多くの異なる方法を採用することができる。ここで、ノイズを低減するために回路レイアウトを調整するなどの設計自体の調整があり、プリント基板のレイアウトに用いる方法もある。設計コンポーネントはレイアウトツールを使用して自動的にインストールできますが、自動レイアウトを手動で調整できる場合は、回路基板設計の品質向上に役立ちます。この措置により、設計規則検出は技術文書によって回路基板の設計が回路基板メーカーの要求を満たすことができることを確保する。

異なる回路基板層を分離することで、関連する容量を低減することができる。しかし、これにより回路基板層の数が増加し、コストが増加し、より多くのスルーホールの問題がもたらされる。直交グリッド電源システムと接地回路設計を使用すると回路基板の物理的なサイズが増加する可能性がありますが、2層回路基板における接地層の役割を効果的に発揮し、回路基板製造の容量と複雑さを低減することができます。

多くのPCB設計ツールはエンジニアリングデザイナーが設計当初に多くの問題を解決するのに役立ちますが、エンジニアリングデザイナーはプリント基板（PCB）の設計要件を十分に理解する必要があります。例えば、プリント基板（PCB）エディタが設計当初に基板の層数を理解する必要があった場合、例えば、2層基板は接地層と電源層を必要とし、2つの独立した層からなる。自動構成部品レイアウト技術は非常に便利で、設計者がデバイスのレイアウト領域を設計するのに時間をかけるのに役立ちます。例えば、電源装置が敏感な信号線や温度の高い領域に近すぎると、多くの問題が発生します。同様に、信号線も自動的に配線することができ、ほとんどの問題を回避することができます。しかし、高リスク領域の分析と手動操作は、プリント基板（PCB）の設計品質を大幅に向上させ、収益を高め、全体的なコストを削減するのに役立ちます。

設計規則検出も非常に強力なツールであり、線間の距離が近すぎず、ループが短すぎないようにするために線を検出することができます。しかし、全体的な設計は依然として高い経済的価値を持っている。設計計画検出ツールは、大きな相関容量領域を回避するために、電力層と接地層を検出し、調整するためにも使用することができる。

これらのツールは、GerberとExcellonにも役立ち、回路や回路基板を印刷したり、穴を開けたりして、最終的な設計製品を生産するのに役立ちます。このようにして、技術文書は回路基板メーカーと密接に接続されています。

要約：

PCB設計の過程で多くの問題を考慮する必要があり、PCB設計ツールはその多くの問題を効果的に処理することができる。いくつかのベストプラクティスガイドを採用することにより、エンジニアリングデザイナーは効率的にコストを削減し、回路基板の信頼性を向上させることができ、同時にシステム仕様を満たし、より低コストで偏向システム認証を取得することができ、それにより多くの問題を回避することができる