はじめに
製品の構想、理論および回路設計、部品の選択から生産に至るまで、エレクトロニクス設計の各段階は他の段階と連動しています。回路図は完璧に設計され、材料も適切に選択されているように見えますが、いざプリント基板（PCB）の製造に移ると、問題が発生し始めます。どの段階で間違ったのか？素材を選び直すべきか、設計をやり直すべきか。多くの制約と困難が待ち受けています。
DigiKeyの強力なツールライブラリのいくつかのガジェットや設計補助ツールをうまく活用することで、ミスや心配事を減らし、エレクトロニクスやエンジニアリングを大幅によりシンプルに、より不確実性を少なくすることができます。簡単に製品を作るのに役立つデザインレベルのガジェットをいくつかご紹介しましょう。
プリント基板（PCB）設計
無はんだブレッドボードでの最初の回路試作の後、次のステップはPCBのレイアウト設計です。PCBは、しばしば基板として知られる絶縁層と、信号トレース、電源層、グランド層を含む導電性銅層で構成されるサンドイッチ状のボードです。配線レイアウト設計は、回路設計と同じくらい厳密です。システムの完全性を考慮し、回路の特性を理解することは、回路設計を最大限に生かし、後々の問題を回避するために必要です。トレース特性を理解することで、エンジニアはPCBに適した回路やレイヤ（層）の要件を素早く決定することができます。以下のチェックリストを参照して、2つの異なるシステムのPCB設計を行ってください。
以下は、アナログ/デジタル（A/D）変換、LCD表示、および5V外部電源を含む回路を備えた12ビットのマイクロコントローラを使用したセンシングシステムです。通電容量は高くありませんが、アナログ回路とデジタル回路の配線をそれぞれ独立させる必要があります。チェックリストを参考のために用意しました。
- コネクタに対するデバイスの配置を確認します。高速デバイスとデジタルデバイスがコネクタに最も近いことを確認してください。
- 回路には必ず最低1つのグランドプレーンを設けてください。
- パワートレースを基板の他のトレースより太くしてください。
- 電流のリターン経路を調べ、グランド接続のノイズ源の可能性を検討してください。これは、存在する可能性のあるノイズの量を決定することによって行われます。
- すべてのデバイスを適切にバイパスしてください。コンデンサをデバイスの電源ピンにできるだけ近づけてください。
- すべてのトレースをできるだけ短くしてください。
- すべての高インピーダンスのトレースをたどり、可能性のあるトレース間の容量性カップリングの問題を見つけてください。
- ミックスドシグナル回路の信号が適切にフィルタされていることを確認してください。
（出典：A Compilation of Technical Articles and Design Notes, Analog and Interface Guide, Microchip)
また、MOSFETを使った大電流電源コントローラを作る際のプリント回路基板設計の基本ルールも次に紹介します。ルートエリアが異なれば通電要件も異なるため、エリアごとにルーティングを設計することで、費用対効果も達成できます。
- スロットに電力を供給するときは、その機能をする部品（電源コントローラ、MOSFETおよび検知抵抗器）をスロットの近くに配置する必要があります。
- 負荷に十分な電流を供給してください。
- 負荷回路とセンス回路のノイズ耐性を確保してください。
- 電流センシングに関する考察をしてください。
- 温度上昇に関する考察をしてください。
- 大電流レールグループに対するディレーティング率を低減するために、トレースインピーダンスを考察してください。
（出典： PCB Layout Guidelines for Power Controllers, Texas Instruments）
上記の2つの全く異なるタイプの製品設計から、温度変化、通電容量、インピーダンス値など、トレースの幅に関する特定の要件は同じままであることがわかります。次に、必要なトレース幅とトレースインピーダンスを素早く計算するためのPCB設計用ガジェットを紹介します。
図1： DigiKeyのオンライン変換カリキュレータ
このツールは、IPC-2221の計算式を使用して、トレース温度の上昇を指定された制限値以下に抑えながら、所定の電流を流すために必要な銅プリント回路基板の導体、すなわち「トレース」の幅を計算します。トレースの長さも入力すると、総抵抗、電圧降下、およびトレース抵抗による電力損失も計算されます。
これらの計算を手作業で行う場合、まず式（1）を使って面積（A）を計算します。
IPC-2221の場合、内部層：k = 0.024、b = 0.44、c = 0.725、外部層：k = 0.048、b = 0.44、c = 0.725、ここでk、b、およびcはIPC-2221曲線へのカーブフィッティングから得られた定数です。
次に、式（2）を使って幅（W）を計算します。（注：回路基板の内部層にあるトレースは、基板の表面にあるトレースよりもはるかに大きな幅を必要とします。）
私たちのカリキュレータに必要な値を入力しさえすれば、PCB内部層または空気に触れる外部層の両方で、印刷のトレース幅（W）、抵抗値、電圧降下、および電力損失がすぐに得られます。2つの配線設計の結果の値を並べて比較します。前述の電源コントローラを例にとって、必要な通電電流（I）を0.8Aとし、周囲温度を25°C、および銅層の厚さ（t）を0.035mm（例えばMG Chemicalsの587モデル試作基板、1オンスの両面銅）、温度上昇（Trise）を10°C、トレース長を10インチ（トレースがヒートシンク領域に近接またはオーバーしない、6インチ x 4インチのPCBで想定される長さ）とした場合とします。
図2： 「PCBトレース幅変換カリキュレータ」の入力画面
計算結果を図3に示します。
図3：「PCBトレース幅変換カリキュレータ 」の計算結果表示
結果はあくまでも推定値です。実際の結果は、使用条件によって異なる場合があります。内部層と空気に触れる外部層が同時に表示され、強いコントラストが形成されるため、エンジニアが回路を設計しやすくなるだけでなく、経済的なメリットも考慮できます。内部層を使用した場合の電圧降下と電力損失は低くなりますが、より広いトレースが必要になり、つまりコストが高くなります。要件に応じてパラメータ値はいつでも変更可能で、結果は即座に更新され、比較も簡単です。
もう1つの便利なガジェットは、IPC-2141トレースインピーダンスカリキュレータです。IPC-2141 トレースインピーダンスカリキュレータを使用すると、ユーザーが基本パラメータを入力し、IPC-2141規格に従って計算されたインピーダンスを取得できるため、初期設計が容易になります。「マイクロストリップ」、「組み込みマイクロストリップ」、「エッジ結合マイクロストリップ」、「ストリップライン」、「非対称ストリップライン」、「ブロードサイド結合ストリップライン」、「エッジ結合ストリップライン」の7種類のトレースタイプが利用可能です。
| トレース タイプ |
断面図 | 概要 |
|---|---|---|
| マイクロ ストリップ |
 |
片面がグランドプレーンである単純な両面PCB設計 の場合、もう片面の信号トレースはインピーダンス を制御するように設計できます。この形状は表面マ イクロストリップ、あるいは単にマイクロストリッ プとして知られています。 |
| 組み込み マイクロ ストリップ |
 |
構造はマイクロストリップに似ていますが、信号ト レースは誘電体層の間に配置されます。このタイプ の長所は、トレースの保護性能が高く、インピーダ ンスが低いことです。短所は、このトレースタイプ はデカップリングが難しく、インピーダンスが低す ぎてマッチングしにくいことです。 |
| エッジ結合 マイクロ ストリップ |
 |
差動トレースをルーティングする一般的な手法で す。このトレース設計は、電磁干渉を低減する利 点があります。対向する低電圧差動信号電流によ って生じる電磁干渉フィールドは、互いに打ち消 し合う傾向があります。 |
| ストリップ ライン |
 |
この配置は、信号トレースを電源プレーンとグラン ドプレーンの間に埋め込んでいます。低インピー ダンスのACグランドプレーンと埋め込まれた信号 トレースは、対称ストリップラインの伝送ラインを 形成します。 |
| 非対称 ストリップ ライン |
 |
この構造はストリップラインと似ています。誘電体 層内の信号トレースは導電層のどちらか1つに近接 し、グランド層と電源層から非対称な距離に配置さ れます。一般的に、信号トレースはグランド層に近 くなっています。 |
| ブロード サイド結合 ストリップ ライン |
 |
BGA（Ball Grid Array）領域で一般的に使用され、 幅、トレース間の距離、および導電層からの距離 が等しい2本の平行トレースで構成されます。隣接 する信号層に配線された差動ペアの場合、トレース が重なるとブロードサイドカップリングが強くなり ます。 |
| エッジ結合 ストリップ ライン |
 |
このタイプは2本の信号線からなります。どちらの 信号トレースも対称ストリップラインです。トレー ス間には若干のカップリングがありますが、これは 同じ信号層上に配線された2つの差動ペアを指します。 |
表1： トレースタイプの断面図と概要
例
カリキュレータでトレースタイプを選択した後、必要なパラメータを入力してターゲットインピーダンスを求めます。この例では、マイクロストリップが選ばれています。既知のパラメータは以下の通りです。
- トレース幅（w） = 8.693mil（0.22mm）；トレース厚み（t） = 0.035mm；高さ（h） = 0.79mm
- 比誘電率（εr） = 4.2（データシートを参照、比誘電率@1GHz）
目標インピーダンス（Zo） = 114.0170Ωが得られます。
図4： 「IPC2141トレースインピーダンスカリキュレータ」の計算結果表示
このガジェットのもう1つの利点は、「トレース幅」を逆に求めることができることです。例えば、インピーダンスマッチングのために50Ωになるトレース幅を見つける必要がある場合、最適なトレースタイプとPCB要件を簡単に見つけることができます。
SMD（面実装デバイス）コードカリキュレータ
PCBの配線設計が完了し、BOMの材料を選択したら、次の部品購入は重要なステップです。多くのエンジニアは、コスト削減のために古い部品を使い続けているかもしれません。しかし、マーキングによる部品識別は、面倒で時間のかかるプロセスです。部品を識別する方法として、表面マーキングやシルクスクリーン印刷が一般的に用いられています。「抵抗器カラーコードカリキュレータ」は、長年の標準的なアキシャルスルーホール抵抗器のカラーコード識別のためのものです。今回は、SMDコードを識別するための2つのガジェット、すなわちSMDコンデンサコードカリキュレータとSMD抵抗器コードカリキュレータを紹介します。
どちらのカリキュレータも3つのコードフォーマット（3桁EIA、4桁EIA、EIA-96/EIA-198）を利用することができます。コードフォーマットを選択し、抵抗器/コンデンサの表面マーキング/スクリーニング番号または文字を選択するか、または抵抗器/コンデンサの値を直接入力し、実際のマーキングを逆検索します。数値入力の際には、正しい単位を選択してください。抵抗単位のオプション：SMD抵抗器コードカリキュレータではΩ、kΩまたはMΩ、SMDコンデンサコードカリキュレータ ではmF、μF、nFまたはpFの容量単位が選択できます。
図5：「SMD抵抗器コードカリキュレータ」と「SMDコンデンサ
コードカリキュレータ」の単位オプションの画面
3桁EIA、4桁EIA、およびEIA-96規格のアプリケーションに関する詳細な説明や、そこから学ぶべき例をお知りになりたい場合は、以下の2つのTechForumの投稿をお読みください。 - 「面実装型抵抗器のパーツマーキング」および「SMD抵抗器のコードの読み取り」
EIA-198
部品サイズがますます小さくなる傾向にあるため、表面スペースには2つのコードしか入らないことがあります。EIA-198方式の部品表示では、2文字（数字1文字、文字1文字）を使用し、文字が値を、数字が乗数を表します。ただし、いくつか注意点があります。
- このシステムでは大文字と小文字が区別されます。小文字のアルファベットを使うことで、IやOといった厄介な文字の多くを排除できることに気づくでしょう。それらの文字は、1および0と混同しやすいのです。
- コンデンサのコードは、他のコードのように容量値を直接示すものではありません。最初の桁は静電容量に使用されます。
- 注意：このシステムはピコファラド単位で測定されていますが、乗数コードは他の2つの方法で使用されているものより1つ多くなっています。
例えば、マークが 「G4 」の場合、コードは 「G」 = 1.8、「4」 = 104となり、静電容量は 「1.8」×104=18000 pFまたは18 nFとなります。（3桁表示の場合は、「183」となります）
コード番号と乗数文字の詳細については、 Knowles’ EIA-198 Standard Marking Code Tableを参照してください。
まとめ
上記でご紹介したガジェットは、DigiKeyオンラインツールライブラリのごく一部に過ぎません。今後、さまざまなタイプの変換器やカリキュレータを紹介していく予定です。カリキュレータは非常に広範なデータリファレンスを提供しますが、ヒートシンクのインダクタンスや熱効果、アナログ/デジタルグランド管理や信号の減衰、および破損または古い抵抗器やコンデンサの識別など、実際のアプリケーションの問題を考慮していません。しかし、一般的には、これらのガジェットをうまく活用すれば、優れた助けとなるでしょう。
PCB設計や抵抗器/コンデンサの識別に関する詳細な技術情報については、以下のリンクをクリックしてください。また、記事の最後にディスカッションのためのメッセージを残していただければ幸いです。
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