エンジニアがPCB設計で陥りがちな最も一般的なミス

エンジニアリングにおけるミスは決して完全には避けられません。そうしたミスが、PCB設計能力の低さや卓越性の欠如を意味すると考えるのは愚かなことです。しかし、多くのエンジニアが犯しがちなミスの大半は、システム効率、信号の完全性、低消費電力、コスト削減といった点を過度に考慮することから生じています。言い換えれば、これらのミスは「善意」から生まれるのです。したがって、その「善意」を自覚し、タイミングよくそうしたミスを回避することは、プロジェクトを円滑に遂行するうえで非常に有益です。

システム効率

間違い1：CPUを無作為に交換する

一部のエンジニアは、基本周波数が 100M の CPU の処理能力がわずか 70% にとどまっていることを観測し、これを 200M のものに変更したいと考えています。実際には、システムの処理能力にはあらゆる要素が関係しており、通信分野ではボトルネックは常にメモリ側に発生します。つまり、CPU の動作速度がいくら高くても、低速な外部アクセスがある場合には、結局は無駄な努力になってしまうということです。

誤り2：キャッシュを大きくすればシステムの速度が向上する。

キャッシュの改良は必ずしもシステムの高い性能につながるわけではなく、場合によってはキャッシュを無効にしたほうが、キャッシュを使用するよりもシステムの動作が高速になることがある。これは、キャッシュに移動されたデータが、システム効率を向上させるためには複数回利用されなければならないためである。そのため一般的に、命令キャッシュのみが有効化され、データキャッシュは有効化されている場合でも、一部の記憶領域に限定して使用される。

間違い3：問い合わせより割り込みの方が速いと信じてしまうこと。

割り込みには強い即時性があるが、必ずしも高速であるとは限らない。割り込み処理が多すぎると、割り込み処理の不連続性の結果としてシステムはすぐに破綻してしまう。頻繁なタスクが多い場合、CPU の多くのリソースが割り込み処理のコストに費やされるため、システム効率は極端に低下する。代わりにポーリングを適用すれば、システム効率は大きく向上する。しかし、ポーリングでは即時性の要求を満たせない場合もあるため、最良の方法は、割り込み処理の過程でポーリングを適用することである。

誤り4：メモリインターフェイスのタイミングシーケンスは変更する必要がない。

メモリインターフェイスにおけるデフォルト値は、すべて最も保守的なパラメータによって決定されており、実際の応用では、バスの動作周波数や待ち時間に応じて適切に修正する必要があります。場合によっては、周波数を下げることで効率が向上することがあります。

誤り5：CPUを増やせば処理能力が向上する。

よく「二人寄れば文殊の知恵」と言われますが、CPU に関してはたいてい当てはまりません。CPU の数は、システムを完全に理解するまで決定することはできません。というのも、CPU 間の協調には多大なコストがかかる可能性があるからです。

シグナルインテグリティ

間違い1：シミュレーションデータを過信すること。

シミュレーションは実際の対象と完全に同一にはなり得ず、同一ロット内であっても同じ製品の間に差異が生じる場合があります。さらに、シミュレーションは、特にクロストークを含むあらゆる可能性を考慮しきれません。したがって、シミュレーション結果はあくまで参考値としてのみ扱うことができます。

誤り2：デジタル信号のエッジはできるだけ急峻であるべきだ。

エッジが急峻であればあるほど、スペクトル帯域は広くなり、高周波成分のエネルギーも増加します。その一方で、高周波信号が放射する電磁波も増え、リード線上で伝送品質の悪い他の信号に干渉しやすくなります。したがって、可能な限り低速のチップを使用すべきです。

誤り3：デカップリングコンデンサはできるだけ多く配置すべきである。

一般的に、デカップリングコンデンサの数が多いほど、電源はより安定します。しかし、コンデンサが多すぎると、コストの無駄、配線の困難さ、電源投入時の突入電流の増大といった欠点も生じます。デカップリング容量設計の要点は、適切な選定と配置にあります。

エネルギー消費

誤り1：220V電源の場合の消費電力問題を軽視すること

低消費電力設計の目的は、省電力だけにあるのではなく、電源モジュールおよび放熱システムのコスト削減にもある。エネルギー消費の問題を扱う際に電源だけを考慮するのは明らかに不十分である。なぜなら、エネルギー消費は主に電流量と部品の温度によって決まるからである。

誤り2：すべてのバス信号は抵抗でプルアップ（またはプルダウン）しなければならない。

場合によっては、信号を抵抗でプルする必要がありますが、すべての信号に必要なわけではありません。純粋な入力信号をプルアップまたはプルダウンした場合に消費される電流は数十マイクロアンペア程度ですが、駆動されている信号をプルアップまたはプルダウンした場合に消費される電流はミリアンペアレベルに達します。もしすべての信号を抵抗でプルした場合、抵抗で消費されるエネルギーがより多くなってしまいます。

間違い3：未使用のI/Oインターフェースを未処理のまま放置する

CPUおよびFPGA上の未使用のI/Oインターフェイスは、外部環境からわずかな干渉を受けただけでも、繰り返し振動する入力信号となる可能性があります。さらに、MOS素子の消費電力は基本的にゲート回路の反転回数に依存します。したがって、その最良の解決策は、それらのインターフェイスを、ドライバを持つ信号に接続してはならない出力として設定することです。

間違い4：小型チップの消費電力を考慮しないこと

システム内部の比較的単純なチップの消費電力を特定するのは困難です。というのも、消費電力は一般的にピンに流れる電流によって決まるからです。例えば、ABT16244 の無負荷時の消費電流は 1mA 未満です。しかし、その各ピンは 60mA の負荷を駆動することができ、フルロード時の最大消費電流は 960mA に達する可能性があります。消費電力には大きな差が生じます。

間違い5：優れたマッチングによってオーバーシュートは排除できる。

オーバーシュートは、100BASE-T や CML のような特殊な信号を除き、ほとんどすべての信号に存在します。オーバーシュートがそれほど大きくない限り、マッチングは必須ではありません。マッチングを行うと、極めて高い要求が生じます。例えば、TTL の出力インピーダンスは 50Ω 未満で、中には 20Ω のものもあり、そのような低インピーダンスに対して大きな終端マッチングを行うと、電流が非常に大きくなり、消費電力が受け入れられないレベルになります。さらに、信号振幅が非常に小さくなり、再利用できなくなってしまいます。ちなみに、一般的な信号では、出力が High レベルと Low レベルのときで出力インピーダンスが同じではなく、完全なマッチングを得ることも不可能です。したがって、TTL、LVDS、422 などの信号間では、オーバーシュートを許容することができ、これが最良の解決策となります。

間違い6：エネルギー消費の問題はハードウェアだけに起因すると考えてしまう。

システムにおいて、ハードウェアは舞台を整える役割を担い、ソフトウェアはその上で上演される劇において重要な役割を果たします。各チップへのアクセスや各信号の反転は、ほぼソフトウェアによって制御されています。適切な対策を実装することで、エネルギー消費の削減に大きく貢献することができます。

コスト削減

ミス1：プルアップ／プルダウン抵抗の抵抗値精度を軽視すること

一部のエンジニアは、プルアップ／プルダウン抵抗の抵抗値精度は重要ではないと考えています。例えば、計算がしやすいという理由で、5K を適当に選ぶ傾向があります。しかし実際には、市場には 5K の抵抗値は存在せず、最も近いのは 4.99K（精度 1%）と 5.1K（精度 5%）であり、それぞれのコストは 4.7K（精度 20%）の 4 倍と 2 倍になります。それにもかかわらず、精度 20% の抵抗は 1K、1.5K、2.2K、3.3K、4.7K、6.8K の種類しかありません。精度 20% の 4.7K と比べると、精度 1% の 4.99K や 5.1K の方が明らかにコストパフォーマンスに優れています。

誤り2：表示灯の色をランダムに選択する

一部のエンジニアは、自分の好みに基づいて表示灯の色を選択します。しかし、赤・緑・黄・オレンジ色の表示灯の技術は、すでに数年にわたって開発されており、その価格も非常に低くなっています。これに対して、青色表示灯は技術的成熟度が比較的低く、供給の信頼性も低いうえ、価格は4～5倍と高価です。現在のところ、青色表示灯は、映像信号の表示のように他の色では代替できない用途にのみ使用されています。

間違い3：最高評価だけを目的としたCPLDの適用

一部のエンジニアは、最上位グレード向けに 74** のゲート回路の代わりに CPLD を適用します。しかし、それはコストの増大と、生産および関連資料における膨大な作業を招くことになります。

間違い4：最速のMEM、CPU、FPGAを追い求めること

高いシステム要件に直面すると、エンジニアは MEM、CPU、FPGA など、すべてのチップが最速でなければならないと考えがちである。実際には、高速システムにおいても、すべての部分が高速で動作しているわけではない。さらに、コンポーネントの動作速度を向上させることは、コストの増大と信号品質への大きな悪影響を招く。

間違い5：自動ルーティングだけに頼ること

ためPCB設計設計要件が低い場合、一部のエンジニアは自動配線のみに頼ってしまいます。自動配線は、手動配線を用いた場合に比べて、PCB 面積が大きくなり、スルーホールビアの数も数倍に増加する傾向があります。配線幅やスルーホールビアの数は、PCB の歩留まりやドリルの消耗に直接影響するため、コストにも大きく影響します。コストを抑制するためには、手動配線を最大限に活用することが望ましいです。

PCB設計ファイルをお送りいただくだけで、高品質なプリント基板を迅速かつ低コストでご提供します！

中国を代表するPCBメーカーの一つとして、PCBCartは20年以上にわたりエレクトロニクス業界にサービスを提供してきた経験を有しており、あらゆるカスタム設計回路を、期待されるすべての機能と性能を備えたプリント基板へと迅速に具現化することが可能です。 また、リードタイム、予算管理、カスタムテストに関して、お客様の特別なご要望にお応えすることも非常に得意としています。 下のボタンをクリックしてPCBのコストをお見積もりいただくか、あるいは単にこちらからお問い合わせください詳しい情報および手動でのお見積りについては。

FR4基板オンライン製造見積もり

無料PCBアセンブリ見積もりを依頼

役立つリソース
•必ず知っておくべき主要なPCB設計ルール
•一般的によく見られるPCB設計上の問題
•PCB設計プロセスにおける起こり得る問題とその解決策
•高品質なPCBを設計する方法
•PCBCart のフル機能 PCB 製造サービス - 複数の付加価値オプション
•PCBCart の高度な PCB アセンブリサービス - 1 個から対応