PCB設計における最も一般的な問題とその解析

PCB（プリント基板）は電子製品の中核となる存在であり、小型から大型まで、コンピュータ、通信機器から軍事用ハードウェアに至るまで、さまざまな分野のほぼすべての機器に用いられています。簡単に言えば、PCB は電子製品の機能を実現するうえで重要な役割を果たしています。

それにもかかわらず、回路基板を設計することは決して容易な作業ではなく、層間、部品間、あるいは回路同士の多くの関連性を適切に処理しなければなりません。十分に考え抜かれていない設計は、電子システム内部で動作している際に、不具合や場合によっては大きな障害を引き起こす可能性があります。PCB 設計そのものが本質的に難しいという点はあるものの、一般的によく発生する問題はいくつか要約することができ、すべての PCB 設計者がそれらを事前に把握し、PCB 製造段階に入る前に対処方法を身につけることができます。

注記: 本記事では、～の参加に基づいて、PCB設計上の問題とその解決策について説明しますAltium Designer ソフトウェア。

回路図上のPCB設計の問題

問題1：ERCレポートによると、ピンにアクセス信号がありません。
分析:
a. パッケージを確立する際には、I/O をピン上で定義する必要があります。
b. コンポーネントを配置または設置する際、不整合の属性を変更して、ピンやラインが固定されずに自由な状態を保つようにすることができます。
c. コンポーネントを取り付ける際、ピンが逆方向の影響を受けます。

問題2：コンポーネントは紙の範囲を超えている。
分析:コンポーネントライブラリの用紙の中央にファイルが作成されません。

問題3：作成されたエンジニアリングファイルのネットリストは、PCB に部分的にしかアクセスできません。
分析:ネットリストを生成する際に、「global」の項目が拾われません。

問題4：コンポーネントが回転しない。
分析:入力方法を切り替える必要があります。

PCB上のPCB設計問題

問題1：ネットワークロードの過程で、報告ノードが発生しない。
分析:
a. 回路図内のコンポーネントが、部品ライブラリに存在しないパッケージを利用している可能性があります。
b. 回路図内のコンポーネントが、部品ライブラリで使用されているものと互換性のないパッケージを使用している。

問題2：DRCレポートネットワークはいくつかのセクションに分割されています。
分析:この問題は、このネットワークが接続されていないことを示しており、CONNECTED COPPER を使用してファイルを通過できることを示しています。

問題3：運用の過程では、ブルースクリーンの使用はできるだけ少なくする必要があります。
分析:ファイルは何度でもエクスポートして新しいDDRファイルを生成できるため、ファイルサイズを削減できます。複雑なPCBを設計する場合、自動配線は推奨されません。

配線はPCB設計において非常に重要なステップであり、その前のすべての工程は配線のための準備である。PCB設計においては、配線が最も高い要求を受ける。PCB配線は片面配線、両面配線、多層配線に分類できる。配線方法としては、自動配線と対話式配線の2種類がある。自動配線の前に、比較的複雑なシステムに対してはあらかじめ対話式配線を用いることができる。入出力端子の配線は、RF干渉が発生しないよう互いに平行になることを避けるべきである。必要に応じてグランド線を追加し、隣接する2層間の配線は互いに直交させるべきである。平行な配線は寄生結合を生じやすい。自動配線の配線率は、十分に練られたレイアウトに依存し、配線ルールは事前に設定することができる。一般的に、まず問い合わせ型（インクワイアリ）配線を行い、全体として配線経路を最適化する。その後、配線済みのラインをクローズし、全体的な効果を高めるために再配線を実施する。部品実装密度の高いPCB設計に関しては、スルーホールだけでは多くの配線チャネルが無駄になり、対応することはほとんど不可能である。そのため、盲目で埋もれて経由テクノロジーが開発されました。これらはスルーホールのように機能するだけでなく、多くの配線チャネルも節約します。その結果、配線はより容易で、スムーズで、そして優れたものになります。

干渉に関するPCB設計上の問題とその解決策

電子機器のデバッグおよび応用の過程では、常にさまざまな要因に起因する干渉が発生する。その中でも、環境による干渉を除けば、不合理な配線や不適切な部品配置が、最も多くの干渉を引き起こす。干渉は、電子機器が正常に動作できなくなったり、さらには故障を招いたりする可能性がある。したがって、PCB設計段階で起こり得る干渉を抑制しておく必要がある。

問題1：グラウンドライン干渉の発生と制御

分析と解決策：

接地線がゼロ電位を示している場合、回路全体の各接地点の相対電位差もゼロであるべきです。しかし、電位差を完全にゼロに保つことはほぼ不可能であり、ごくわずかな電位差であっても、増幅回路によって拡大されることで干渉信号となり、回路全体の正常な動作に影響を及ぼす可能性があります。

干渉を抑制するためには、次の方法を用いることができる。 a. 正しい接地ガイドラインに従うこと。 b. デジタルグランド線とアナロググランド線を分離すること。 c. グランド線を可能な限り太くすること。 d. 接地面を可能な限り広く（塗りつぶし）すること。

問題2：権力の干渉と抑制

分析と解決策：電源干渉は、おそらく非合理的な回路設計、配線、またはレイアウトに起因している可能性があります。したがって、配線時には AC ループと DC ループを互いに接続してはならず、グランド線を大きなループと平行に走らせるべきではありません。さらに、電源ラインと信号ラインは互いに近づけすぎず、決して平行にしてはいけません。必要に応じて、電源出力端子と機器の間にフィルタを追加することができます。

問題#3：EMI（電磁干渉）とその抑制

部品が高密度に配置されているため、不合理な設計が行われると、分布定数による干渉や部品間のEMIなどの電磁干渉が発生する。さまざまな干渉を抑制するために、それぞれに対応した対策を講じる必要がある。

分析と解決策：

a. プリント回路間の寄生結合。短い距離で並行して配置された2本のリード間の分布定数の影響は、相互に結合したインダクタンスおよびキャパシタンスの効果と同等である。一方のリードを信号が流れると、他方のリードによって誘導信号が生成される。そのため、PCB設計において信号線同士を決して平行に配置してはならず、あるいはシールド線を用いて微弱な干渉信号を抑制し、干渉を防止することができる。

b. 磁気部品間の干渉。スピーカーや電磁石は直流磁界を発生し、高電圧トランスやリレーは交流磁界を発生する。これら両方の磁界は周辺部品やプリント配線に干渉をもたらすため、状況に応じてそれぞれに対応した抑制対策を講じることができる。
・磁気ラインによって生じる印刷ライン上の切断は、減らす必要があります。
・2つの磁気部品の位置は、2つの異なる磁気方向に沿って互いに垂直を保ち、2つの部品間の結合を低減する必要があります。
・干渉源には磁気シールドを施し、シールドカバーは確実に接地してください。

問題4：熱干渉と拘束

分析と解決策：高出力の機器が動作しているとき、回路内には熱源が生じるほど高温になることが多く、プリント基板に干渉をもたらします。したがって、温度に敏感な部品は、配置の際に発熱部品から離して配置する必要があります。PCBレイアウト設計発熱源は、発生した熱が伝達したり放熱が生じたりするのを防ぐために、基板外側の空気側に配置する必要があります。必要に応じて、放熱シートを装備してください。

PCB 設計は複雑であり、層、部品、回路の間で正確な連携が求められます。不適切な設計は、機能上の問題や故障につながる可能性があります。回路図の不備、配線の非効率性、干渉問題など、一般的な設計上の課題を特定することで、設計者は想定される問題に効果的に対処し、安定性と信頼性の高い製品を提供できるようになります。

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