PCB のヒントとコツ

あなたの視点、作業スタイル、およびこれまでの経験によっては、プロジェクト用のカスタム PCB は開発プロセスの開始時にすぐに注文する必要があると考えるかもしれません。 アイデアを思いつき、回路図を描き、基板をレイアウトし、注文して（または自分でエッチングして）組み立てます。 PCB が完璧であっても、まったく別のレベルの問題を見落としていることがよくあります。 次に、もう 1 つ注文し、続いて 3 つ目、さらには 4 つ目を注文する必要があります。 反復のたびにプロジェクトの予算が少しずつ消費され、期限が迫ってきます。 これを避けるために、私は通常、最初の PCB へのコミットをできるだけ長く延期します。

回路自体を何らかの方法でチェックしてテストする必要があります。 最初のテスト設定がどれほどネズミの巣のように見えても、すべてが正常に機能しているかどうかについて重要な洞察が得られます。 多くの場合、標準のプロトタイピング プラグ ボードに配線されたコンポーネントがここで機能します。 あるいは、ストリップボードを使用することもできますが、私はブリキの蓋の上に構築された「ハリネズミ」構造を好む場合があります（図1 ）。 これにより、適切なグランドプレーンが得られ、はんだ付け接続により、不安定なコネクタ接触による断続的な障害が発生することはありません。 すべてが最適に動作するまで、コンポーネントの値を簡単に変更できます。 回路が不安定であることが判明した場合は、信号経路に沿った点でデカップリング コンデンサと小さな値のコンデンサをグランドに供給する最適な場所を見つけ出すことができます。

マイクロコントローラーベースのプロジェクトに取り組む場合、通常は既製の開発ボードから始めます。 この場合、外部コンポーネントを接続して全体の機能を仮テストし、ファームウェアを開発することができます。 多くの場合、干渉耐性のための予防措置を含める必要があるかどうかを確認するのは簡単です。 EMC の問題は、ラジオで聞こえる干渉信号を生成することで明らかになります。 回路が近くの干渉源に対してひどく反応していることにすでに気づいているかもしれません。 これは、基板レイアウトにおいて干渉耐性に特別な注意が必要であることを示しています。多くの場合、完成した基板サイズと、コンポーネントとコントロールの配置可能性をよりよく把握するために、ブレッドボード上にコンポーネントを配線します。電源と信号用のソケットもあります。 これは便利なプロトタイプになります (図2 ）。 クライアントはこれを使用して初期テストを実行し、簡単にテストできる変更を提案することもできます。 回路が完成したら、PCB に注目することができます。 これまでは回路の構築におそらく有線コンポーネントが使用されていましたが、最終的な PCB には SMD が使用される可能性が高くなります。 グランドプレーンがないため、ブレッドボードのレイアウトはおそらく EMC 的に最適化されていませんが、まだ改善の必要があることがわかりました。

おそらく、スケッチの形で回路図をすでに持っているでしょう。 ただし、すべての PCB 設計ソフトウェア ツールでは、最初に回路図を入力する必要があります。 各コンポーネントは非常に正確に指定する必要があります。 「抵抗 10 kΩ」では不十分です。たとえば、サイズ 0805 の SMD 抵抗など、パッケージの詳細を指定する必要があります。類似したコンポーネントが多数あるため、適切なコンポーネントを選択するのは非常に時間がかかることがよくあります。 これは、特にコネクタ、スイッチ、ポテンショメータなどに当てはまります。 また、選択したコンポーネントが実際に利用可能であることを判断し、PCB レイアウト上のそのアウトラインが正しいことを確認することも必要です。 美しく新品の PCB の穴の間隔が間違っていて、USB ソケットがボードに適合しないことに気づくととてもイライラします。 コンポーネントを選択するときは十分に注意してください。SMD 抵抗とコンデンサを使って作業しているときに気づいたのは、画面上では非常に大きくて扱いやすいように見えるため、実際のサイズを誤って判断しやすいということです。 これは、ボードに手動でデータを設定する場合に問題になる可能性があります。 少なくとも手ではんだ付けする場合、最小のコンポーネントには問題が発生します。 現実性を簡単にチェックするために、机上に部品の例をいくつか用意しておく必要があります。 個人的には、0805 のアウトラインがはんだ付けしやすいと思います。 スペースを節約するために 0402 サイズのコンポーネントを使用して設計されたプロジェクトを覚えています。 プロトタイプを構築するためにコンポーネントをはんだ付けするのは非常に難しいことが判明しましたが、PCB が組み立てられた状態で納品されれば、この状況はもちろん回避できます。すべてのコンポーネントを選択したら、すべての接続を含む回路図を描くことができます。 ちなみに、後で回路基板を描くときにエラーが発生した場合は、必ず回路図に戻って最初に変更を加える必要があります。 基板レイアウト ソフトウェアは、PCB トラック レイアウトが回路図と一致することを常に保証します。

さて、回路基板へ。 まず、設置する物理スペースを確認して、寸法を決定し、両面回路基板が必要かどうかを確認する必要があります。 丸い角や特殊な輪郭形状などの機能を定義できるようになりました。 これらは後で変更できますが、最初から寸法を正確に取得しておくと簡単です。通常、両面ボードが標準です。 片面回路基板にはコスト上の利点はほとんどありませんが、自分でエッチングする場合はプロセスを簡素化できます。 ほとんどの場合、最初の段階では、手間を省くために、PCB サービス プロバイダーに 5 ～ 10 個のサンプルを注文するだけです。 一部の PCB サプライヤーはプロトタイプの組み立ても提供しています。 この場合、どのコンポーネントが取り付けられるかを事前に確認し、回路図を作成するときにそれを考慮してください。アウトラインが定義されたら、すべてのコンポーネントを回路図からインポートし、最初に画面上の PCB アウトラインの隣に配置できます。 。 次に、それらを回路基板上に 1 つずつ移動し、適切な配置を探すことで、最短かつ最も直接的な PCB トラックが得られます。 ここでは、事前にブレッドボード上にすべてを構築している場合に有利です。 これで、反対側へのビアを回避できるように、交差するトラックの数を最小限に抑えてコンポーネントを配置する方法がすでにわかりました。すべてのコンポーネントを配置したら、自動ルーターを開始できます。 次に、ソフトウェアは回路図のようにすべてのコンポーネントを接続しようとします。 ただし、他の観点から見ると、回線のルーティングが最適ではないことが容易に起こります。 グランド ラインが長すぎて絡み合っているか、バイパス コンデンサを介した VCC と GND 間の「最短」パスが長すぎて、効果的なループ アンテナを形成している可能性があります。 EMC 問題は避けられません。少なくとも、事前にアースと電源ラインを自分で敷設し、それから自動ルータを起動する必要があります。 私はさらに一歩進んで、すべての線を手動で配線することを好みます。 とりわけ、非常に単純な回路は通常、明確な構造を持っています (図3) 簡単に実装できます。

連続的なグランドプレーンは非常に役立ちます。 このために、GND に接続された回路基板の下側に連続した銅表面を作成できます。 信号を運ぶすべてのトラックは、可能な限り上部に留まります。 2 つのトラックが交差することが避けられない場合、一方のトラックはメッキされたスルー ホール (ビア) を備えたパッドで終わり、信号は下方のプレーン上の小さなトラックに配線され、その後別の点で再び上方に配線されます。 おそらくすべての供給線路を水平に、信号搬送線路を可能な限り垂直に走らせる線路レイアウトでシステムを確立することは理にかなっています。 電圧降下を最小限に抑えるために、グランドプレーンの断線はできるだけ短くする必要があります。 最終的に、連続した銅プレーンは、基板領域全体でグランドへの可能な限り最短のルートを達成するのに役立ちます。 コンポーネントをグランドに接続する必要がある場合、必要なのはスルーホール接続だけです。Elektor SDR-Shield (図4 ） プロジェクト。 この回路は高感度の短波受信機であるため、その性能を損なうような干渉を避けることが重要です。 シールドはArduino Unoに直接接続します。 最初はマイコンの近くに取り付けると故障するのではないかと心配しましたが、問題なく受信できました。 下側のグランドプレーンは下からの信号に対するシールドとして機能し、ほとんどの力線は直接グランドで終わり、細い導体トラック上ではほとんど終わらないため、上からの干渉磁界の影響は少なくなります。

ほとんどの回路基板は外部との何らかの接続を必要とします。 Arduino やその他の標準化されたプラグイン システムと同様に、ポスト プラグまたはソケットが回路基板の端で使用されることがよくあります。 実験プロジェクトや教育用の回路基板に関しては、多くの場合、接続ポイントが大きい方が実用的です。 丸型のスルーメッキの 4 mm 穴には、バナナプラグだけでなくワニ口クリップも直接挿入できます (図5）。

私は、5.08 mm の間隔でメッキされた穴を持つ両面長方形のパッドを指定するのが好きです。 これらの接続ポイントには追加コストがかからず、非常に柔軟に使用できます。 ワイヤをはんだ付けしたり、ワニケーブルを使用したり、ネジ端子台を取り付けたりすることができます。 非常に単純な実験の場合は、コンポーネントをコンタクト ホールに直接接続することもできます (図6）。

接続ポイントのみで構成される PCB もあります。 そうすれば、回路図は必要なくなり、回路基板からすぐに始めることができます。 HF 対応ブレッドボードの場合、両側に連続したグランド プレーンを作成しました。 窓口のほとんどは離島にあります。 ただし、フィールドの端といくつかの連続した列の点はアースに接続されています (図7 ）。 このようにして、短いルートでどこにでも簡単に地球にアクセスでき、比較的良好なシールド面が得られます。

PCB の製造に使用されるソフトウェアは、自動テストを実行して、開回路、短絡、および並列トラックの閉鎖を検出します。 ただし、まったく別のレベルで発生する可能性のある他の間違いもあり、それは自分自身でしか見つけることができません。 目的は、最初に注文するプリント基板にエラーがないことですが、ご存知のとおり、ここにもマーフィーの法則が当てはまります。 振り返ってみると、私が受け取った 2 枚の PCB には少なくとも 1 つのエラーがあったと推測します。 直前の変更は、新たな予期せぬバグを引き起こす可能性があるため、多くの場合、この問題の原因となります。 プロジェクト開始直後に何らかのエラーが発生し、それが気づかれずに残っていることもあります。PCB を注文するには、情報をガーバー ファイルに変換する必要があります。 ソフトウェアは、回路基板のさまざまな層とドリル穴に対して個別のファイルを作成します。 結果を表示するために使用できるさまざまなガーバー ビューアが Web 上にあります。 その後、レイヤーを切り替えて、まったく異なるビューを得ることができます。 これは検証プロセスのもう 1 つの重要な段階であり、見落とされていた多くのバグが明らかになりました。この段階でも、最終的にすべてが適切に動作するかどうかについてはまだ不確実性があります。エラーを見つけるのに役立つもう 1 つのヒントは、コンポーネントをレイアウトし、そのアウトライン上に配置します。 私が取り組んでいたあるプロジェクトでは、PCB が非常に美しくシンプルで明確な構造をしていたので、それを省略できると思いました。 包装を解いたばかりの PCB を作業台の上に置き、はんだごての温度を上げているときに、突然思いつきました。マイクロコントローラー ハウジングの SO アウトライン パッケージが間違っているのです。 この特定のコンポーネントは、狭いアウトラインまたは広いアウトラインで使用できます。 この場合でも、短いワイヤを使用して片側のコントローラーのすべてのピンを延長して PCB を組み立てました (図8）。

それはとてもイライラします。 ただし、通常は、新しい PCB の反復が完全に無駄にならないように、レイアウトに利益をもたらす他の調整 (この場合はラベル付けの改善) を見つけることで自分を慰めることができます (図9）。

配線されたコンポーネントを備えた非常に単純なボードの場合 (トレーニング プロジェクトなど)、さらに一歩進んで、事前にボードのバージョンを実際に構築することができます。 PCB レイアウトの紙のコピーを小さなボール紙に貼り付け、穴を開けます。コンポーネントのリード線用。 次に、コンポーネントをボール紙に差し込み、その下に半田付けします。 その後、PCB トラックの代わりに短いワイヤが使用されます。 これにより、潜在的なエラーを見つける可能性が高くなります。 さらに、最終的な PCB レイアウトに取り組む前に、テストに使用できるプロトタイプが残ります (図10）。

単純な回路基板を設計するためのこれらの戦略の多くは、小規模で管理しやすい実験的なプロジェクトでは非常にうまく機能しますが、大規模な設計では明らかにうまく機能しません。 大企業のトップは理解力に欠けており、段ボールのレイアウトは素人的で時間の無駄であり、有能なプロのエンジニアなら最初から正しくできるはずだと考えて軽蔑するかもしれません。 基本的にはその通りですが、信じてください。見落としや間違いは必ず発生し、複数の草案が必要になることが多く、そのたびにコストが増加し、プロジェクトの期限が脅かされます。 ここで説明したテクニックが私にとってうまくいったとしか言えません。 注文するボードのバージョンを少なくできるように、予備的なトライアルとテストに重点を置く必要があります。

Burkhard Kainka は、1996 年にエレクトロニクスとマイクロコントローラーの分野で開発者および著者として独立するまで、物理学の教師として長年働いていました。彼は Web サイト www.elektronik-labor.de および www.b-kainka.de を運営しています。エレクトロニクスの基本に関する情報とともに、大小さまざまな興味深いプロジェクトが数多く見つかります。 Burkhard は、コールサイン DK7JD を持つ熱心なアマチュア無線家です。

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