最適な回路性能のための部品レイアウトとPCB配線

電気システムの性能、信頼性、製造能力は、プリント基板（PCB）上のトラックとコンポーネントの配置方法によって決まります。コンポーネントを配置し、PCBを正しく配線すれば、信号を素早く送信し、ノイズを最小限に抑え、費用対効果が高く、有用な設計を行うことができます。高度に小型化された今日の電子設計で最良の結果を得るためには、この2つの部分の入念な計画と実行がますます重要になってきています。

この記事では、さまざまなタイプの設計の例を挙げながら、部品レイアウトとPCB配線の基本について詳しく説明します。これらの方法が、様々な分野で信頼性が高く効果的なエレクトロニクスを作るために非常に重要であることをご理解いただけるでしょう。

PCB設計における部品レイアウトとは？

コンポーネントレイアウトとは、プリント基板（PCB）上のどこに電気部品を配置するかを計画することです。レイアウトは、部品間の電気的なメッセージの移動に影響し、回路の動作や放熱量、作りやすさに直接影響します。干渉を最小限に抑え、性能を向上させるように各部品を配置するには、技術的なノウハウと創造性の両方が必要です。

優れたPCB設計は、部品を正しくレイアウトすることから始まります。設計者は部品を配置する際、電源や信号線との距離、部品を冷やす方法などを考えなければなりません。

PCB配線とは？

PCB配線とは、基板上の部品を電気的に接続するために銅線を使用するプロセスです。ノイズを削減し、インピーダンスを制御し、最終製品がシグナルインテグリティ規格に適合していることを確認するには、適切な配線方法を使用する必要があります。

PCB配線には、主に2つのタイプがあります：

・単層配線：

単層配線：銅を1層だけ使う配線方法で、シンプルで低コストの設計に適しています。

・多層配線：

マルチレイヤー配線は、PCBの複数の層を通してデータを送信します。このタイプでは、より複雑で高密度な設計が可能です。

PCB設計における部品レイアウトの主な要因

・電源への近さ：

コンデンサ、抵抗、トランジスタなどの部品を電源の近くに配置することで、電圧レベルを一定に保ち、電力損失を減らすことができます。これは、特に高周波で使用される場合、ノイズや電力損失を削減するのに役立ちます。

・信号の完全性：

信号の完全性を保つために、信号が部品間を最も速く、最も直接的な経路で移動するようにします。特に高速回路では、長いトレースで信号損失が発生する可能性があります。

・熱への配慮：

温度について考えるのであれば、集積回路（IC）のような熱に敏感な部品は、パワートランジスタのような発熱部品から離して配置すべきです。過熱を避け、信頼性を維持するためには、PCB内の適切な放熱経路を計画することも重要です。

・機械的制約：

計画プロセスでは、サイズ、形状、実装の物理的限界についても考えなければなりません。部品が取り付け穴や接続の邪魔にならないように配置する必要があります。

PCB配線におけるベストプラクティス

・トレース長の最小化：

優れたPCBレイアウトの最も重要なルールの1つは、トレースをできるだけ短くすることです。線路が短いとインダクタンスと抵抗が下がり、信号の信頼性が高まります。これは、信号が反射して弱くなるのを防ぐため、高速ラインでは必須です。

・適切なビアの配置：

ビアは、多層PCB上の異なる層を接続します。ビアは重要だが、多用すると不要なキャパシタンスやインダクタンスが増える。そのため、ビアは最小限にとどめ、信号が失われないように配置する必要があります。

・インピーダンス・コントロール：

インピーダンスの制御は、高周波やRFシステムにとって非常に重要である。設計者は、インピーダンスを一定に保つようにトレースを処理する必要がある。これは通常、トレースの幅を制御し、適切な接地方法を使用することによって行われる。

・差動ペアのルーティング：

USBやHDMIのように差動ペアを使用する信号をルーティングする場合、両方のラインが同じ長さで、パスが互いに近いことを確認することが重要です。これにより、メッセージが同時に到着し、スキューがなくなり、ノイズが減少します。

PCB設計における適切な部品レイアウトと配線の重要性

・クロストークの最小化：

クロストークは、トレース同士が近すぎて互いのメッセージを妨害することで発生します。部品を慎重に計画し、配線すれば、この問題は起こりにくくなります。これは特に高密度設計に当てはまります。

・シグナル・インテグリティの向上：

シグナル・インテグリティは、最近のPCB、特に高速用途では非常に重要です。レイアウトと配線が正しく行われれば、信号は損失や歪み、反射なしに送られます。これにより、回路の信頼性と効率が向上します。

・電磁干渉（EMI）の低減：

配線が正しく行われないとEMIが発生し、他の部品やシステムの動作に影響を与えることがあります。EMIを低減するには、高周波データラインを短くし、敏感な部品から離すなど、優れた配線技術を使用します。

さまざまな分野での部品レイアウトとPCB配線の用途

・コンシューマー・エレクトロニクス

スマートフォンやタブレットのような機器の回路基板は、優れた部品配置と配線により、小型でありながら正常に動作します。スペースが限られている場合、設計者はトレースの長さや部品の配置に細心の注意を払う必要があります。

・カーエレクトロニクス：

高温と振動を含む過酷な環境のため、車載システムのPCB設計は信頼性の面で非常に重要です。エンジン制御ユニットやエンターテイメントシステムなどの重要なシステムが、このような状況でも完璧に動作するように、レイアウトや配線が適切に行われています。

・産業用制御システム：

産業オートメーションでは、PCB設計はハイパワー部品に適合し、クロストークやノイズを防ぐために信号と電源ラインが正しく配線されていることを確認する必要があります。大電力の用途では、よく計画されたレイアウトは熱をうまく管理するのにも役立ちます。

・航空宇宙

航空宇宙ビジネスでは、過酷な条件下でも動作し、信号を正確に送信できるPCBが必要です。通信や制御システムがうまく機能するように、シールド線や接地プレーンなどを慎重に配線することが重要です。

・医療機器：

インプラントやモニタリングツールなどの医療用電子機器では、精度が非常に重要です。コンポーネントを正しく計画して配線すれば、センサーからの信号のような繊細な信号が、他のコンポーネントに邪魔されることなく、正しく送信されることを保証できます。

PCBレイアウトと配線最適化のヒント

部品のグループ化： 電力を制御する、信号を処理する、他の部品と通信するなど、部品の役割に基づいて部品をグループにまとめます。この方法により、配線が容易になり、機能ブロック間を伝わるノイズの量が少なくなります。

・グランドプレーンの活用：

グランドプレーンを使用することで、ノイズを低減し、シグナルインテグリティを向上させ、すべての信号に安定した基準点を与えることができます。また、しっかりとしたグランドプレーンを使用することで、多層PCB内の熱をより効率的に移動させることができます。

配線における90度の角度の回避：

90度の角度で配線されたトレースは、信号の反射を引き起こし、高周波通信を妨害する可能性があります。このような問題を避けるには、トレースを45度の角度で配線するのが最適です。

・放熱用サーマルバイアス：

設計で大電力部品を使用する場合、サーマルビアは、発熱する部品をグランドプレーンまたはパワープレーンに接続することで、より効果的に熱を取り除くのに役立ちます。

PCBレイアウトと配線における今後のトレンド

人々は、より小さく、より速く、より効率的な電子機器を求めているため、PCBプランと配線方法は、技術の変化に応じて改善され続けるでしょう。以下にいくつかの傾向を示します：

・小型化の進展：

部品が小型化するにつれ、PCB設計もさらに小型化するため、設計者は1ミリメートル単位の基板スペースを最大限に活用する必要があります。

・高速設計要件：

5Gとモノのインターネット（IoT）が普及するにつれ、PCB配線はシグナルインテグリティと制御されたインピーダンス設計により注意を払う必要があります。

・3D PCB設計：

技術が向上するにつれ、3D PCB設計の使用はより一般的になるでしょう。これらの設計は、より複雑な配線経路と、より良い機能のためにコンポーネントをスタックする能力を可能にします。

正しい部品レイアウトとPCB配線は、信頼性の高い電子システムを作るために重要です。配線の長さを短くし、インピーダンスを管理し、熱管理を最大限に活用するなどのベストプラクティスに従うことで、設計者はPCB設計が多くの異なる業界で機能することを確認できます。消費財、自動車システム、医療機器にとって、これらのステップがいかに重要であるかは言うまでもありません。

PCBレイアウトと配線の最適化は、技術の進歩とともにさらに重要になり、現代の電子機器設計者にとって必須のスキルとなっています。慎重に計画し、実行すれば、あなたのアイデアから最良の結果を得ることができ、絶えず変化する今日の電子世界のニーズに対応することができます。