PCBボード設計： 初心者のためのステップバイステップガイド

プリント基板（PCB）は、電子部品を接続するためのプラットフォームを提供し、現代のほとんどの電子機器のバックボーンを形成しています。初心者にとって、PCB設計は複雑に見えるかもしれませんが、正しいアプローチによって、管理しやすく、やりがいのある作業になります。このガイドでは、PCB設計の計画から最終チェックまで、段階を追って説明します。

今日は例として、リチウムイオン電池充電モジュールの設計プロセスを説明します。TP4056は最も人気のある充電モジュールの1つなので、有名なTP4056充電モジュールのバージョン2を作るのは素晴らしいことです。しかし、定格電流を増やすために、TP4056と同様のPCBフォームファクターを維持したまま、IP2312という新しいICに回路を置き換えました。このICは3Aまで駆動できます。設計に関する本格的なチュートリアルを見るには、この投稿を参照してください。

プリント基板の設計ステップ：

ステップ1：回路要件を理解する

設計ソフトウェアに入る前に、作りたい回路を明確に理解することが重要です。紙に回路図を書くか、KiCad、Eagle、EasyEDAなどのソフトウェアを使うことから始めます。抵抗、コンデンサ、マイクロコントローラ、コネクタなど、必要な部品をすべて含めてください。各コンポーネントが適切に接続されていることを確認し、機能を保証します。通常、回路設計は、現実の問題からインスピレーションを得て、ペンで書くことから始まります。ここでは、TP4056の充電時間が長いことが問題である。

ステップ2：PCB設計ソフトウェアの選択

初心者には、ユーザーフレンドリーなインターフェイスを持つPCB設計ソフトウェアが不可欠です。人気のある選択肢には、KiCad、Eagle、EasyEDAなどがあります。これらのプログラムでは、回路図の作成、部品のレイアウト、それらを接続するトレースの設計が可能です。また、プロセスを簡素化するための標準部品のライブラリもあります。プロセスをシンプルにするため、膨大なライブラリとオンライン・データベースを持つEasyEDAを使用します。

ステップ3: 回路図の作成

ソフトウェアを選択したら、回路図の作成から始めます。回路図は、電気的な接続の青写真で、コンポーネントがどのようにリンクされているかを示します。PCBの回路図は、ICのデータシートを見て、その通りにすべての部品を配置することで作成できます。

時には、ユースケースに応じてコンポーネントの値やタイプを変更する必要がある。ある部品に代わる他の部品はたくさんあります。IP2312ベースの充電モジュールの回路図の例を上に添付します。回路は、全体的な可読性を高め、研究開発時間を短縮するために、異なる部分に分割されています。

ステップ4：PCBレイアウトの定義

回路図が完成したら、次のステップはPCBの物理的なレイアウトを定義することです。以下のステップが含まれます：

・ボードの寸法を設定する。

・トレース長を最小にし、性能を最適化するために、コンポーネントを論理的に配置する。

・ LEDやコネクターなど、特定の向きを持つ部品が適切に配置されていることを確認する。

・部品の重なりを避け、はんだ付けに十分なクリアランスを確保する。

この設計では、トレース長を最短にするため、すべての部品を互いに近接して配置しています。TP4056という非常に小さなフォームファクターを使用し、IP2312を梱包しているため、部品の向きは配線において重要な役割を果たします。

ステップ5：トレースの配線

いよいよ部品をトレースで接続する工程に入ります。トレースとは、部品間の電気信号を伝送する銅製の経路のことです。以下のガイドラインに従ってください：

・ 抵抗と干渉を減らすため、トレースはできるだけ短くしてください。

・ 電源とグランドのトレースは慎重に配線し、性能向上のために幅を広くとってください。

・ 短絡を避けるため、トレース間隔などの設計ルールに注意してください。

・ 多層PCBでは、必要に応じてビアを使用して異なる層のトレースを接続してください。

・ トレースの定格電流と電力損失係数に留意してください。

PCBトレースの定格電流計算は、オンラインで利用可能なツールで行うことができます。開発時間を短縮するためにオートルーティングを実装することができますが、同じ信頼性を提供しないかもしれません。

ステップ6：電源プレーンとグランドプレーンの追加

ほとんどのPCB、特に大電流を扱うPCBでは、電源プレーンとグランドプレーンを追加することが重要です。パワープレーンは基板全体に電力を均等に分配し、グランドプレーンは電気ノイズを低減します。これらのプレーンは通常、PCBの全層をカバーする強固な銅エリアです。

これは2層設計であるため、入力電圧ノイズを減らすため、両面にグランドプレーンを追加した。このプレーンは、基板上に純銅を流し込み、私たちのケースではGNDプレーントラックに接合します。

ステップ7：シルクスクリーンとその他のマーキングの配置

コンポーネントの識別子、ピン番号、ロゴ、または規制マーク用のシルクスクリーンラベルを追加します。シルクスクリーン層は、組み立てやトラブルシューティングに不可欠なツールで、コンポーネントとその配置を識別するのに役立ちます。パッドやトレースと干渉しないようにしてください。詳細については、PCBシルクスクリーンの包括的なガイドの完全な記事を参照してください。

ステップ8: デザイン・ルール・チェック（DRC）による検証

デザインを確定する前に、デザイン・ルール・チェック（DRC）を実行し、スペースの問題や接続されていないトレースなどのエラーを検出します。ほとんどのPCBデザインソフトウェアにはDRCツールが含まれており、デザインがメーカーの仕様を満たし、エラーがないことを確認するのに役立ちます。

ステップ 9: ガーバーファイルの生成

設計が完了し、検証された後、ガーバーファイルをエクスポートする必要があります。これらのファイルには、製造業者が PCB を製造するために必要な情報が含まれています。PCBの各レイヤー（例えば、銅レイヤー、シルクスクリーン、ソルダーマスク）はこれらのファイルで表現されます。

EasyEDAを使用する利点：

EasyEDAは、電子エンジニア、ホビイスト、学生にとって多用途なツールであり、迅速で効率的な回路設計、テスト、検証を可能にします。そのユーザーフレンドリーなインターフェースとユニークな機能により、人気の高いツールとなっています。

・他のツールとの統合： EasyEDAはAltium、Eagle、KiCadのような複数のファイルフォーマットをサポートしており、設計のインポート/エクスポートをシームレスに行えます。また、DropboxやGoogle Driveのようなクラウドプラットフォームと統合し、プロジェクトの共有やバックアップを簡単に行うことができます。

・低コスト： EasyEDAは費用対効果に優れており、小規模プロジェクト向けの無料オプションや、高度な機能向けの手頃なプレミアムプランが用意されています。

・ 3Dビジュアライゼーション： 3Dビジュアライゼーション機能により、ユーザーはPCBデザインをリアルタイムで見ることができ、コンポーネントの配置や潜在的な設計上の問題の特定に役立ちます。

・ 回路図のキャプチャとPCBデザイン： ユーザーは、デザインをインポートしたり、ゼロから新しいものを作成するためのツールを使用して、同じプラットフォームで回路図とPCBの両方を設計できます。

・大規模なコンポーネントライブラリ： EasyEDAには、抵抗、コンデンサ、トランジスタ、ICなどの豊富なコンポーネントライブラリが用意されています。また、カスタムコンポーネントの作成やインポートも可能です。

結論

最後に、ガーバーファイルができたら、PCBメーカーに提出することができます。多くのメーカーは、ファイルをアップロードし、ボードの仕様（材料や厚さなど）を選択し、注文するオンライン見積もりツールを提供しています。

PCBを設計するのは最初は難しく感じるかもしれませんが、これらのステップに従うことで、初心者でも機能的でデザイン性の高い回路基板を作成することができます。時間をかけて練習を重ねることで、レイアウトを最適化し、ノイズを最小限に抑え、高品質な設計を行うスキルが身につきます。それでは、よい設計を。