静電気と空気の絶縁耐力

静電気というのは電気を扱う製品にとって非常に厄介で、動作不良や故障を引き起こします。

もう本当に厄介です。

今回は筐体に入った電子装置について考えます。

というか、世の中に出ているほとんどの製品は箱に入っています。

その箱は金属製の場合もあれば、樹脂製の場合もあります。

さて、どちらが静電気が厳しいでしょうか。

正解は、樹脂製です。

金属製は電気を通しやすいので一見すると危険に思えますが、静電気が入ってきても筐体を通ってどこかに逃げて行ってくれるので、中身の電子部品には静電気が流れません。

ところが、樹脂製は電気を通さないので、静電気が入ってきたときに筐体に流れずに中身の部品に流れてしまいます。だから、壊れやすいのです。

このように静電気というのは電気が流れやすいところに流れていく性質があるので、「周りは絶縁体。電気を流しやすい部品は電子部品のみ」という状態が一番危険です。

大昔の製品ならとにかく、最近の製品はプラスチック筐体が多いので静電気が中に入りやすい状況です。

もしプラスチック(樹脂)の絶縁能力が無限大だとすれば静電気なんて怖くないのですが、実際には有限ですし、通常つなぎ目があるので隙間もあります。

静電気は薄いプラスチックの絶縁限界を超えたときや小さな隙間から製品の内部に入ってしまいます。

絶縁耐力

絶縁体の能力として、「絶縁耐力」という言葉があります。

ここでは静電気試験の目安である15kVで考えていきます。

例えば、空気の絶縁耐力は3.0kV/mmですので、15kVの静電気では5mmの空気があれば絶縁できるわけです。

……と言いたいのですが、実際の空気はホコリが浮いたり水分があったりで絶縁能力が低下しているので1kV/mm程度しかないらしく、15kVに対しては15mm程度なければ絶縁できません。

一般的なプラスチックであるポリカーボネートの絶縁能力は16-18kV/mm程度ですので、1mmの厚みがあれば絶縁できることになります。

素材の絶縁耐力を調べることで、何ミリあればどの程度の静電気に耐えられるか計算することができます。

距離の確保の仕方

上記の絶縁耐力から、15kVに耐えるには空気なら15mm、ポリカーボネートなら1mm程度の距離が必要になります。

静電気を打つ場所(=人が触れると想定される場所)から中の部品まで、これだけの距離を確保できれば静電気が中身に到達することはないわけです。

例えば、ものすごく大きな樹脂筐体の中に小さな回路が入っていて、スイッチなどが表面に露出していなければ、距離が15mm以上あるので空気だけで絶縁できて静電気は入りません。

しかし、実際の製品は筐体ぎちぎちに基盤や部品が入っていますので、そんな距離は取れません。

となると、空気の絶縁能力に頼ることはほぼ不可能で、プラスチックの絶縁能力に頼ることになります。

つまり、製品を1mm以上の厚みのプラスチックでくまなく覆って、どこに触っても人間の指と中身の部品の間にプラスチックが挟まるようにします。

しかし、問題はどうしても出来てしまうつなぎ目です。

このつなぎ目から中の部品まで15mm以上の距離があれば、空気が絶縁してくれるから問題ないのですが、そうはいかない場合はなんとかしないといけません。

1,つなぎ目を完全になくす:接着剤のようなものを流し込んで完全に固めてしまう方法です。最近は接着剤で完全に密閉してしまう製品も多いです。

2,嵌めあいを深くして15mm以上の距離を確保する:嵌めあいを深くすると、静電気が表面から中の部品に到達するまでの距離が長くなります。

どちらにしろ、面倒な代物です。

以上、小田切でした。

AD変換の精度をよくする方法

ルネサスのWEBセミナーでAD変換の精度を良くする方法のセミナーがあったので、内容をちょっとご紹介。

といっても、さほどトリッキーな話はでてこないので、普段から設計している人なら「なーんだそんなこと」かもしれません。

それでも一応紹介します。

 

1,サンプル時間を長くする

2,外付け抵抗を小さくする

 

adc01

 

マイコンのAD変換回路の前段にサンプルホールド回路という物が内蔵されています。

中身は単純で、スイッチとコンデンサがセットになった物。

外部の電圧をいったんコンデンサにチャージしてからAD変換にかけます。

つまり、外部の電圧とこのコンデンサの電圧をきっちりあわせないと正確なAD変換になりません。

 

この電圧をきっちりあわせる一つ目の方法はサンプル時間を長くすること。

サンプル時間を長くすると言うのは、スイッチを入れておく時間を長くして時間をかけてチャージをかけると言うこと。

マイコンによって調整できたりできなかったりします。

チャージする時間が短すぎると内部コンデンサの電圧が上がりきるor下がりきる前にスイッチが切れてしまうので、変な値になってしまいます。

 

次に外付け抵抗R1を小さくすること。
ここで「外付け抵抗」と言っていますが、実際にはマイコンのADポートから見たものなので、目に見える抵抗がなくてもセンサーの内部抵抗も外付け抵抗と同じになります。
アナログセンサーだと内部抵抗が大きい部品も結構ありますからね。

ルネサスでは以下の式を満たす定数にしろとのことでした。

サンプル時間>定数×Cs(Rs+R1)

 

分解能 定数
8bit 6
10bit 8
12bit 9

 

この定数はルネサスの特定のCPUの場合なので、別のCPUでは変わると思います。
しかし、考え方は共通です。

 

ただ……世の中の普通のマイコン(TIとかSTMicroとかもろもろ)は、AD変換部のサンプリングホールド用のコンデンサの容量・抵抗の値なんてデータシートに書いてありません。
分解能と精度と入力電圧範囲外の仕様が全く公開されていないという酷いCPUだってあります。(しかもAD変換部の詳細仕様を問い合わせても「ない」で終わったりする)
問い合わせて分かるようであれば上記の式で目安が出せますが、出ないばあいはできる限り外付け抵抗を小さくしてサンプリング時間をとるしかありません。
最後はデバッグでサンプリング時間をいじって様子を見るしかないかもしれません。

 

 

3,コンデンサをつける

 

外付け抵抗が大きくて内部コンデンサになかなか充電されない場合は、ADC入力端子に外付けコンデンサをつけます。
これにより外部コンデンサ→内部コンデンサに電流が流れるので、高速で内部コンデンサに充電されるようになります。
遅い信号に限りますが、ADC入力端子にコンデンサをつける手は実際に結構使われます。
ただ、外付けコンデンサが小さいと内部コンデンサに電荷が移動した際に電圧が下がってしまうので、外付けコンデンサは内部コンデンサよりも大分大きい必要があります。

 

具体的には、

 

C1 > 2^n × Cs

 

を満たす必要があります。

つまり、10bitなら内部コンデンサの1024倍、16bitなら内部コンデンサの65536倍の容量のコンデンサをつける必要があります。
でないと精度がおちます。

 

4,AD変換時にマイコンに大電流を流さない

マイコン自体に大きな電流が流れていると、VCCやGNDの微少な抵抗成分によって、VCCとGNDの電圧がずれてしまいます。
それが原因となって精度が悪化します。
ということで可能な限りマイコンの消費電流を抑えた方が精度がよくなります。
クロックを落とすとか、LEDを直接駆動しないとか。

 

5,AD変換する信号の近くに高速信号を通さない

これは当たり前ですね。
隣の端子や併走する配線に高周波が乗っていればクロストークで乗ってきてしまうのでSN比が悪化します。

 

6,VREF-GND間にコンデンサをつける

これもわりと当たり前ですが、ちゃんとつけましょうって話です。
VREFがずれるとAD変換の結果もずれてしまうので。

 

というところでした。

静電気対策でGNDが非常に大事な理由

基板の静電気対策をするとなると保護部品を使うのが一般的ですが・・・保護部品を使ってもどうにもならないケースがあります。

それは、基板のGNDの設計がまずい場合。

 

静電気が信号ラインや電源に入ってきた場合、結局の所どんな保護素子を使っても「逃がす」だけであって、根本的に消滅させることは出来ないです。

要は保護素子って「高電圧が入ったときに導通状態になる」という動作をするだけです。

なので、保護したい信号ラインとGNDをつないでおくと、高電圧になったときにGNDと導通状態になって静電気がGNDに逃げていくことで信号ラインの電圧が上がらずに済むわけです。

 

原理的にはこれだけなのですが、問題はGNDの設計が悪い場合。

静電気などを逃がすためのフレームグランドが信号用のGNDと別に用意されている場合もありますが、小型機器の場合はGNDは一つなことが多いです。

なので、静電気をGNDに逃がすとデジタル回路のGNDに逃げていくことになります。

聞いただけで、なんかちょっと「えー」という気分になりますが実際にはそんなものです。

そして、GNDがスカスカとか細い配線で繋がっているだけな場合、静電気が入った瞬間にGNDという概念は破綻します。

そもそもGNDとは、基準電位です。

製品全体・基板全体で同じ電圧だという想定で成り立っています。

ある部分とある部分のGNDの電位が違うとかあってはいけません。

しかし、GNDといってもただの銅箔の配線なので、実際には抵抗値があります。

そして、細い所があればコイルとしてそれなりのインダクタンスをもちます。

 

GNDに抵抗値とインダクタンスがあるとすると、そこに静電気を逃がすとどうなるでしょうか。

静電気→(瞬間的な)大電流→抵抗に大電流が流れると大きな電圧が発生する→GNDの部位によって大きく電位が異なる

静電気→過渡現象→高周波成分→インダクタンスが抵抗として働く→抵抗に大電流が流れると大きな電圧が発生する→GNDの部位によって大きく電位が異なる

 

とまぁ、抵抗値とインダクタンスの両方共がGNDの電位差を生み出すことにつながってしまいます。

ある部分のGNDは0Vだけどある部分のGNDは+100Vあるいは-100Vという状況が、瞬間的に発生してしまうわけです。

そりゃ、動作がおかしくなりますよね。

 

まとめると、GNDの設計が弱いと保護素子を使ってもだめな場合があるということです。

 

静電気の入り口に保護素子をつけると、保護素子の働きでその部分の高電圧は抑制される。

しかし、静電気は保護素子を通ってGNDに逃げるので、GNDに瞬間的な大電流が流れる。

GNDの設計が悪いと、GNDの抵抗成分とインダクタンス成分が大きく、瞬間的な大電流でGNDの電圧が部位によって変わってしまう。

そして、3.3V駆動のCPUの信号ラインなどに-40Vとか変な電圧がかかるので当然故障するか異常動作する。

 

対策としては2つしかありません。

1,GNDの設計をきちんとして、低抵抗・低インダクタンスになるようにする。要は信号ラインで細切れになっていないGNDべたを一層用意する。

2、GNDが弱いまま、コンデンサ・保護素子を各部に入れまくる。

→基板のあちこちにGNDと電源の間にパスコンを入れまくる。さらに、信号ラインがIC・CPUの定格を超えないように、IC・CPUの信号ラインとGNDの間に保護素子を入れまくる。

 

あきらかに2は非現実的です。

基板内部のCPUの信号ラインに保護素子を入れだしたら、どれだけの部品が必要かわかりません。

つまり、GNDの設計をきちんとするしかないわけです。

 

以上、小田切でした。

TEの保護部品について

TE connectivityのカタログを見ていたらずいぶんといろんな保護素子が載っていたので、メモがてら簡単に紹介したいと思います。

 

ポリスイッチ

いわゆるPTCサーミスタです。

温度が上がると抵抗値が急上昇する部品で、その特性を使って電流を制限をする用途で使います。

「大電流が流れる→部品の温度上昇→部品の抵抗値が上昇→電流が制限」

という流れで電流を制限します。

普通のヒューズと違って、電流が止まれば冷えてまた導通状態に戻るので、過電流の度にヒューズを交換しなくて済みます。

そんな特性上、最近の機器ではヒューズ代わりにポリスイッチを使うことがすごく多いです。

 

こんな便利で素晴らしい部品ですが、周囲の温度で特性がずいぶんと変化してしまいます。

温度が上昇すると抵抗値が上がる仕組みなので、高温環境では少しの電流が流れただけですぐに抵抗値が上がってしまいますので、あまり電流を流せません。

低温環境では逆に大電流が流れてもなかなか温度が上がらないので、保護がききにくくなります。

なので、「常温ではきちんと保護されるのに、低温環境だと機器が壊れる」ということが現実にあります。

 

それから、自分の発熱で抵抗値が上がる仕組みなので、反応速度はそこまで速くありません。

電流と周囲温度によりますが、データシート上の代表値だと0.1秒から数十秒かかります。

数msの大電流で壊れてしまうような回路の場合、ポリスイッチでは保護しきれません。

 

 

ポリマーESD保護素子

ツェナーダイオードやバリスタのような高電圧を吸収する保護素子。

容量が0.25pFと小さいので、高速信号でも使えます。

ちなみに普段使っているROHMのツェナーダイオードだと寄生容量が10pF以上あるので、あまり高速な信号だとゆがみます。

 

ただ、ラインナップが3つしか無いので、ぶっちゃけ使い所に困りますね。

最大動作電圧 14V/24Vのラインナップのみ。

 

シリコンESD保護素子

これも高電圧を吸収する保護素子です。

しかし、上と違って容量が4.5pFあるので、高速信号には使いにくいです。

また、最大動作電圧6Vのラインナップしか無いので、使い所が限られます。

USBの保護ぐらいでしょうか。

 

ガスアレスター

これも高電圧を吸収する保護素子ですが、75V-4000Vと高電圧向けです。

通常の機器では内部でそれほど高電圧を使わないので、AC部分向けのソリューションですね。

 

表面実装ヒューズ

ヒューズと言うと丸いガラス管を思いつきますが、今ではチップ型のSMDタイプのヒューズもあります。

正直、「短絡で発火しないように保護はしてほしいけど、それで機器自体が壊れてしまっては困る」というケースがほとんどなので、一度切れたらおしまいなヒューズを使うことはめったにありません。

だいたいポリスイッチを使いますね。

静電気でどうしていいかわからないときの一歩目

静電気で問題が起こることは多いですが、問題の解析が難しいことも多いです。

わかりやすいのは部品の破壊です。

部品が壊れていれば見ただけでわかることもありますし、最悪でも外してテスターで当たればわかります。

そうすれば、その部品の周りに保護部品と追加するとか、なにか道が見えてきます。

 

一番やっかいなのが、「静電気をかけるとなんか異常動作する」という場合です。

異常動作がOKな基準なら良いですが、「その異常動作はなんとしても受け入れられない」となると大変です。

「なんか異常動作」ということは、部品が壊れているわけではありません。

ということは、静電気試験を終えた後にくまなく調べてもどこでなにが起こったかを調べる手がかりがまったくないのです。

これでは正直手のうちようがありません。

 

そこで、そんなときにおすすめしたいのが、「静電気の経路の可視化」です。

といっても難しくありません。

静電気を試験する時に部屋を暗くするだけです。

電圧の低い気中放電だと厳しいですが、そこそこの電圧の接触放電ならほぼ確実に静電気の光が見えます。

例えばネジに静電気を打つと誤動作するとしましょう。

その場合は、ネジに静電気を打ちながら、部屋を暗くして製品をあちらこちらの方向からよーく見ます。

それでも見えない場合は、ネジだけ残して蓋を外す必要があるかもしれません。

蓋を外すことで経路が多少変わるかもしれませんが、それでもやって見る価値があります。

そうすると、「ネジから基板のどこに飛んでいるか」が見えてきます。

そしてさらに運が良ければ「基板のどこから外に逃げているか」も見えてきます。

 

是非ともチャレンジしてみてください。

 

以上、小田切でした。

基板のネジ穴の設計には気をつけて!

基板のネジ穴についてちょっと書きます。

 

ネジ穴、といっても基板にネジを切るわけではないので、基板に開けるのはただの穴(スルーホール)になります。

しかし、この穴を開ける際に注意する点が結構あります。

 

1,ネジの直径から0.2mm以上余裕を取る

例えば3mmの太さのM3のネジなら3.2mm以上の径を取るのが普通です。

3mmぴったりでは誤差が会ったばあいに入りませんからね。

 

2,穴から基板の縁まで1.6mm以上開ける

基板の端に穴を開ける場合、あまりぎりぎりまで寄せてはいけません。

基板が細くなりすぎるとそこが欠けてしまいます。

通常、基板の縁と穴の間には1.6mm以上のスペースを開けます。

 

3,ネジ頭orワッシャーの直径+ずれ+誤差の空きスペース取る

ネジが通るということは、ワッシャーかネジの頭が基板の上に載るわけです。

ということは、その直径の中に部品やパターンが有ると壊してしまいます。

気をつけないといけないのは、穴が少しゆるく作っているので、上下左右にネジはずれます。

なので、φ5のネジ頭であっても、ズレを考慮するとφ5.1は必要です。

さらに誤差を考えるとφ5.2は必要です。

本当はもっと欲しいですが、上記は最低ラインです。

 

4,「3」の空きスペースはパターンを完全になくすか、銅箔むき出しにして金メッキする

ネジやワッシャーでぐりぐりやったらレジストがはげてしまいます。

なので、このスペースには一切パターンがないのが理想です。

しかし、それができない、あるいはネジを通してGNDを外と接続したいという場合があります。

その場合、GNDベタを置いてレジストをかけないで銅箔むき出しにします。

しかし、銅箔は錆びるので金メッキをするのが適切です。

 

5,裏面も同じことをする

うっかり忘れそうになりますが、基板の裏側にも筐体の受けなどがあたりますので、同じことを考える必要があります。

 

このように、意外とネジは面倒です。

 

以上、小田切でした。

その測定器、「校正」できてますか?

回路設計では様々な測定器を使います。

・テスター

・安定化電源

・オシロスコープ

・スペクトラムアナライザー

・信号発生器

etc

 

会社ごとに機材の充実度は違えど、テスターやオシロスコープは必ずあると思います。

ですが、それ……「校正」出してます?

 

なんとなく「測定器」というと「精度が良くて絶対的なもの」と思ってしまいますが、そうではありません。

所詮ただの電子機器ですので、ズレもあれば経年劣化もあります。

つまり、そんなに信用できるものではないのです。

 

なので、測定器というのは本来、1年ないし2年ごとに「校正」ということをしないといけないのです。

これは、基準器(めちゃくちゃ高精度で厳格に管理されている機材)と照らし合わせて、値のズレがないか確認する作業です。

テスターであれば、電圧・抵抗値などですね。

 

通販サイトで適当に買ってきたテスターを校正せずにずっと使っている……

アマチュアならいいですが、仕事で使うのはアウトです。

3.3Vだと思ったら本当は3.4Vかもしれません。

そんな状態では正しいデバッグができません。

 

また、出荷する製品の検査で校正されていない測定器を使うとそれだけでアウトです。

最低でも出荷する製品の検査で使用する測定器は校正しましょう。

 

校正は構成を実施している試験機関は依頼することになります。

 

以上、小田切でした。

CPUの下にはGNDを!

アートワークで配線をすると、ついついCPUの下に配線を走らせてしまいますが、それはよくありません。

なぜでしょうか。

 

CPUの中は高速の信号が飛び交っており、CPU自体がノイズをばらまく原因です。

ノイズを吸収するのはGNDベタですので、CPUの直下に置くことでノイズを吸収させるのです。

つまり、ノイズを出来るだけばらまかないために直下にGNDベタが必要なのです。

これが一点。

 

さらに、ノイズに一番近いCPU直下に配線を置くとその配線にノイズが乗りやすいのです。

つまり、CPU直下の配線の信号品質に問題が出やすいから。

これが二点。

 

さらに、CPUの周囲にはパスコンがあったりプルダウン抵抗があったりして、周辺の配線には安定したGNDが必要です。

なので、CPUの下でぶった切れているようなGNDベタはよろしくありません。

これがで3点。

 

このように、複数の理由がありますので、よーく気をつけましょう。

 

以上、小田切でした。

意外と考えないといけないLEDの配線

アートワーク(基板設計)で配線を引く時、リセット信号や高速信号線には注意します。

リセット信号はできるだけGNDガードし、それが無理でも高速信号とは並走しないようにします。

高速信号はも同じように可能な限りGNDガードします。

 

そんな中、遅い信号はほとんど考慮しません。

遅い信号とは、スイッチ・ENABLE信号・LEDなどです。

こういうものは時々しか動かず、ほとんどHかLに固定されています。

遅いのでほとんどノイズをまかないのです。

 

が、今回ちょっと問題になってきたのは、LEDがPWM駆動しているという点です。

普通のLEDはON/OFFだけですが、PWM駆動となると下手すると1MHz近い速度で駆動します。

(普通はもっと遅いと思いますが・・・)

そうなると、ノイズをまくようになり、リセット信号と並走するのはちょっとまずくなってきます。

 

当初、LEDはOn/Offだけの予定だったので気にしてなかったのが、PWMになり配線に苦労……というパターンです。

 

ということで、普通は見逃しがちなLED配線ですが、PWM駆動の場合もありますのでご注意を。

 

以上、小田切でした。

ハードウェアのデバッグはソフトウェアが必要!

電子回路ののった基板を開発したら、まずハードウェア開発者がデバッグという動作検証を行います。

そして、問題なければソフトウェアの開発者の手に渡って開発が進みます。

 

……が、実際はそう簡単に行かないのです。

 

電源などはハードウェア開発者だけで確認ができます。

CPUにつながっているLEDの制御も、CPU用の開発環境からGPIOの制御ができればハードウェア開発者だけでもまぁ、みれないことはないです。(めんどいけど)

 

しかし、通信となるとお手上げです。

たとえば、UART通信。

SPI通信

I2C通信

etc

 

これらはCPUないのソフトウェアが出来ていないと動きません。

この通信バスにつながっているEEPROMなどもCPUからの通信がなければうんともすんともいいません。

つまり、動作確認が全く出来ないのです。

 

・ピン設定が間違っているかもしれない

・波形の品質が悪いかもしれない

 

そういったことは、通信ができる状態にならないと確認もできないのです。

 

ということで、結局の所、ソフトウェア開発者とハードウェア開発者の間で基板をやりとりしながら進めないといけません。

一箇所にいればまだいいですが、それぞれ違う場所にいるとまぁ大変。

 

と、こんなことであります。

 

以上、小田切でした。