さまざまなPCBインターフェース ケーブル設計手法の検討

さらに、エンジニアは複数の役割を担うこともあります。機械エンジニアが電気設計の作業を行ったり、その逆を行ったりすることもあります。通常、カスタム ケーブルを設計するのは誰の仕事ですか?その背後にあるプロセスと、コスト効率と製造性を維持しながら、信頼性が高く、アプリケーションに適したケーブル アセンブリを提供する機能を設計者が組み込む方法は何ですか?

一般的なケーブル アセンブリの基本を簡単に確認してみましょう。

·       1つのエンドポイントから別のエンドポイント（または複数のエンドポイント）に電力またはデータを供給します。

·       電流を流す1本以上の電線を束ねる

·       外部環境から電線を保護するために何らかの絶縁材を備えている

アプリケーションでは、多くの場合、次の点が考慮されます。

·       現在の容量

·       電圧定格

·       長さ

·       導体数

·       終端処理（プラグ、はんだ付けワイヤなど）

·       機械的な制約

·       速度とパフォーマンスの制約

·       環境上の制約

·       安全性や高信頼性、超小型システム、使いやすさ、コスト重視/大量生産製品など、アプリケーション固有のもの

どこから始めましょうか?

何かを電気的に接続する必要がある場合、最初に検討すべきことは電力要件です。電力要件によって、選択できるケーブルやプラグの種類を大幅に絞り込むことができます。

まずは現状から始めましょう。図1 これは、配線仕様に関連する多くの列を示す表ですが、この説明では、「AWG」、「1000フィートあたりのオーム数」、および「シャーシ配線の最大アンペア数」に焦点を当てます。

アメリカ電線規格 (AWG) は、異なるサイズ (直径) の電線でより多くの電流またはより少ない電流を流せるようにする標準化された仕様のセットです。厚くなるほど ワイヤー （銅が多いほど）流せる電流も大きくなります。たとえば、24 AWGワイヤの通常の配線（ワイヤ単体で、他のワイヤと束ねられていない場合）の定格は3.5 Aです。また、ワイヤーが長くなると抵抗が増すことも考慮する価値があります。24 AWGワイヤの場合、1,000フィートあたり約25 Ω になります。大したことないように思えるかもしれませんが、たとえば100フィートで2.5 Ω でも、流れる電流の量によっては、敏感な信号レールまたは電源レールで大きな電圧降下が発生する可能性があります。したがって、ケーブルを指定するときは、長さと電流容量の両方を考慮する必要があります。

図1: アメリカのワイヤゲージのワイヤ仕様表

電圧定格（およびタイプ）も同様に重要です。通常のAC壁電圧の場合、通常、満たさなければならない安全基準があり、これらの基準は電線の絶縁に関係しており、多くの場合、PVCなどの特殊な材料が必要になります。アプリケーションに応じて、これらの絶縁体とシステム内での配線方法（低電圧DCを含む他の近くのケーブルからの十分な間隔）に関して特別な考慮が必要です。

通常、アプリケーションに必要な特定のまたは正確な導体数でケーブルを指定することは理にかなっています。ただし、余分な導体があると設計にメリットがあり、将来的に信号を追加する可能性が広がります。また、同じ終端/コネクタを持つ複数のケーブルを使用する場合は、組み立てが容易になり、エラー (誤配線) が発生しにくくなるように、できるだけ多くの種類を用意することが通常は最善です。

ケーブルは通常、 コネクタ ただし、PCB/コンポーネントに直接はんだ付けされたワイヤや、通常はプログラミングやテストに使用される一時的なインターフェイス用のポゴピン プラグなど、他の形式の終端が含まれる場合もあります。コネクタは、ユーザーフレンドリーさと堅牢性/セキュリティに関して大きな違いを生み出すことができます。一方向の取り付け用のキー付きコネクタやコネクタを安全に保つためのロック機構、プラグをソケットから簡単に取り外せるタブ、コネクタに素早く簡単に圧着できる機能などにより、製造プロセスとユーザー操作の両方がはるかに簡単になります。

モレックスのMicroFit 3mmシリーズ（ 図2) は、一方向の取り付けとロック タブを備えたコネクタの一般的な例です。

図2: Molex MicroFit 3mmシリーズコネクタ（片方向取り付けおよびロックタブ付き）

機械設計の考慮事項

ケーブルを指定する際の重要な部分の1つは、機械設計の考慮です。すべてのケーブルには曲げ半径があり、これは束ねられたワイヤの応力または歪み定格を下回るためにケーブルが満たす必要がある最小半径です。フレックス ケーブル アセンブリは、これらの曲げ半径が満たされていない場合に裂けたり裂けたりする傾向があるため、次にLCDまたはモーター エンコーダ アセンブリを扱うときは、この点に細心の注意を払ってください。

同様に、頻繁に使用されるケーブルや、ユーザーによる取り扱いが多いケーブルでは、一般的に張力緩和を考慮する必要があります。多くの既製アセンブリにはこの機能が備わっていますが、通常はカスタム ケーブル設計にもこれを含めるのが最適です。追加するだけの簡単なことでも 熱収縮 コネクタの周りのチューブ、圧着部、ケーブルの一部（図を参照） 図3) は信頼性に大きな違いをもたらす可能性があります。

図3: 熱収縮チューブを装着したNオス-SMAメスケーブル（張力緩和用）

パフォーマンスが重要な要件である場合 (通常は速度ベース)、他の点も考慮する必要があります。ほとんどの高性能ケーブルには、放出される放射線と放射線に対する感受性の両方を低減するためのシールドが付いており、差動ワイヤは一緒に編まれ、近くの他のワイヤから絶縁されている場合があります。図4 3段階のシールドを備えたBlueriggerのHDMIケーブルのアセンブリを示します。

図4: BlueriggerによるHDMIケーブルアセンブリ

熱、湿気、衝撃、化学物質への暴露などの厳しい条件が存在する場合、導体、絶縁体/ジャケット、シールド、追加の防水/防炎コンポーネントなど、アセンブリ全体にわたって特定の材料を指定する必要がある場合があります。一般的に、厳しい条件に対して認定およびテスト済みの既製のケーブル（または少なくとも過酷な環境向けのカスタムアセンブリを専門とするベンダーのもの）を入手するのが最適です。航空宇宙、石油/ガス、海洋、軍事などの業界では、通常、このような状況が見られます。

既製のコンポーネントを使用するべきでしょうか?

既製のケーブルアセンブリについて少し説明しましょう。設計者は、アプリケーションで既製の、事前に作成された、事前に定義されたケーブル アセンブリをいつ選択する必要がありますか?カスタムケーブルを指定して生産を管理するよりも安価ですか?一般的には、そうです。ただし、カスタム ケーブル アセンブリを設計者が制御することで、機械的なルーティングとアセンブリを容易にするカスタム長さ、制御された材料とコネクタの選択、アセンブリ全体で適切に定格された材料、将来変更が必要になった場合の全体的な柔軟性の向上など、多くの利点が得られます。また、多くの場合、設計者には、フライングリードが備えられたファンやモーターアセンブリなどの選択肢すらありません。場合によっては、ベンダーがバッテリーやモーターなどのアセンブリをカスタム終端しますが、周辺コンポーネントをカスタム ケーブルに組み込む必要があるのは設計者である場合がほとんどです。

一方、既製のケーブルは、市場投入までの時間、組み立ての容易さ、一般的な接続の知識、ケーブル アセンブリの調達と調達の容易さ、および高いレベルの安全性と信頼性 (および過酷な環境) を必要とするアプリケーションのリスクの低減に役立つ可能性があります。既製のケーブルに対する1つの問題点は、陳腐化の管理です。ベンダーがケーブルの生産を中止することを決定した場合、電子機器に関する他の陳腐化のジレンマと同様に、新しいケーブル コネクタ/フットプリントに対応するために大幅な設計変更が必要になるリスクがあります。

したがって、答えは残念ながら、繰り返し出てくるテーマです。それはアプリケーションによって異なります。

カスタムデザインソリューションを選択すべきでしょうか?

カスタム設計されたケーブルの場合、単純な1線または2線のケーブル バンドルから、最も複雑なシステム向けの巨大なマルチエンドポイントのシールド付き編組絶縁アセンブリまで、あらゆるものを処理できるソフトウェア パッケージが多数用意されています。

一般的な機械設計スイートであるSolidworksには、ケーブル設計機能を含む電気アドオン スイート (Solidworks Electrical) があり、電気技術者はPCB接続とピン配置を定義し、それらの接続に基づいてケーブル図面とシステム図を作成できます ( 図5 を参照)。さらに、システム内の配線経路の完全な視覚化と計画を可能にすることで、プログラムの機械部分と一体化します。これにより、長さとルーティング機能を最適化しながら、ケーブル図面の繰り返しのリスクが大幅に軽減されます。Zuken E3は、ケーブル図面やシステム図用のすぐに使えるライブラリが満載された、もう1つの人気のケーブル設計パッケージです。

図5: システム図とケーブル図面から直接構築された多数のケーブル/ワイヤアセンブリのSolidworks Electrical 3Dルーティング視覚化

しかし、ハイエンドのソフトウェアが常に答えであるとは限りません。Microsoft Visioのようなシンプルなものでも、適切なケーブル図面を作成できます。図6 は、次の内容を含む基本的なカスタム設計のケーブル図の例です。

·       組み立てを明確に視覚化した施工図

·       詳細なエンドツーエンドのピン配置

·       ケーブルの長さの寸法と熱収縮チューブと内部はんだ接続の位置

·       部品番号付き部品表

·       アセンブリノート

·       リビジョンテーブルとヘッダーブロック

この1ページの図面に基づいて、ケーブルは完全に製造可能であるはずです。

図6

これらを設計するのは通常誰の仕事ですか?それはすべて、特定の企業に対するリソースの割り当てとエンジニアの帯域幅に依存します。一般的には、電気技師にケーブルを指定してもらうのが理想的ですが、実際の図面は誰でも作成できます。

結論

結論として、システム用のケーブルを指定する場合、考慮すべき点が数多くあります。既製のアセンブリとカスタム設計にはそれぞれ長所と短所がありますが、強力なソフトウェアとツールセットにより、設計者は迅速かつ低リスクで市場に製品を投入できるようになります。

ケーブル設計を描いてカスタム アセンブリのコストを調べることを恐れないでください。これは思ったほど面倒な作業ではなく、最終的には設計者が長期的にシステム設計をより細かく制御できるようになります。