エレクトロニクスとPCBのモジュラー化 

メカニカルソリューションがエレクトリックソリューションに急速に取って代わられる中、多くの企業は新しい電気設計のボトルネックを経験すると同時に、既存の電子機器はより複雑になっています。これらの課題により、多くの企業は、過去数年間現実となっている半導体コンポーネント不足を考えると、新しい機能を実装するのではなく、古い設計を維持することに取り組んできました。では、どうすればこの傾向を逆転させることができるでしょうか。 

推奨事項の1つは、機械工学とソフトウェア工学の両方で何十年にもわたって使用されてきた方法論であるモジュラー化です。この実証済みのソリューションは、正しく適用された場合、その傾向を変える可能性があります。 

この記事では、電子機器モジュラーシステムとは何かを簡単に説明し、いくつかの利点について説明します。 

エレクトロニクスモジュラー化とは何ですか? 

電子機器とPCB(プリント回路基板)のモジュラー化について議論するとき、モジュラー化には2つの主要なレベルがあります。 

最初のレベルはシステムのアーキテクチャレイアウトで、電子機器が1つの場所に集中化されているか、製品全体に分散されているかを説明しています。典型的な例は、モーターのドライブエレクトロニクスがモーターハウジング内に配置されている場合です。それでも、アーキテクチャの観点からは、代わりにモータードライブを集中させ、モーターにのみ電力を供給することは可能かもしれません。これらのタイプの決定は、システムのコストと柔軟性に大きな影響を与える可能性があります。 

電子機器のモジュラー化の第2レベルはPCBレベルであり、電子機器を1つの物理的な場所に分割したり、1つのPCBに統合したりする方法を記述します。1つに統合すると、PCBの物理的な実現は構成によって異なる場合でも、設計の論理部分を再利用できる可能性があります。これは、ここでさらに説明するモジュラー化のレベルです。 

この基準に基づいて、モジュラーエレクトロニクスシステムは、エレクトロニクスがモジュールに分割され、これらのモジュールが互いにどのようにインターフェイスされるかを記述します。さらに、各モジュールには、バリアントを限定するための対応するルールと、必要な機能を実行するソリューションを作成するためのこれらのコンフィギュレーション方法があります。 

一般的な電子機器の問題点 

電子機器設計リソースのボトルネックにより、企業は製品ポートフォリオのアップデートや追加機能のリリースの目標を達成できないことがよくあります。この状況の一般的な原因には、次のようなものがあります。 

• エンジニアは、品質に問題のある古い設計を維持し、最終購入コンポーネントを交換したり、代替部品を追加したり、既存の設計に小さな改善を加えたりします。 
• システム/製品の検証は重要なリソースを消費し、多くの場合、リリース前に再設計が行われ、工業化と生産のセットアップで手直しが必要になる場合があります。 
• サプライチェーンの混乱による部品不足の増加。さまざまなサプライヤーにコンポーネントをアウトソーシングして不足を管理すると、生産停止を回避するための追加の作業が発生します。 
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図1:設計と製造における典型的なPCBエレクトロニクスの問題点 

 モジュラー化によるより良い方法 

実績のある設計ブロック(モジュール)を高度に再利用し、製品設計における固有の部品の数を減らしたモジュラー設計により、この状況を改善できます。また、モジュール式の電子機器設計により、製品ポートフォリオ全体に最新の設計を迅速に導入する能力が大幅に向上し、労力と市場投入までの時間(TTM)が短縮されます。実績のあるモジュールを再利用することで、品質の問題が軽減され、製品のメンテナンスに費やされる電子工学リソースは、代わりに新しい設計の開発にシフトできます。 

物理および論理PCBモジュール 

PCBのモジュラー化について議論する際の重要な決定の1つは、コンポーネントを複数のボードに配置するか、単一のボードに統合するかです。複数のボードに分割すると、ソリューションの構成が容易になりますが、共有メインボードは1つ以上のドーターボードと組み合わされます。ただし、これには、コンポーネントのコスト、堅牢性、および幾何学的サイズに大きなペナルティがある場合があります。 

図2:複数のボードに分割することで、調達して在庫を維持するアイテムの数を大幅に減らすことができます。この例では、8 つの項目を 36 の異なるソリューションに構成できます。 

別の解決策は、単一のPCBAに配置される論理モジュールを識別することです。この構成には、同じサプライチェーンの利点はありませんが、ハードウェアとソフトウェアの両方のエンジニアリングとテストにおいてかなりのメリットがあります。 

図3: 回路図/レイアウトモジュールからのPCBA構成 

物理モジュール – サプライチェーンにおけるコンポーネントの複雑さに対する大きな影響 

物理PCBモジュールには、幾何学的インターフェイス(空間的制約、機械的アタッチメント)と、信号や電力を転送するための電気的インターフェイスの両方があります。物理的には、ボードはケーブルまたは基板対基板接続で接続できます。 

ケーブルハーネスは、モジュールバリアントを備えた独自のモジュールとして、またはケーブルバリアントが追加のモジュールバリアントを大幅に生成していない場合はモジュールの一部として表示できます。ケーブルのバリエーションを減らすことに重点を置くかどうかは、バリアントの管理に必要な労力に依存します。ケーブルハーネスが最終組立に近いところで製造される場合は労力が限られますが、リードタイムの長い遠方の工場に製造を委託する場合は、ばらつきの低減が重要です。 

論理モジュール – 高いデザインの再利用性 

同じ部品が異なる構成で再利用される物理モジュールを作成することが不可能な場合でも、モジュラー化と設計の再利用の恩恵を受ける可能性があります。コンポーネント、回路図、およびレイアウトを複数のPCBA間で再利用できる場合は、代わりに論理レベルで再利用が容易になります。この場合, サプライチェーンは依然として多くの異なるPCBAを調達または製造する必要があります, しかし、自動化された生産と組み立てでもそれに対する他の救済策があります.すべてのプロセスは、調和のとれたレイアウトの恩恵を受けることができます。 

4種類のPCBモジュール 

PCBモジュラー化の最初のステップは、使用するコンポーネントを調和させることです。たとえば、すべての製品を同じプロセッサで管理できれば、ソフトウェア開発およびソーシング機能に大きなメリットがあります。 

PCBモジュラー化の2番目のステップは、ソリューション内の機能ユニットを記述する複数のコンポーネントを含む回路図を設計することです。このタイプの回路図は通常、RF通信などの特定の機能に分離されており、BTLE、Zigbee、Wi-Fiなど、さまざまな目的で代替のバリエーションがある場合があります。 

PCBモジュラー化の3番目のステップはレイアウトモジュールです, これはより大きなPCBAの一部と見なすことができます.この部分は、実際のPCB上のスペースを予約し、インターフェイスの位置とタイプを指定します。 

4番目のステップは、モジュールを別のPCB (上記の物理モジュール) に分割することです。 

少量の製品モジュールは、事前に構築された物理バリアントを作成することで、本格的な利点の恩恵を受けることができます。同時に、さらなる最適化が可能な大量生産製品で使用できる準備されたレイアウトモジュールまたは回路図の恩恵を受けます。このように、TTMはすべてのケースの設計とテストの恩恵を受け、少量生産の製品はボリューム統合によるスケールの利点の恩恵を受けることができます。 

図4:PCBモジュールタイプの利点は、物理モジュールに移行するにつれて増加します。