重要なポイント
- -重大なエラーの21%は電源の欠落 - すべてのICに電源が供給されているか必ず確認してください
- -間違ったフットプリントが基板再製作の最大の原因 - すべてのシンボルをデータシートと照合してください
- -レイアウト前にERCを実行 - 接続エラーの80%を自動的に検出します
- -すべてのMCU電源ピンには3mm以内に100nFのデカップリングコンデンサが必要です
- -すべての外部コネクタにESD保護を追加 - わずかなコストで基板を守ります
はじめに
経験豊富なエンジニアなら誰でも、基板の再製作、あるいはさらに悪いことに量産まで進んでしまった回路図のエラーについての話を持っています。業界データによると、設計者が回路図フェーズだけで犯す可能性のあるエラーは100種類以上あり、重大な設計エラーの21%は電源の欠落に関連しています。
良いニュースは何でしょうか? ほとんどの回路図エラーは予測可能なパターンに従っています。これらの25の一般的なミスを認識できるようになれば、それらが高コストな問題になる前に発見できます。このガイドでは、PCBの故障を最も多く引き起こすエラーをカテゴリ別に整理し、それぞれの具体的な例と解決策を説明します。
電源のエラー、接続のミス、部品の問題、マイクロコントローラ固有の問題、保護回路の欠陥について説明します。各エラーについて、それがどのように見えるか、なぜ発生するか、そしてどのように防ぐかを学びます。
パート1: 電源エラー (1-6)
電源エラーは、重大な回路図ミスの中で最も一般的なカテゴリです。適切な電源のない回路は動作しません - これは絶対です。これらのエラーは、複雑な回路図では見落としやすいため、しばしば見過ごされます。
エラー1: 電源の欠落
問題
ICまたはモジュールに電源接続が全くない。これは明白に思えますが、最も一般的な重大エラーです(全重大エラーの21%)。
発生理由:
- 別のシンボルページに隠れた電源ピン
- シンボルに電源が暗黙的に含まれていると仮定
- 電源が別のユニットにあるマルチパートシンボル
- 電源ネットが更新されていないコピー&ペーストエラー
検出方法:
- ERCを実行 - "未接続電源ピン"警告を確認
- すべてのICをデータシートと照合 - 電源ピン数を数える
- 各コンポーネントのVCCとGND接続を確認
予防策:
すべてのICとその必要な電源レールをリストアップした電源監査スプレッドシートを作成します。各接続を確認したらチェックを入れます。
エラー2: 間違ったデカップリングコンデンサ値または配置
問題
デカップリングコンデンサが欠落している、間違った値がある、またはICから遠すぎる位置にある。これは電圧降下、ノイズ、不安定な動作を引き起こします。
一般的なミス:
- 100nFの代わりに10uFを使用(間違った周波数応答)
- 複数のIC間で1つのコンデンサを共有
- 回路図上にコンデンサはあるがPCB上で10mm離れた場所に配置
- 過渡電流需要のためのバルクコンデンサの欠落
修正方法:
- 100nFセラミック: 各電源ピンに1つ、3mm以内
- 10uFセラミック: IC毎に1つ、近くに配置
- 100uFバルク: 基板セクション毎に1つ
STM32/ESP32の場合: ルールはn x 100nF + 1 x 4.7uF、ここでn = VDDピンの数です。
エラー3: 逆極性コンデンサ
問題
電解コンデンサまたはタンタルコンデンサが逆向きに接続されている。これはコンデンサの故障、漏れ、過熱、あるいは爆発さえも引き起こす可能性があります。
発生理由:
- 回路図シンボルの極性が不明確
- 異なるフットプリント規則(+または-のマーキング)
- 入力フィルタリングと出力フィルタリングの混同
予防策:
- 可能な限りセラミックコンデンサを使用(無極性)
- タンタルの場合: 電圧定格は予想電圧より20%高くする必要があります
- 回路図上で+記号で極性を明確にマーク
- レイアウト中に再確認 - フットプリントストライプの向き
エラー4: 不十分な電圧ヘッドルーム
問題
リニアレギュレータの入力電圧が出力電圧に近すぎて、ドロップアウトが発生し、出力が不安定になる。
例:
7805(2Vドロップアウトの5Vレギュレータ)を6V入力で使用。出力は5Vではなく約4Vになります - レギュレータには最低7Vの入力が必要だからです。
ルール:
- 標準レギュレータ(78xx): 入力 >= 出力 + 2V
- LDOレギュレータ: 入力 >= 出力 + ドロップアウト(データシート確認)
- 入力電圧リップルと変動を考慮
エラー5: レギュレータの入出力コンデンサの欠落
問題
電圧レギュレータは安定性のために特定の入出力コンデンサを必要とします。値の欠落または誤りは発振または不良な調整を引き起こします。
レギュレータ問題の99%はコンデンサ関連です - 間違ったタイプ、間違った値、または間違った配置。
一般的なミス:
- データシートが電解コンデンサを指定している場合にセラミックのみを使用(ESRが重要)
- 入力インピーダンスに対して入力コンデンサが小さすぎる
- 出力コンデンサ値が安定範囲外
予防策:
常にデータシート推奨値に正確に従ってください。特にLDOの場合、出力コンデンサのESRが安定性に影響します - データシートで許容範囲が指定されています。
エラー6: 間違ったレギュレータピン配置
問題
同じパッケージの異なるレギュレータは異なるピン配置を持っています。間違ったライブラリシンボルを使用すると、入出力が入れ替わります。
典型的な例:
78xx正レギュレータと79xx負レギュレータは同一に見えますが、完全に異なるピン配置を持っています。7915を7815フットプリントで使用すると即座に破損します。
予防策:
- 常に実際のデータシートと照らしてピン配置を確認
- 汎用ライブラリシンボルを信用しない
- BOM上の部品番号が回路図シンボルと一致するか確認
パート2: 接続エラー (7-12)
接続エラーは、正しく見えても動作しない回路を作ります。これらは目視検査をパスすることが多いため、特に厄介です。
エラー7: データライン入れ替わり (TX/RX, MISO/MOSI, SDA/SCL)
問題
通信信号が交差している。UARTのTXとRXはデバイス間で入れ替える必要がありますが、SPIのMISO/MOSIは入れ替えるべきではありません(マスター視点で命名されているため)。
混乱:
- UART: デバイスAのTXはデバイスBのRXに接続(交差が必要)
- SPI: MOSIとMOSI、MISOとMISO(交差しない)
- I2C: SDAとSDA、SCLとSCL(交差しない)
- RS-485: AとA、BとB(ただし一部のデータシートではA/Bの意味が逆)
予防策:
最初のプロトタイプではデータラインに0オーム抵抗を追加します。信号が入れ替わっている場合、基板再製作なしで抵抗位置で交差できます。
エラー8: 未接続ネット
問題
接続されているように見える配線が実際には接続されていない、またはネットラベルが一致していない。
一般的な原因:
- 配線端点がグリッド上にない - 接続されているように見えるが実際は違う
- ネットラベルのタイプミス: "VCC" vs "Vcc" vs "VCC_3V3"
- ジャンクションドットのない4方向接続
- ネット名が更新されていないコピー&ペースト
検出:
- ERCが未接続ピンにフラグを立てる
- ネットリストレビューで孤立ネットを表示
- 各ネットラベルをクリックして、すべての期待される接続がハイライトされるか確認
エラー9: 同一ネット上の複数出力
問題
2つの出力ピンが一緒に接続されている - 1つがハイに駆動しようとし、もう1つがローに駆動し、競合と損傷の可能性が生じます。
重大エラーの18%はネット上の複数出力に関係しています。
例:
- 2つのMCU GPIOピンが両方とも同じネットで出力として設定されている
- レギュレータ出力が別の電源に接続されている
- 2つのロジックゲートが同じ信号を駆動
例外: オープンドレイン/オープンコレクタ出力はネットを共有できます(プルアップ付き)。
エラー10: グランド接続の欠落
問題
グランドピンを持つコンポーネントが接続されていない、または実際には接続されていない異なるグランドシンボル。
一般的な原因:
- それらを接続せずに異なるグランドシンボル(GND、AGND、DGND)を使用
- 電源コネクタを通してグランドが暗黙的であると仮定
- マルチパートシンボルでグランドが欠落
予防策:
グランドシンボルがすべて同じネット上にあることを確認します。EasyEDA/KiCadでは、GNDシンボルをクリックすると - 接続されている場合はすべてのグランドがハイライトされます。
エラー11: 間違ったネット名
問題
タイプミスまたは一貫性のない命名を持つネットラベルが、接続されていない信号を作成します。
例:
- "ENABLE" vs "EN" vs "ENABLE_N"
- "SPI_CLK" vs "SPI_SCLK" vs "SCK"
- アンダースコア vs ハイフン: "I2C_SDA" vs "I2C-SDA"
ベストプラクティス:
プロジェクト開始時にネット命名規則を確立します。一貫したプレフィックス(SPI_、I2C_、UART_)とサフィックス(アクティブロー信号には_N)を使用します。
エラー12: フローティング入力
問題
入力ピンが未接続のまま放置され、未定義状態にフロートし、不安定な動作、過剰な電流引き込み、または損傷を引き起こします。
フロートさせてはいけないピン:
- CMOSロジック入力(フローティング時に貫通電流を引き込む)
- 有効/無効ピン
- MCU設定ピン
- コンパレータ入力
修正方法:
すべての入力には定義された状態が必要です。プルアップまたはプルダウン抵抗を使用します(通常10k)。未使用のMCUピンには、出力として設定するか内部プルアップを有効にします。
パート3: 部品エラー (13-17)
部品エラーは、基板の再製作を必要とすることが多いため、最も高コストなミスの1つです。
エラー13: シンボルに対する間違ったフットプリント
問題
回路図シンボルは正しいが、関連付けられたフットプリントが物理部品と一致していない。これは基板再製作の最も一般的な原因です。
パッド間隔の0.5mmのエラーでも、部品のはんだ付けが不可能になります。
一般的な原因:
- 汎用フットプリントの使用(0805 vs 0603)
- シンボルとフットプリント間でピン1の向きが異なる
- メートル法 vs インペリアル法の混乱(mm vs mils)
- データシートの間違ったセクションからのパッド寸法
予防策:
"回路をダブルチェック、新しいライブラリ部品をトリプルチェック。" 常にフットプリントを物理部品またはメーカーのデータシートと照らして確認してください。
エラー14: 誤った部品値
問題
抵抗、コンデンサ、またはその他の部品値がアプリケーションに対して間違っている。
一般的なミス:
- uF、nF、pFの混同(104 = 100nF、104uFではない)
- 間違った値でのコピー&ペースト
- 分圧器の計算エラー
- 間違ったLED電流制限抵抗(明るすぎるまたは暗すぎる)
例:
2V LEDの順方向電圧と10mAの所望電流を持つ3.3V MCUの場合:R = (3.3V - 2V) / 10mA = 130オーム。1kを使用すると1.3mAしか得られません(暗いLED)。
エラー15: サイズ不足の部品
問題
回路が必要とする電圧、電流、または電力よりも低い定格の部品。過熱、故障、または火災を引き起こす可能性があります。
経験則:
- コンデンサ電圧: 動作電圧より25-50%高く定格
- 抵抗電力: P = I² x Rを計算、2倍の安全マージンを使用
- MOSFET電流: ピーク電流ではなく、連続ドレイン電流を確認
- インダクタ電流: 飽和電流はピーク電流を超える必要があります
故障例:
0.0625W定格の0402抵抗が0.1Wを消費すると、過熱して故障します。
エラー16: 廃止または入手不可能な部品
問題
製造終了、在庫切れ、または不可能なほど長いリードタイムを持つ部品で設計している。
設計前に確認:
- 部品ライフサイクルステータス(アクティブ、NRND、廃止)
- 主要販売店での現在の在庫
- 大量注文のリードタイム
- セカンドソースの代替品
エラー17: 間違ったピン割り当て
問題
ライブラリシンボルのピン番号または名前が実際の部品と一致していない。
一般的なケース:
- マルチゲートIC(ゲートごとに異なるピン番号)
- FET(G/D/S配置の変動)
- コネクタ(ピン1の位置がメーカーによって異なる)
- ユーザー作成ライブラリ部品
予防策:
回路図とデータシートを並べて印刷します。重要な部品のすべてのピン割り当てを手動で確認します。
パート4: マイクロコントローラエラー (18-21)
マイクロコントローラ回路には、間違いやすい特定の要件があります。これらのエラーは、断続的または デバッグが困難な問題を引き起こすことがよくあります。
エラー18: リセット回路の欠落または誤り
問題
リセットピンがフローティング、プルアップ値が間違っている、またはノイズフィルタリングが欠落していると、ランダムなリセットまたは起動失敗を引き起こします。
一般的なミス:
- 100kプルアップが弱すぎる(ノイズがリセットをトリガーする可能性)
- リセットピン上のフィルタコンデンサの欠落
- ノイズの多い信号近くに配線されたリセットライン
- プログラマが上書きするには強すぎるプルアップ
推奨回路:
- VCCへの10kプルアップ抵抗
- RESETからGNDへの100nFコンデンサ
- オプション: クリーンなパワーオンリセットのための外部リセットIC
エラー19: 電源ピンごとのデカップリングの欠落
問題
複数のVDDピンを持つMCUに1つのデカップリングコンデンサを使用している。各電源ピンには独自のローカルデカップリングが必要です。
ルール:
VDDピンごとに1つの100nFセラミックコンデンサ、ピンから3mm以内に配置。 さらにチップごとに1つの10uFバルクコンデンサ。
重要な理由:
異なるMCUセクション(コア、ペリフェラル、ADC)は異なるピンから電流を引き込みます。共有デカップリングでは各セクションのローカルエネルギー貯蔵を提供できません。
エラー20: 水晶回路エラー
問題
間違った負荷コンデンサ値、コンデンサの欠落、または過度のトレース長が発振器の起動を妨げます。
一般的なミス:
- 水晶に合わせた負荷コンデンサ値でない
- セラミック共振器の値を水晶に使用
- 寄生容量を追加する長いトレース
- 水晶の下のグランドプレーンの欠落
負荷コンデンサ計算:
CL_total = (C1 x C2) / (C1 + C2) + C_stray
ここでCL_totalは水晶指定の負荷容量と一致する必要があり、C_strayはPCBトレースから通常2-5pFです。
エラー21: ブート/ストラッピングピンのミス
問題
ブートモード選択ピンがフローティングまたは間違った状態に設定されており、MCUが間違ったモードに入る(通常動作の代わりにブートローダー)。
例:
- STM32: BOOT0はフラッシュからの通常ブートのためにLOWである必要があります
- ESP32: GPIO0は通常動作のためにブート時にHIGHである必要があります
- AVR: RESETは通常動作のためにプルアップが必要
予防策:
データシートの"ブート設定"セクションを注意深く読んでください。ブートモード変更を可能にするテストポイント付きのプルアップ/プルダウン抵抗を追加します。
パート5: 保護と安全性のエラー (22-25)
欠落している保護回路は、基板が動作することを妨げません - 何かが間違うまでは。そして、高コストな故障を引き起こします。
エラー22: ESD保護の欠落
問題
TVSダイオードまたはその他のESD保護なしの外部コネクタ。ユーザーのタッチまたはケーブル接続が敏感なICを破壊する可能性があります。
ルール:
外部からアクセス可能なすべての接続を保護: USB、イーサネット、ボタン、ディスプレイ、カードスロット、アンテナ接続。
一般的なミス:
- コネクタから遠すぎる位置に配置されたTVSダイオード(エントリーポイントである必要があります)
- IC絶対最大定格より高いクランプ電圧
- 高速信号に対してTVS容量が高すぎる
- 単方向TVSで間違った極性
エラー23: 逆極性保護なし
問題
バッテリーまたはDCジャックが逆向きに接続されると、基板全体が破壊されます。
保護オプション:
- 直列ダイオード: シンプルだが0.3-0.7Vを無駄にする
- P-FET: 低損失(20-50mV)、バッテリーデバイスに推奨
- 理想ダイオードコントローラ: 最高のパフォーマンス、高コスト
必要な場合:
ユーザー交換可能なバッテリーまたは極性反転が物理的に可能なDC電源入力を持つ製品。
エラー24: 電流制限の欠落
問題
外部接続がショート回路する可能性があり、無制限の電流を引き込み、トレースまたは部品を損傷します。
電流制限を追加:
- 電源出力上のリセット可能ヒューズ(PTC)
- 外部デバイスを駆動するGPIOピン上の直列抵抗
- USBホストポート用の電流制限IC
エラー25: 過電圧保護なし
問題
過渡現象、間違った電源、またはモーター/リレーからの逆起電力により、入力電圧が部品定格を超えます。
保護方法:
- 電源入力上のTVSダイオード(過渡現象をクランプ)
- 入力ヒューズ(過電圧中の電流を制限)
- クローバー回路(重度の過電圧用)
- 誘導負荷上のフライバックダイオード
エラー検出ツール
電気ルールチェック (ERC)
回路図エディタのERCは第一の防衛線です。自動的に以下を検出します:
- 未接続ピン
- 同じネット上の複数出力
- 欠落した電源接続
- ネットラベルの不一致
最後だけでなく、編集セッション後毎にERCを実行してください。
デザインルールチェック (DRC)
DRCはPCBレイアウト上で実行されますが、次のような回路図の問題を検出します:
- 未配線ネット(接続エラー)
- ショート回路
- フットプリントとシンボルの不一致
回路図比較ツール
Altium Designerの回路図比較などのツールは、リビジョン間の変更を表示し、意図しない変更を検出するのに役立ちます。
AI搭載レビュー (Schemalyzer)
自動回路図分析ツールは、ERCが見逃すエラーを検出できます。例えば、欠落したデカップリングコンデンサ、誤った部品値、保護回路のギャップなどです。
クイックリファレンスチェックリスト
回路図をレイアウトに送る前に、このチェックリストを使用してください:
電源
- すべてのICに電源とグランド接続がある
- 電源ピンごとに100nFデカップリング
- データシート通りのレギュレータ入出力コンデンサ
- コンデンサ極性が正しい
- レギュレータのための十分な電圧ヘッドルーム
接続
- ERCがエラーなしでパス
- すべてのネット名が一貫している
- TX/RX、MISO/MOSI接続が確認済み
- フローティング入力なし(プルアップ/ダウン追加済み)
部品
- データシートと照らしてフットプリント確認済み
- 部品定格が動作条件を超えている
- 部品が入手可能で廃止されていない
マイクロコントローラ
- プルアップとフィルタコンデンサ付きリセット回路
- 水晶負荷コンデンサが正しく計算されている
- ブートピンが正しいブートモード用に設定されている
保護
- 外部コネクタのESD保護
- 電源入力の逆極性保護
- 必要な箇所の電流制限
まとめ
回路図エラーは避けられませんが、基板の再製作は避けられます。これらの25の一般的なミスを理解することで、修正にコストがかからない設計段階でそれらを検出できます。
重要なポイント:
- ERCを常に実行 - ほとんどの接続エラーを検出します
- すべてのフットプリントを確認 - 間違ったフットプリントが再製作の最大の原因です
- すべての電源ピンを確認 - 電源の欠落が最も一般的な重大エラーです
- 保護回路を追加 - わずかなコストで基板を守ります
- 第三者のレビューを受ける - 新鮮な目があなたが見逃すものを発見します
特定のプロジェクト用のチェックリストを作成し、一貫して使用してください。レビューに費やされるわずかな時間が、数日間のデバッグと数週間の基板再製作時間を節約します。
よくある質問
PCB故障の何パーセントが回路図エラーによって引き起こされますか?
研究によると、PCB問題の40-60%は回路図フェーズで発生します。最も一般的なカテゴリは、電源関連エラー(21%)、ネット上の複数出力(18%)、フットプリントの不一致です。
設計が正しく見えてもERCを実行すべきですか?
絶対に。目視検査は、ERCが自動的に検出するエラーを見逃します。最後だけでなく、編集セッション後毎にERCを実行してください。クリーンなERCは、レイアウト前の最初のチェックポイントです。
MCUには何個のデカップリングコンデンサが必要ですか?
VDD/AVDDピンごとに1つの100nFセラミックコンデンサ、ピンから3mm以内に配置。さらにMCUごとに1つの10uFまたは4.7uFバルクコンデンサ。STM32の場合、ルールはn x 100nF + 1 x 4.7uF、ここでn = 電源ピンの数です。
内部コネクタのESD保護をスキップできますか?
外部世界に決してさらされることのないコネクタ(内部基板間)の場合、ESD保護をスキップできることがよくあります。しかし、ユーザーに触れられる可能性、組み立て中に露出される、または外部ケーブルに接続される可能性のあるコネクタは、保護が必要です。
フットプリントエラーを検出する最良の方法は何ですか?
注文前に: PCBレイアウトを1:1スケールで紙に印刷し、実際の部品をプリントアウトに置きます。この物理的なチェックがほとんどのフットプリントエラーを検出します。また、EDAツールで利用可能な場合は3Dプレビューを使用してください。