【回路設計ソフト】回路設計やCADの概要とは？

回路設計とは電子回路基板の構築であり、様々な電気製品を動かす電子回路を設計することです。大きく「デジタル回路設計」と「アナログ回路設計」に分類できます。それぞれで求められる技術は異なりますが、基本的には同じ流れで設計を行っていきます。回路設計の流れは以下のとおりです。

1．仕様書作成

開発する製品が持つべき機能を洗い出し、要求に合わせた仕様を決定するフェーズです。要求仕様書、ユニット設計仕様書、ブロック設計仕様書の順番で、製品全体の機能から機能ブロックごとの詳細な仕様までを決定し、仕様に従って回路図を作成します。この段階で抜けもれがあると大幅な手戻りが発生するため、慎重にレビューを行い、仕様書を完成させることが重要になってきます。

2．電子回路図作成

仕様書に合わせて電子回路図を設計するフェーズです。回路図では、抵抗やコンデンサ、トランジスタ、ICなどを組み合わせて、論理的に求められている機能を達成していきます。基本的にはブロックごとに設計を行い、既存の回路がある場合はできる限り流用して設計することで、不具合の低減につながります。回路図は手書きでも作成できますが、回路図CADソフトウェアを使用するのが一般的です。

3．アートワーク作成

回路図が完成したら、プリント基板に回路図を実装するための基板設計（アートワーク作成）を行います。回路図は、論理的に機能を実現するための情報ですが、実際に部品やパターンを作成すると、回路図にはないパターンや部品による影響が発生します。これらが不具合の原因とならないように、部品配置やパターン形状を工夫することが基板設計の重要なポイントです。こちらもCADを利用して設計するのが一般的です。

4．試作・評価

基板設計のデータをもとに試作基板を製造し、機能を満たしているか検証するフェーズです。各機能の動作確認や性能確認はもちろんのこと、電源の変動や熱、ノイズ、振動など、様々な外乱に耐えられるかどうかを耐環境試験で確認します。開発時は、屋内の安定した環境で使用されますが、製品として供給した後は屋内と比べて劣悪な環境で使用されることも多いです。

実際に使われる環境を想定し、必要な試験内容を洗い出すことも設計者としての重要な仕事です。機能を満たしていなかったり、不具合が発生したりしたときは開発を一旦止め、原因の究明と対策方法を検討します。

検討が済めば不具合を解消するために設計変更を行い、再度試作して評価します。

5．修正・量産移行

不具合が改善するよう設計を修正し、再度試作して正常に動くことを確認したら、開発フェーズは終了です。量産に移行するために、製造担当者に必要な情報を提供します。

このように、5つのフェーズで回路設計は行われます。

回路図設計とアートワークには、回路設計CADソフトウェアを利用することは必須といえます。回路設計CADソフトウェアが必要となる理由として、以下が挙げられます。

1．回路設計の正確性を高めるため

回路設計には注意すべきポイントが多々あります。どれか一つでも欠ければ、正常に動作する基板は完成しません。しかし、人が設計する以上、どうしてもミスが発生する可能性は大きいです。修正に工数がかかるだけでなく、最悪の場合、量産後に不具合が発覚することもあります。その点、回路設計CADソフトウェアは自動でミスを発見してくれるので、不具合の可能性を減らすことにつながります。回路図とアートワーク、さらに各種シミュレーターを連携させれば、より高い精度で問題点を発見し、不具合の未然防止に役立てることができるでしょう。

2．開発工数を削減するため

回路設計における不具合を未然に防止するため、時間をかけて様々な可能性を考慮し、最適な設計を行う必要があります。しかし、設計者の工数にも限りがあるので、できるだけ作業時間を減らしたいのも事実です。回路設計CADソフトウェアを利用すれば、回路図やアートワークが書きやすくなります。さらに、部品ライブラリ機能、自動配線や配線サポート機能、自動チェック機能などで作業時間を大幅に削減することが可能です。作業効率を上げることで、設計者が最も重要な検討作業に集中できるメリットもあります。

3．設計情報を組織内で共有・連携させるため

回路設計CADソフトウェアには、設計自体の作業効率を上げると同時に、情報を保存・共有するメリットもあります。回路図やアートワークはデータとしてサーバーに保存され、誰でも見ることができます。設計変更の履歴も残るので、長期的な管理も容易に行えます。データをコピーするだけで、次の設計に簡単に流用できるのもメリットです。また、回路図やアートワークをシミュレーターなどと連携すれば、回路の品質向上や不具合の未然防止による工数削減なども期待できます。製造設備の設計や部品表のやり取り、在庫管理など、製造部門との連携にも役立つので、開発部門以外の作業をスムーズにすることも可能です。

CADとは

上記で回路設計ソフトを「CAD」と記載しましたが、実際はCADという単語は「Computer-Aided Design」の略であり、コンピュータによる設計支援ツールを指します。CADは、コンピュータ上で簡単に製図ができるツールです。これまでは紙に手書きで製図していたものをデータで作成でき、完成形を2D・3D図面としてプレビューできます。現在は手書きの製図に代わり、多くの業界で使われているツールになります。回路設計CADソフトウェアはあくまでその一つであり、他にも機械CADや建築CAD、土木CAD、服飾CADなど、2次元や3次元を問わず数多くの種類が存在しています。

回路設計CADソフトウェアの特長

回路設計CADソフトウェアの特長は以下のとおりです。

• 回路図用とアートワーク用の2種類が存在
• ライブラリ登録した部品を1クリックで配置可能
• 基本は2Dでの設計だが、多層基板設計に必要なレイヤー構造を利用可能
• 等長配線やインピーダンス指定配線、GNDベタ自動配置などの自動配線機能が充実
• 回路図用とアートワーク用が連携可能
• 作成した図面をガーバーデータとして出力可能

回路設計CADソフトウェアは他にも様々な機能を有しており、製品ごとでサポートする機能は変わってきます。また、基板の規模や機能、用途などで必要となる製品も異なります。パッケージ品で対応できない場合、カスタマイズを依頼することもできます。

それにより、企業ごとに最適な回路設計CADソフトウェアを導入可能です。

回路設計は、電子回路が微細化・高密度化していくことにより、設計の規模や要求される技術レベルも上がっています。さらに、5G通信やIoT、AIなど、技術革新で生じる新しい製品は既存の回路設計技術では対応できず、技術開発を行う必要も生じます。しかし、需要の高まりとは反対に人手不足が顕著になってきており、設計に工数をかけることは難しいのが現状です。

そのため、設計を支援するツールが強く求められており、回路設計CADソフトウェアもさらに効果的に設計サポートが行えるよう、試行錯誤が続けられています。

将来的には、技術者が回路図設計や基板設計、検証作業など、これまで分担していた作業を、回路設計CADソフトウェアをはじめとするツールを使いながら、1人で行っていくことになるでしょう。

様々なツールが無料で手に入るようになっているので、回路設計を行う技術者は自らの専門分野に囚われず、開発工程を幅広く理解していくことが求められています。