PCBニュース - 組み込み型スイッチング電源のPCB設計

いずれのスイッチング電源の設計においても、PCBボードの物理設計は最後の一環である。設計方法が適切でないと、PCBは電磁干渉を放射しすぎて、電源の動作が不安定になる可能性があります。デザイナーとしては、回路の物理的な動作原理を理解し、高品質のPCBを設計しなければなりません。

スイッチング電源は高周波信号を含む。PCB上のどのプリント配線もアンテナとして使用できます。印刷ラインの長さと幅は、インピーダンスとインダクタンスに影響し、周波数応答に影響します。DC信号を通過するプリント配線であっても、隣接するプリント配線からの無線周波数信号と結合し、回路の問題（さらには干渉信号の再放射）を引き起こす可能性がある。したがって、AC電流を流すすべての印刷ラインは、印刷ラインと他の電力ラインに接続されているすべてのコンポーネントが非常に近くに配置されていることを意味する、できるだけ短く広く設計されている必要があります。印刷線路の長さはインダクタンスとインピーダンスに比例し、幅は印刷線路のインダクタンスとインピーダンスに反比例する。長さは印刷ラインの応答波長を反映している。長さが長いほど、プリント配線が電磁波を送受信する周波数は低くなり、より多くの無線周波数エネルギーを放射することができます。電源スイッチや同期整流機能を設計するために適切なMOSFETを選択することも、電磁干渉を減らすのに役立ちます。MOSFETデバイスが電源をオフにすると、低Cイオンイオンイオンイオンイオン1/4（FDS 6690 Aなど）はスパイク干渉を低減することができる。主電流回路の3種類の主スイッチング電源の電流回路構造であり、その違いに注意する。各スイッチング電源には4つの電流回路があり、これらの回路は相対的に独立しています。レイアウトの良いPCBでは、電源スイッチ交流回路出力整流器交流回路入力信号源電流回路出力負荷電流回路入力信号源と出力負荷電流ループは通常問題ない。これらの回路における電流波形は、大きな直流電流と小さな交流電流の重畳である。2つのループは、通常、周囲の環境に交流ノイズが漏れるのを防ぐために特別なフィルタを必要とします。入出力電流回路は、フィルタコンデンサの端子から電源に接続するしかない。入力回路は、近似的な直流電流によって入力コンデンサを充電するが、スイッチング電源に必要な高周波電流パルスを供給することはできない。フィルタコンデンサは主に広帯域エネルギー貯蔵器の役割を果たす、同様に、出力フィルタコンデンサは、出力負荷回路の直流エネルギーを除去しながら、出力整流器からの高周波エネルギーを記憶するためにも使用される。そのため、入出力フィルタコンデンサの端子は非常に重要である。入出力回路と電源スイッチ/整流器回路との接続がキャパシタの端子に直接接続できない場合、交流エネルギーは入出力または出力フィルタキャパシタを「通過」し、環境に放射されます。2つの基本PWM動作モードの電流波形は、スイッチング周波数よりもはるかに高い高調波電流波形を生成する。電源スイッチ及び整流器の交流回路は、高振幅台形電流波形を含む。これらの波形の高調波成分は非常に高く、それらの周波数はスイッチの基本周波数よりはるかに大きい。これらの交流電流のピーク振幅は、連続入出力直流電流振幅の5倍に達することができる。移行時間は通常約50 nsである。この2つの回路は電磁干渉を最も発生しやすい。電源に他のプリント配線を配線する前に、設計者はこれらの交流回路を配置する必要があります。各回路の3つの主要部品（フィルタコンデンサ、電源スイッチ、整流器、インダクタ、変圧器）は隣接して配置し、調整しなければならない。部品を位置決めして、それらの間の電流経路をできるだけ短くして、電流経路の長さを短縮することを確保する。これらの回路におけるプリント配線はコンバータの測定効率にも最大の影響を与える。DPAKやSO-8などのパッケージを選択すると、放熱しながら信号伝送を行うことができます。Fairchildと他のベンダーの製品は、放熱機能と信号伝送機能を組み合わせることができます。接地は重要接地は前述の電流回路の底部分岐であるが、回路の共通参照点として重要な役割を果たしている。そのため、レイアウト時に接地線の配置をよく考慮する必要があります。さまざまな接地を混合すると、電源の動作が不安定になります。スイッチング電源構造の3つの主要な接地スキーム。設計では、別の制御点が考慮されていることを確認してください。制御ICと関連する受動素子すべてに接続される接地点であり、非常に敏感です。そのため、他の交流回路を配置してからしか配置できません。接地と他の接地との接続を制御する点は非常に特殊です。一般に、接続点は、小電圧を誘導する制御ICのすべてのコンポーネントの共通端に位置する。これらの接続点には、電流モードスイッチング変換器における電流感受性抵抗器の共通端と出力抵抗器分圧器の底端が含まれる。その機能は、敏感素子と電圧誤差や電流増幅に敏感な入力との間に低ノイズKelvinを確立することである。せつぞく制御接地が他の点に接続されている場合、これらの追加の回路で発生したノイズは制御信号に重畳され、制御集積回路の動作に影響を与えます。設計者は、大電流接地端子ごとにできるだけ短く広いプリント配線を使用することを確保しなければならない。通常、フィルタコンデンサの共通端子は、他の接地点を大電流AC接地に結合する唯一の接続点であるべきである。高圧ACノードの各スイッチング電源にはノードがあります。他のノードに比べて交流電圧が最も高い。このノードは、電源スイッチのドレイン（またはコレクタ）に現れる交流ノードです。非絶縁DC／DCコンバータでは、ノードはインダクタおよび（または出力される）整流器に接続することもでき、分離トランスの構造では、このノードはトランスのコイルから分離される。電気的な性能ではまだ共通のノードですが、トランスにのみ反映され、各ノードは個別に設計する必要があります。このノードには別の問題があります。その交流電圧は、近くの異なる金属層の印刷線に容量結合し、電磁干渉を放射することができる。しかし、プリント配線は通常、電源スイッチと整流器、特に表面に取り付けられた電源のためにも放熱しなければならない。電気的にはプリント配線はできるだけ小さくすべきだが、放熱の観点からはもっと大きくすべきだ。表面実装の設計には、上部PCBプレートと下部PCBプレートを同じにし、多くの穴（またはビア）を介して接続するためのトレードオフ方法があります。これはPCB板の放熱能力を高め、他のプリント配線の容量結合を減らす良い方法である。この技術は他の印刷配線との容量結合を大幅に削減したが、放熱と表面積を2倍に増加させた。SO 8パッケージのNチャネル電力MOSFET（FDS 6670 Aなど）を例にとる。上層部は325 mm²の銅面積しかなく、空気と接触する熱抵抗は50（C/W、PCB下地のもう1つ）である。同じプレートが8つのビアを介して接続され、プレートの反対側に異なる信号を持つ金属線がないため、コンデンサの容量は1桁以上低下する。ビア用途では、他の信号と接地は高圧交流ブラシ線と放熱のための部品から離れなければならない。オフラインコンバータでは、アース線がそのノードからのエネルギーを結合し、交流プラグを通じて製品を引き出し、過剰な伝導電磁干渉を発生させる可能性がある。並列フィルタコンデンサは通常並列に使用され、フィルタコンデンサの並列等価直列抵抗（ESR）を低減する。この方法はまた、各キャパシタがリップル電流仕様内で正常に動作するように、各キャパシタがリップル電流の一部を分流することを可能にする。コンデンサと各リップル電流源との間のプリント配線インピーダンスが同じ場合にのみリップル電流が「平均」され、整流器または電源スイッチ管間のコンデンサ間のプリント配線は長さと幅が等しくなければならない。並列コンデンサの適切な配置はスイッチング電源設計の鍵の1つである。コンデンサを列に並べて順番に接続するのはとてもきれいです。しかし、このレイアウトにより、電源スイッチや整流器に最も近いキャパシタが他のキャパシタよりもリップル電流を多く受け、キャパシタの寿命が短くなります。

以上は、組み込み型スイッチング電源PCBの設計について説明しました。IpcbはPCBメーカーとPCB製造技術にも提供されている。