PCBブログ - PCB設計とスイッチング電源要件

いずれのスイッチング電源設計においても、PCBボードの物理設計は一環である。設計方法が間違っていると、PCBは電磁干渉を出しすぎて電源の動作が不安定になる可能性があります。以下は、各ステップで注意しなければならないポイントの分析です。

1.原理図からPCBの設計過程

コンポーネントパラメータの設定->回路網テーブルの入力->設計パラメータの設定->手動レイアウト->手動ルーティング->設計の検証->レビュー->CAM出力。

2.パラメータ設定

隣接する電線間の間隔は電気安全の要求を満たす必要があり、操作と生産を容易にするために、間隔はできるだけ広くしなければならない。間隔は少なくとも電圧に適していなければならない。配線密度が低い場合には、信号線の間隔を適切に増やすことができる。ハイレベル差の信号線については、ピッチはできるだけ短く、ピッチを増やすべきです。加工中にパッドに欠陥が発生しないように、パッド内の穴縁とプリント基板縁との距離は1 mmより大きくしてください。パッドに接続されたワイヤが相対的に細い場合、パッドとワイヤとの接続は液滴形状に設計される。利点は、パッドがはがれにくいが、電線やパッドが切れにくいことです。

3.コンポーネントレイアウト

回路原理図の設計が正しく、プリント基板の設計が不適切であっても、電子機器の信頼性に悪影響を与えることが実証されている。例えば、プリント基板の2本の細い平行線が近くにあると、信号波形が遅延し、伝送路端の反射ノイズが発生します。電源と接地線による干渉は、製品のパフォーマンスを低下させます。したがって、プリント基板を設計する際には、正しい方法に注意する必要があります。各スイッチング電源には4つの電流回路があります。

1）電源スイッチ交流回路

2）出力整流器交流回路

3）入力信号源電流回路

4）出力負荷電流回路の入力回路は近似直流電流を通じて入力コンデンサを充電し、フィルタコンデンサは主に広帯域エネルギー貯蔵作用を果たす、同様に、出力フィルタコンデンサは、出力負荷回路から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使用される。そのため、入出力フィルタコンデンサの配線端子は非常に重要である。入出力電流回路は、フィルタコンデンサの配線端子から電源にそれぞれ接続されている必要があります。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て環境に放射されます。電源スイッチ及び整流器の交流回路は、高高調波成分及びスイッチの基本周波数よりはるかに高い周波数を有する高振幅台形電流を含む。ピーク振幅は連続入出力直流電流の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受けやすいので、電源中の他の印刷回路をこれらの交流回路の前に配置しなければならない。各回路の3つの主要なコンポーネント、フィルタコンデンサ、電源スイッチまたは整流器、インダクタまたはトランス――は互いに隣接して配置し、素子位置間の電流経路をできるだけ短く調整しなければならない。スイッチング電源のレイアウトを作成する方法は、電気設計と似ています。設計プロセスは次のとおりです。

1）変圧器の設置

2）電源スイッチ電流回路の設計

3）出力整流器電流回路の設計

4）制御回路を交流電源回路に接続する

入力電流源ループと入力フィルタを設計出力負荷ループと出力フィルタを設計回路の機能ユニットに基づいて、回路のすべてのコンポーネントのレイアウトは以下の原則に符合しなければならない：

1）まずPCBサイズを考慮すべきである。PCBサイズが大きすぎると、印刷回線が長くなり、インピーダンスが増加し、ノイズ耐性が低下し、コストが増加する。放熱が小さすぎてよくないので、隣接する線路が邪魔されやすい。回路基板は矩形で、長さ比は3：2または4：3であり、回路基板のエッジに位置するコンポーネントは通常、回路基板のエッジから2 mm以上離れています。

2）設備を置く時、将来の溶接を考慮して、あまり密集しないでください。

3）各機能回路のコンポーネントを中心に配置する。素子はPCB上に均一、整然と、コンパクトに配列し、素子間のリード線と接続をできるだけ減らし、短縮し、デカップリング容量はできるだけ素子のVCCに近づくべきである。

4）高周波で動作する回路については、コンポーネント間の分布パラメータを考慮する必要があります。一般的な回路では、素子はできるだけ並列に配置されなければならない。これにより、見栄えが良いだけでなく、溶接が取り付けやすく、量産が容易になる。

5）回路プロセスに基づいて各機能回路ユニットの位置を配置し、レイアウトを信号の流れを容易にし、できるだけ信号の方向を一致させる。

6）レイアウトの主な原則は配線の分布率を保証することであり、設備を移動する時にフライワイヤの接続に注意し、接続した設備を一緒に置く。

7）スイッチング電源の放射干渉を抑制するために、回路面積をできるだけ小さくする。

4.配線

スイッチング電源は高周波信号を含み、PCB上のどのプリント配線もアンテナとして機能することができる。プリント配線の長さと幅は、インピーダンスと誘導性リアクタンスに影響を与え、周波数応答に影響を与えます。直流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することができ、それによって回路問題（さらには干渉信号を再放射する）を引き起こすことがある。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源ラインに接続されているすべてのコンポーネントが一緒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。長さは印刷線応答の波長を反映している。長さが長いほど、印刷線が電磁波を送受信する周波数が低くなり、放射できる無線周波数エネルギーが多くなります。プリント基板の電流の大きさに応じて、できるだけ電源線の幅を増やし、回路の抵抗を下げる。同時に、電源線、アース線と電流方向を一致させ、ノイズ耐性を高めるのに役立つ。接地はスイッチング電源の4つの電流回路の底部分岐であり、回路の共通参照点として非常に重要な役割を果たし、干渉を制御する重要な方法である。そのため、レイアウトでは接地ケーブルをよく考えてみましょう。接地ケーブルを混在させると電源が不安定になる可能性があります。

接地ケーブルの設計では、次の点に注意してください。

1）単点接地を正確に選択一般的に、フィルタ容量の共通側は他の接地端と大電流に結合された接点と相互作用し、接地端は回路に近づくべきであり、対応する回路電源フィルタ容量は水平接地端にもあり、主に電流部分が接地端に戻る回路が変化していることを考慮し、干渉を導入するのは回路の実際のインピーダンスが回路の各部の接地電位の変化を招くからである。このようなスイッチング電源では、そのインダクタンスが配線と設備の間に与える影響は小さく、接地回路は干渉サイクルの形成に大きな影響を与えるため、単点接地を採用し、電源スイッチング電流回路（いくつかの設備の接地端で接地し、いくつかの設備の出力整流電流回路の接地端にも対応するフィルタ容量を採用し、これにより電源動作が安定し、自励しにくい。単点にすることはできず、2つのダイオードまたは1つの小抵抗を合わせた場合、実際にはより集中した銅箔に接続することができる。

2）接地線が細い場合、接地電位は電流の変化に従って変化し、電子機器のタイミング信号レベルは不安定で、ノイズ耐性性能が悪いので、必ず各大電流接地端でできるだけ短くて広い印刷線を使用し、できるだけ電源、接地線の幅を広くし、接地線は電源線より広く、それらの関係は：接地線＞電源線＞信号線、可能であれば接地線の幅は3 mmより大きく、また大面積の銅層を接地線とし、印刷板の上で、接地線を接地線としないでください。グローバル・ルーティングの場合は、次の原則にも従う必要があります。

1）配線方向：溶接表面から見ると、部品の配置はできるだけ原理図と一致し、配線方向は回路図の配線方向と一致している。生産過程では通常溶接表面の各種パラメータを検査する必要があるため、生産中に検査、調整、メンテナンスを容易に行うことができる（注：回路性能と機械設置とパネル配置の要求を満たす前提である。

2）配線図を設計する時、線路はできるだけ少なく曲がるべきで、印刷アーク上の線幅は変えてはいけなくて、線路の回転角は90度より大きくて、線路の簡潔さと明瞭さを求めます。

3）プリント基板は交差回路を許さない。線路が交差する可能性があるので、「ドリル」、「巻き」の2つの方法で解決することができる。つまり、1本のリード線を他の抵抗器、コンデンサ、トランジスタの底部の隙間から「ドリル」したり、1本のリード線の交差点から「迂回」したりすることは、特殊な場合には回路が非常に複雑であり、設計を簡略化するためにラインブリッジを使用することもでき、交差回路の問題を解決した。単一のパネルを使用しているため、直列アセンブリは上面に位置し、表面実装デバイスは底面に位置しているため、レイアウト中に直列アセンブリは表面実装デバイスと重複することができますが、パッドの使用は避けてください。入出力スイッチング電源と出力スイッチング電源は低圧DC-DCであり、出力電圧を一次変圧器にフィードバックするため、回路の両側には共通の参照が必要であるため、両側のアース線はそれぞれ銅線を敷設した後、接続して共通のアースを形成する

5.検査

配線設計が完成した後、設計者は配線設計が規則に合致しているかどうかをよく検査する必要があり、同時にPCB生産技術の要求に合致しているかどうかを確認する必要があり、一般的には線と線と部品パッド、線と連通孔、部品パッドと連通孔、通孔と通孔の間の距離が合理的であるかどうかを検査し、生産要求を満たしているかどうかを検査する必要がある。電源線とアース線の幅が適切かどうか、PCBにアース線を広げるスペースがあるかどうか。注意：一部のエラーは無視できます。例えば、一部のコネクタの輪郭はプレートフレームの外に配置されているため、検査間隔は間違っています。また、配線や穴を修正するたびに、銅を塗り直さなければなりません。「PCBチェックシート」に基づいて審査を行い、設計規則、層定義、線幅、間隔、パッド、穴設置を含み、またデバイスレイアウト、電源、接地網配線、高速クロックネットワーク配線とシールド、デカップリングコンデンサ配置と接続の合理性を重点的に審査する。

ライトグラフィックファイルを出力する際の注意事項：

a.ドリルファイル（NC Drill）を生成するほか、出力層配線層（底部）、スクリーン印刷層（上部スクリーン印刷、底部スクリーン印刷を含む）、溶接層（底部溶接）、ドリル層（底部溶接）

b.シルク印刷層の層を設定する場合は、部品タイプを選択しないでください。Outline、Text、Linecをトップ（ボトム）、シルクプリント層として選択します。各レイヤーのレイヤーを設定する場合は、Board Outlineを選択します。シルク印刷レイヤを設定するときは、「部品タイプ」ではなく、上部（下部）とシルク印刷レイヤの輪郭、テキスト、線を選択します。D.ドリルファイルを生成するときは、電源PCBボードのデフォルト設定を変更しないでください。