PCBブログ - スイッチング電源用のPCBボード設計を迅速に作成することについて

今日のスイッチングレギュレータと電源はよりコンパクトでより強力になっている。そして、より高いスイッチング周波数は、設計者に直面している主な問題の一つである。メイキング PCBボードはますます難しく設計する一方だ。事実上、PCBレイアウトは、良好で悪いスイッチング電源設計を区別する際の流域になった。この記事では、PCBレイアウトの作成方法についていくつかの提案を行います。

24Vから3.3Vまで下がる3Aスイッチングレギュレータを考えてください。このような10Wレギュレータを設計するのは最初は難しそうに見えず、設計者はすぐに実装段階に移動できるかもしれない。しかし、Webbenchのような設計ソフトウェアを採用した後、実際にどのような問題が発生しているかを見てみましょう。我々が上記の要件を入力するならば、WebenchはLM 25576（3 A - FETを含む42 V入力装置）をいくつかのICSから「Simple Switcher」家族で選びます。チップは、熱パッドを有するTSSOP - 20パッケージに収容される。ボリュームまたは効率のためのデザイン最適化は、Webbenchメニューに含まれます。設計は、大きなPCBボードスペースを必要とする大量のインダクタおよびコンデンサを必要とする。

効率が84 %であることは注目に値する。そして、この効率は、入出力差が非常に低いときに達成される。この例では、入力/出力比は7より大きい。一般に、段間比を低減するために2段回路を使用することができる。しかし、2つのレギュレータで達成された効率は良くないでしょう。それから、我々は、スイッチング周波数を選択します。PCBボードの面積・高いスイッチング周波数はレイアウト問題を引き起こす。Webbenchはすべての能動および受動部品を持つ回路図を生成できる。現在のパスを見てください。赤のオン状態のFETのループをマークします。緑色のオフ状態のFETのループをマークする。2色の領域と1色のみの領域を観測できる。後者の場合は特に注意しなければならない。それで、電流はゼロとフルスケールの間で交互になります。これらは高diの領域です。/dt. 高いdi/DT交流は、その周囲に大きな磁場を発生させるPCBボードワイヤだ。これは、回路内の他のデバイスに対する干渉の主な原因となり、同じまたは隣接する他の回路にもなる。これが交流でないと仮定すると、共通の電流経路は重要ではなく、di/DT効果はずっと小さい。一方で、これらの地域は時間をかけてより大きな負荷をもたらすだろう。この例では、共通の経路は、ダイオードカソードから出力へ、出力グランドからダイオードアノード24までである。出力コンデンサ電荷と放電として、このコンデンサは高diを生み出す。出力コンデンサを接続するすべてのセグメントは、2つの条件を満たす必要があります。そして、彼らはDIを最小にするのに可能な限り短くなければなりません。

PCBレイアウト設計の要点

事実上, 設計者はVoutからの配線とキャパシタへの接地によるいわゆる伝統的なレイアウトを実装すべきではない。これらのワイヤは大きな交流をもたらす。したがって、出力端子と接地端子をコンデンサ端子に直接接続することは、より良い方法である。このような交流はコンデンサにのみ現れる。コンデンサを接続する他のワイヤは、ほぼ一定の電流を流す。それで、diでどんな問題も/DTはよく分解される。地球は、しばしば誤解された難問である。単に“層2”に接地面を配置し、この層にすべての敷地を接続する非常によく動作しません。なぜ見ましょう。我々の設計例は、地面からソース（24 Vの自動車バッテリーまたは24 Vの電源）に流れなければならない3 Aの電流を持っています。ダイオードの接地接続、コーアウト、シンの負荷はより大きな電流フローを有する。スイッチングレギュレータの接地接続は、小さな電流フローを有する。同様のことは、抵抗器分圧器16の接地基準にも同様である。上記のグランドピンが1つのグランドプレーンに接続されている場合、地面バウンスが発生します。小さいけれども、回路（例えば、フィードバック電圧が得られる抵抗分割器のような）の高感度点は安定した接地基準を有しない。 このように、電圧調整精度全体が大きく影響される。実は第2のレベルグランドプレーンに隠された源も「リンギング」を生じて、見つけにくいです。それに、高電流接続は接地面にビアを使用しなければならない。干渉と雑音の別の源です。より良い解決は、回路の入力側および出力側の全ての高電流接地導体のためのCINグラウンドをスターノードとして接続することである。このスターノードは、グランドプレーンと2つの小電流接地接続（ICと分圧器）とを接続する。現在、地面はきれいです。高い電流なし、グラウンドバウンス、すべての高い電流の敷地は、CINグラウンドに接続されているスターです。デザイナーがしなければならないのは、可能な限り短く、太いものとして接地線（PCBの一番上の層のすべて）を保つことです。検査する必要があるノードは、それらが容易に妨げられるのでそれらの高インピーダンスノードである。クリティカルノードはICのフィードバックピンである。抵抗器除算器からの信号、FBピンは、増幅器（例えばLM 25576）又はコンパレータ（ヒステリシスレギュレータなど）への入力である。FBでのインピーダンスは両方の場合において非常に高い。したがって、抵抗器の分割は、FBピンの右側に配置する必要があります。抵抗分割器の中央からの短いワイヤで、出力から抵抗分割器へのリード線は、低インピーダンスであり、より長いリード線は、抵抗分割器22に接続するために使用され得る。ここで問題となるのは配線方法ではなく、配線長である。他のノードはそれほど重要ではないので、ノードの切り替えを心配しないでください。ダイオード、コーアウト、スイッチングレギュレータICのVINピン、またはシンです。

配線方法

配線方法は抵抗器の除算器に違いがある。このワイヤは、Coutから抵抗器除算器へ行く。そして、その地面はCoutに戻ります。ループが開いた領域を形成しないことを確認しなければならない。オープンエリアは受信アンテナとして機能する。我々がワイヤーの下の地面面が干渉がないことを確実とすることができるならば、それから、ワイヤーおよびワイヤの下のグランドおよびレイヤー1および2間の距離によって、囲まれる領域はまた、干渉のない現在、なぜ地面が層4の上になければならないかは明らかです。距離が大きくなったので、別の方法は、抵抗器分圧器の接地接続を層1に送ることである。そして、2つのワイヤーを平行に、そして、より小さな領域を作るためにできるだけ近くにある。これらのポイントは、信号が流れるすべてのワイヤーに適用されます。センサー接続、アンプ出力、ADCまたはオーディオアンプ入力等の各々のアナログ信号は、彼らが雑音を拾う可能性を減らすために処理されなければなりません。可能であるときはいつでも、オープンボード領域を最小にすることは低インピーダンストレースにも適用するこの場合、我々は潜在的な源（「アンテナ」）をPCBの他の部分または他の装置に妨害信号を発している。オープンボードエリアはより良い。他の2本の配線も重要です。ストリップは、ICのスイッチ出力からダイオード及びインダクタノードにあるつ目はダイオードからこのノードへ。これらの2本のワイヤは高いdiを有する/スイッチがオンのときとダイオードが電流を流しているときの両方のdt、それで、これらのワイヤーは、できるだけ短くて、厚くなければなりません。このノードからインダクタおよびインダクタからCoutまでのワイヤは、より臨界である。この例では、インダクタ電流は比較的一定で緩やかに変化する。我々がしなければならないすべては、それが電圧低下を最小にするために低いインピーダンス点であることを確認することです。

実用試料分析

メインコンポーネントは、MSOP - 8パッケージの外部FETで動作するコントローラです。缶の近くのスペースに注意を払う、このコンデンサの接地点はダイオードアノードに直接接続される。あなたは、“パワーグラウンド”の任意の短い内のワイヤを作ることはできません。FET [ SW ]は、カソードインダクタFET間の配線を短くするために数ミリメートル移動することができる。Court領域は見えない。しかし、我々は、抵抗器分周器（FB 1 - FB 2）がこのICに非常に近いと認めることができます。FB2は別の独立グランドプレーンに接続されている。また、ICの接地ピンも同様に処理される。「信号」地面を地面に接続するために、3つのビアを使ってください。そして、「電源」グラウンドは、また、1980年代のGNDピンに接続している PCBボード 三つのビアを使う。こう「信号」地面は、力グラウンドで起こるどんな地面弾みも見ません。あなたが上記の2、3の単純な規則に従うことができるならば、PCBレイアウト設計はスムーズになる。レイアウト設計開始前、時間を慎重に考慮してください。PCBボードレイアウト設計は、乗数効果を持ちます。これは、将来のスイッチング電源の異常な動作を解決するのに時間を節約することができます。

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