PCBブログ - PCBのスイッチング電源設計仕様について

任意のスイッチング電源設計で、PCBボードの物理的なデザインと関係があります。デザイン方法が適切でなければ、プリント基板は、あまりに多くの電磁干渉を放射し、電源が不安定に働く原因となります。各ステップで注意を払う必要があります。

1.PCBボードへの回路図からの設計プロセスまでは、入力パラメータのネットリスト→設計パラメータ設定→マニュアルレイアウト→手動ルーティング→検証設計→レビュー→CAM出力を確立します。

パラメータ設定における隣接するワイヤ間の間隔は、電気的安全要件を満たさなければならず、操作及び製造の便宜のために、間隔はできるだけ広くなければなりません。間隔は少なくとも耐電圧に適しているべきです。配線密度が低い場合は、信号線間隔を適切に増加させることができます。トレース間隔は8 milに設定します。パッドの内側孔の縁からプリント基板の端部までの距離は、1 mmより大きくなければならず、処理中のパッドの欠陥を避けるためです。パッドに接続されたトレースが薄い場合、パッドとトレースとの間の接続は、水滴形状で設計されるべきです。この利点は、パッドが剥離し易くないことであり、トレース及びパッドは容易に切断されないことです。

2.コンポーネントのレイアウトの練習は、回路図の設計が正しい場合でも プリント回路基板 適切に設計されていません。電子機器の信頼性に悪影響を及ぼします。例えば、プリント板の2つの細い平行線が非常に近いならば、信号波形の遅延が形成されます。そして、反射ノイズは伝送ラインの端部に形成される性能が低下します。したがって、プリント回路基板を設計する際に正しい方法を使用するために注意しなければなりません。各スイッチング電源は4つの電流ループを有します。

1）電源スイッチの交流回路

2）出力整流回路

3）入力信号源電流ループ

出力負荷電流ループは、入力ループが入力キャパシタをおおよそのDC電流で充電し、フィルタコンデンサは主として広帯域エネルギー貯蔵の役割を果たします。同様に、出力フィルタコンデンサはまた、出力整流器から高周波エネルギーを蓄積すると同時に、出力負荷回路からのDCエネルギーを除去するために使用されます。したがって、入出力フィルタキャパシタの端子は非常に重要であり、入力電流及び出力電流ループは、フィルタキャパシタの端子からのみ電源に接続されるべきです。入出力ループと電源スイッチ／整流器ループとの間の接続が端子ではない場合には、ACエネルギーは入力または出力フィルタコンデンサによって環境に放射されます。整流器の電源スイッチと交流ループの交流ループは、高振幅の台形電流を含んでいます。これらの電流は高調波成分を含み、周波数はスイッチング基本周波数よりもはるかに高く、ピーク振幅は連続入出力直流電流の5倍の振幅となります。遷移時間は通常50 ns程度です。これらの2つのループは電磁干渉を起こしやすいので、電源の他のトレースが発送される前に、これらのACループをレイアウトしなければなりません。各ループ、フィルタコンデンサ、電力スイッチまたは整流器、インダクタまたは変圧器の3つの主要な構成要素は互いに位相があるべきです。それらの間の現在のパスができるだけ短くなるように、それらを互いと位置コンポーネントに隣接して置いてください。スイッチング電源配置を確立する方法は、その電気設計に類似しています。設計フローは以下の通りです。

変圧器を置く

電源スイッチ電流ループの設計

出力整流電流ループ

交流電源回路に接続された制御回路

3.回路の機能単位に従って入力電流源ループおよび入力フィルタを設計し、出力負荷ループおよび出力フィルタを設計します。回路のすべての構成要素をレイアウトするとき、下記のルールに従ってください。

1）まずPCBボードのサイズを考える。PCBボードの大きさが大きすぎると、プリントラインが長くなり、インピーダンスが増加し、アンチノイズ能力が低下し、コストも増加するサイズが小さすぎると、放熱性が悪くなり、隣接するラインが容易に干渉する。回路基板の形状は長方形であり、アスペクト比は3：2または4：3だ。回路基板の端部に位置する構成要素は、一般に、回路基板の縁から2 mm以下だ。

2）デバイスを配置する際，その後のはんだ付けを考慮しない。

3）各機能回路の要素を中心にレイアウトを行う。コンポーネントは、PCBボード上に均等に、きちんと、そして、コンパクトに配置されなければならず、コンポーネント間のリードおよび接続を最小化し、短くするとともに、デカップリングコンデンサは、デバイスのVCCに可能な限り近くなければならない。

4）高周波で動作する回路では，部品間の分配パラメータを考慮する必要がある。一般的な回路では、部品をできるだけ並列に配置する必要がある。このように、それは美しいだけでなく、インストールして、溶接するのも簡単で、大量生産で簡単だ。

5）回路の流れに応じて各機能回路ユニットの位置を調整し、信号循環に対してレイアウトが都合よく、同じ方向を保つ。

6）レイアウトの主な原理は配線の配線速度を確保し、移動する際に飛行ワイヤの接続に着目し、接続関係を持つデバイスを一緒に置くことだ。

7）スイッチング電源の放射妨害を抑えるためにループ面積をできるだけ小さくする。

4.1　配線切替電源は高周波信号を含みます。PCB上のプリント配線はアンテナとして機能します。プリント配線の長さおよび幅はそのインピーダンスおよびインダクタンスに影響し、それによって周波数応答に影響を及ぼします。DC信号を通過するトレースであっても、隣接するトレースからのRF信号に結合し、回路の問題を引き起こします（または干渉信号を再び放射する）。したがって、AC電流を運ぶすべてのトレースは、可能な限り短く、広く設計されなければなりません。それは、トレースに接続されたすべての構成要素および他の電力線に近接して配置されなければならないことを意味します。トレースの長さは、インダクタンスおよびインピーダンスに比例し、幅は、トレースのインダクタンスおよびインピーダンスに反比例します。長さは、トレースが応答する波長を反映します。長さが長いほど、トレースが電磁波を送受信する周波数が低くなり、RFエネルギーが放射されます。プリント基板電流の大きさに応じて、電力線の幅を大きくしてループ抵抗を小さくしようとします。同時に、電源線と接地線の方向を電流の方向と一致させます。そして、それは反雑音能力を強化するのを助けます。接地はスイッチング電源の4つの電流ループの最下段の枝です。回路の共通基準点として重要な役割を果たし，干渉を制御する重要な方法です。このため、レイアウト時に接地線の配置を注意深く考慮すべきです。様々な地面を混ぜると不安定な電源供給が起こります。接地線の設計には以下の点が注目されます。

通常、単一点接地の4.1の正しい選択は、フィルタコンデンサの共通端子は、他の接地点が高電流交流グラウンドに結合される接続点でなければなりません。接地点のこのレベルでは、主な考慮点は、回路の各部から接地に戻る電流が変化し、実際の流路のインピーダンスが回路の各部の接地電位を変化させて干渉を導入することです。このスイッチング電源では、その配線と素子間のインダクタンスはほとんど影響を受けず、接地回路によって形成される循環電流は干渉に対して大きな影響を与えるので、接地点の1点が使用されます。電源ピン電流ループ（電源中の複数のデバイスのグランド線）はグランドピンに接続されており、整流器の電流ループを出力する複数の素子の接地線も対応するフィルタコンデンサの接地ピンに接続されており、より安定して動作し、自己励起が容易ではありません。それらのポイントを達成することができないときに、共通のグランドは、2つのダイオードまたは場所に小さな抵抗器を接続します。実際には、銅箔の比較的集中部分に接続することができます。

4.2　可能な限り接地線を厚くするようにしてください。接地線が非常に薄い場合、電流の変化によって接地電位が変化し、電子機器のタイミング信号レベルが不安定になり、耐ノイズ性能が劣化します。従って、各高電流グランド端子は、できるだけ短く且つ幅広のプリント配線を使用することを保証する必要があり、電源配線の幅を広くしようとします。接地線は電源線より広いです。それらの関係は接地線＞パワーワイヤ＞信号線です。できれば、接地線の幅を3 mmより大きくし、銅層の大面積を接地線とし、プリント基板の未使用箇所を接地線として接地する。グローバルルーティングを実行するときには、次の原則に従う必要があります。

1）配線方向：溶接面から構成要素の配置は、回路図とともに可能な限り一貫しており、配線方向は回路図の配線方向と一致している必要があります。製造工程中に通常溶接面に種々のパラメータが検出されるので、生産、点検、デバッグ、保守のために便利です（注：回路性能と機械設備やパネルレイアウト全体の要件）。

2）配線図を設計する場合は、配線をできるだけ少なくする必要があり、印刷アークの線幅を急激に変化させてはならず、ワイヤの角を90度程度にして、線を単純にクリアする必要があります。

3）プリント回路には交差回路がありません。交差する可能性のある線については、“ドリル”と“巻き”を使用して問題を解決することができます。すなわち、他の抵抗器、コンデンサ、およびトライオードピンの下のギャップを通って「ドリル」を導くか、または交差することができるリード線の一端から「ラップ」させます。特別な場合には、回路は非常に複雑であり、設計を簡素化することもできます。クロス回路問題を解決するためにワイヤージャンパを使用してください。単一のパネルのために、インライン構成要素は上面に位置します。そして、表層のマウント・デバイスは底面に位置します。その結果、インライン・デバイスはレイアウトの間、表層のマウント・デバイスと重なることができるが、パッドの重なり合いは避けられるべきです。

4.3　入力グラウンドおよび出力グランドは、ローカルスイッチング電源の低電圧DC - DCです。出力電圧が変圧器の一次側にフィードバックされる場合、両側の回路は共通の参照グラウンドを有する必要があるので、銅が両側の接地線に印加され、共通接続されて接地されます。

配線設計を確認した後、設計者が設計したルールに合致するか否かを注意深くチェックする必要があり、同時に、プリント基板製造工程の要件を満たしているか否かを確認する必要があります。ディスクとワイヤとの距離、ホール、部品パッド、スルーホールを通して、それからホールとスルーホールを通っているかどうかは、合理的であり、生産要件を満たしているかどうかを確認します。電力線と接地線の幅が適切であるかどうかを確認します。そして、接地線を広げることができるPCBのどこかの場所があるかどうかを確認します。注意点:いくつかのエラーは無視できます。例えば、いくつかのコネクタのアウトラインの一部はボード・フレームの外に置かれます。そして、エラーはスペースをチェックするときに起こるさらに、トレースおよびビアの各変更の後、銅は再クラッドされなければなりません。「PCBボードチェックリスト」によると、内容はデザイン規則、層定義、線幅、間隔、パッド、およびビア設定を含んでいます。デバイスレイアウト、電源、グラウンドネットワーク配線、高速クロックの合理性をレビューする必要があります。デカップリングコンデンサのネットワーク配線とシールド・配置・接続も重要です。

描画ファイルを出力するためのデザイン出力メモ

1）出力すべき層は配線層（底層）、シルクスクリーン層（トップ層シルクスクリーン、ボトム層シルクスクリーンを含む）、ソルダーマスク層（底層はんだマスク）、ドリル層（底層）、さらにドリルドリル（NCドリル）を生成します。

2) シルクスクリーン層のレイヤーを設定するとき、部品タイプを選択しません。一番上の層（底層）とアウトラインを選択します。各層の層を設定する場合、選択ボードの概要, とシルクスクリーン層のレイヤーを設定するとき、部品タイプを選択しません。

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