PCBブログ - スイッチング電源PCBボードレイアウトの基本的なポイント

スイッチング電源PCBボードのレイアウトは、電源製品開発における重要なプロセスの1つです。多くの場合、電源PCBのレイアウトには多くの問題があるため、最初のデバッグ中に用紙に完璧に設計された電源が機能しない可能性があります。スイッチング電源PCBレイアウトの基本的なポイントを詳細に検討し、実際のPCBレイアウトの例をいくつか示した。電子製品の急速な交換ペースに対応するために、製品設計エンジニアは市場で購入しやすい交直流アダプタを選択し、複数セットの直流電源をシステムの回路基板に直接インストールする傾向があります。スイッチング電源による電磁干渉は、電子製品の正常な動作に影響を与えるため、電源PCBの適切なレイアウトが重要になります。スイッチング電源PCBのレイアウトはデジタル回路PCBのレイアウトとは全く異なる。デジタル回路レイアウトでは、多くのデジタルチップはPCBボードソフトウェアによって自動的に配列され、チップ間の接続線はPCBボードソフトウェアによって自動的に接続されることができる。自動排版リリースされたスイッチング電源は正常に動作しないに違いない。そのため、プランナーはスイッチング電源PCBレイアウトの基本的なルールとスイッチング電源の動作原理を理解する必要があります。

1.スイッチング電源PCBボードレイアウトのポイント

1.1コンデンサの高周波フィルタ特性

電解コンデンサは通常、大きな容量と大きな等価直列インダクタンスを有する。その共振周波数は非常に低いため、低周波フィルタリングにしか使用できない。タンタル電気容器は通常容量が大きく、等価直列インダクタンスが小さいため、その共振周波数は電解コンデンサより高く、中高周波フィルタリングに使用できる。セラミックコンデンサの容量と等価直列インダクタンスは通常小さいため、その共振周波数は電解コンデンサとタンタル電気容器よりはるかに高いため、高周波フィルタリングとバイパス回路に使用できる。小容量セラミックコンデンサの共振周波数は大容量セラミックコンデンサよりも高いため、バイパスコンデンサを選択する際に、高容量のセラミックコンデンサを選択することはできない。キャパシタの高周波特性を向上させるために、異なる特性を有する複数のキャパシタを並列に使用することができる。図3は、異なる特性を有する複数のコンデンサの並列後インピーダンス改善の効果を示している。電源配置のポイント1バイパスセラミックコンデンサの容量は大きすぎるべきではなく、その寄生直列誘導はできるだけ小さい。複数の並列コンデンサは、コンデンサの高周波インピーダンス特性を改善することができる。

1.2インダクタの高周波フィルタ特性

スイッチング電源では、インダクタのCpをできるだけ小さく制御する必要があります。同時に、コイル構造が異なるため、同じインダクタンスのインダクタンスは異なるCp値を持ち、2つの異なるコイル構造の下で同じインダクタンスのインダクタンスは異なるCp値を持つことに注意しなければならない。インダクタの5ターンが順に巻き取られる。このコイル構造のCp値は、ターンコイルの等価並列容量（C）の1／5である。インダクタの5回転巻線は交差順序で巻かれる。巻線4と5が巻線1、2と3の間に配置され、巻線1と5が非常に近い場合、この巻線構造によって生成されるCpは1ターン巻線のC値の2倍である。同じインダクタンスを持つ2つのインダクタのCp値は実際には数倍異なることがわかる。高周波フィルタリングでは、インダクタのCp値が大きすぎると、高周波ノイズがCpを介して負荷に直接結合しやすくなります。このようなインダクタも高周波フィルタリング機能を失います。PCBボードでは、VinはLを介して異なる方法で負荷（RL）に配線されている。インダクタンスのCpを下げるためには、インダクタンスの2つのピンはできるだけ離れなければならない。Vinの正極からRLとVinの負極からRLへのトレースはできるだけ近く、インダクタの寄生並列容量はできるだけ小さく、インダクタピンのパッド間の距離は遠いほど良い。

1.3鏡面

電磁理論における鏡面の概念は、設計者がスイッチング電源のPCBレイアウトを把握するのに役立ちます。接地面に直流電流が流れるシーン。地層上の還流直流電流は現在、地層全体に非常に均一に分布している。高周波電流が同じ地層を流れるときの光景。このとき、地上の還流交流電力は地上の中間にしか流れず、地上の両側には電流がない。接地面設計者は、接地面に電源や信号トレースを置かないようにしてください。接地層上の配線が高周波回路全体を破壊すると、回路は強い電磁波放射を発生し、周囲の電子機器の正常な動作を破壊する。接地面に電源または信号トレースを配置しないでください。

1.4高周波回路

スイッチング電源には、パワーデバイスからなる高周波回路が多数あります。土壌回路の処理が適切でないと、電源の正常な動作に大きな影響を与えます。高周波ループによる電磁波ノイズを低減するためには、ループの面積は小さく制御されるべきである。高周波電流回路の面積が大きく、回路内外に強い電磁干渉が発生する。同じ高周波電流では、回路面積が小さく設計されていると、回路の内部と外部の電磁場が相殺され、回路全体が非常に静かになります。高周波回路の面積はできるだけ小さくしなければならない。

1.5ビアとスペーサーの配置

多くのデザイナーは多層PCBボードの下に多くのビアを置くのが好きだ。しかし、高周波電流帰還経路上に通路を置きすぎないようにする必要がある。そうしないと、地上の高周波電流跡が損傷します。高周波電流経路にビアを配置する必要がある場合は、ビア間に空間を空けて、高周波電流がスムーズに通過するようにすることができます。スルーホールの配置は接地平面上の高周波電流の流れを妨げてはならず、設計者はまた異なるパッド形状が異なる直列インダクタンスを発生することを認識しなければならない。バイパスコンデンサの配置は、その直列インダクタンス値も考慮している。バイパスキャパシタは、低インピーダンスおよび低ESLのセラミックキャパシタでなければならない。しかし、高品質のセラミックコンデンサが誤ってPCB上に置かれると、その高周波フィルタ機能は失われる。

1.6電源直流出力

多くのスイッチング電源には、電源から離れた出力ポートの負荷がかかっています。電源自体や周辺の電子機器が出力配線に電磁的に干渉しないようにするためには、出力電流回路の面積を最小限に抑えるために、出力電源配線は非常に近くになければなりません。

1.7システムボード上の接地層の分離

次世代電子製品のシステムボードには、アナログ回路、デジタル回路、スイッチング電源回路が同時に搭載されます。スイッチング電源ノイズが敏感なアナログ回路とデジタル回路に与える影響を低減するためには、通常、異なる回路の接地面を分離する必要がある。多層PCBを使用する場合、異なる回路の接地層を異なるPCB層で分離することができる。製品全体に接地層が1つしかない場合は、多層PCB基板上の接地層分離であれ、単層PCB基板上の接地層分離であれ、異なる回路の接地層はスイッチ電源の接地層に単点接続されている必要があります。システムボード上の7つの異なる回路は異なる接地面を必要とし、異なるPCBボードの接地面は1つの点を介して電源接地面に接続されている。

2.スイッチング電源PCBレイアウト例

設計者は、この回路図上で電源回路における部品と制御信号回路における部品とを区別できるはずである。設計者が電源内のすべてのコンポーネントをデジタル回路内のコンポーネントとして扱う場合、問題はかなり深刻です。一般的には、まず電源の高周波電流の経路を知り、小信号制御回路と電源回路コンポーネントとそのトレースを区別する必要があります。一般的に、電源の電源回路は主に入力フィルタコンデンサ、出力フィルタコンデンサ、フィルタインダクタ、および上下電力FETを含む。制御回路は主にPWM制御チップ、バイパスコンデンサ、ブートストラップ回路、帰還分圧抵抗、帰還補償回路を含む。

2.1電源回路のPCBレイアウト

PCB上の電源コンポーネントの適切な配置と配線により、電源全体が正しく動作するかどうかが決まります。設計者はまずスイッチングパワーデバイス上の電圧と電流波形について一定の理解を持たなければならない。降圧スイッチ電源電源回路部品の電流と電圧波形。入力フィルタキャパシタ（Cin）、上端FET（S 1）、F端FET（S 2）からの電流は高周波と高ピークの交流電流であるため、形成されるCin−S 1−S 2ループ面積は最小にすべきである。同時に、S 2、L及び出力フィルタコンデンサ（Cout）によって形成されるループ面積も最小にすべきである。設計者が本書に記載されている要点に基づいて電源回路PCBを作成していない場合、ネットワーク19に示されている電源PCBを作成する可能性が高い。PCBのレイアウトには多くのエラーが存在する：CinのESLが大きいため、Cinの高値周波フィルタリング能力は基本的に消失し、第二に、Cin-S 1-S 2とS 1 LCout回路の面積が大きすぎて、発生した電磁ノイズは電源自体と周辺回路に大きな干渉を与えることができます。第三に、Lパッドが近すぎると、Cpが大きすぎて、高周波フィルタ機能が低下します。第4に、Coutパッドのリード線が長すぎて、FSLが大きすぎて高周波フィルタ線を失ってしまう。Cin−S 1−S 2及びS 2−L−Coutループの面積は制御されている。S 1のソース、S 2のドレインとLとの接続点は、モノリシック銅製パッドである。この接合における電圧は高周波であるため、S 1、S 2、Lは非常に近い必要がある。LとCout間のトレースには高ピーク高周波電流はないが、広いトレースは直流インピーダンスの損失を減らし、電源の効率を高めることができる。コストが許すなら、電源は片側に接地面がある両面PCBで使用することができますが、接地面の電源と信号線を避けることに注意しなければなりません。電源の入出力ポートにセラミックコンデンサを追加し、電源の高周波フィルタ性能を向上させた。

2.2電源制御回路のPCBレイアウト

電源制御回路PCBボードのレイアウトも重要です。不合理なレイアウトは電源出力電圧のドリフトと発振を引き起こす。制御回路は、高周波交流回路の中間ではなく、電源回路の片側に配置する必要があります。バイパスコンデンサはできるだけチップのVccと接地ピン（GND）に近づけるべきである。フィードバック分圧抵抗器もチップの近くに置かれている。チップ駆動からFETへのループもできるだけ短くし、制御チップから上下FETへの駆動回路ループもできるだけ短くしなければならない。

2.3スイッチング電源PCBレイアウト例1

この電源には低コストのPWMコントローラ（SemtechモデルSCIIO 4 A）が使用されています。PCBボードの下層は完全な接地面である。PCB上の電源プレーンと制御プレーンの間には分離がありません。電源の電源回路は、出力ソケット（PCB基板の右下端）まで、入力フィルタキャパシタ（C 1、C 2、）、S 1、S 2、L 1、および出力フィルタキャパシタ（C 10、C 11、C 12、C 13）を介して、入力ソケット（PCB基板の左上端）によって通過することが分かる。SC 1104 AはPCBボードの左下端に配置されている。電源回路電流は接地平面上の制御回路を通過しないので、制御回路接地平面を電源回路接地面から分離する必要はない。入力ソケットがPCBボードの左下端に配置されている場合、電源回路電流は接地面上の制御回路を直接通過し、両者を分離する必要があります。

2.4スイッチング電源PCBレイアウト例2

別の降圧スイッチ電源では、12 Vの入力電圧を3.3 Vの出力電圧に変換でき、出力電流は3 Aに達することができる。この電源には統合電源コントローラ（SemtechモデルSC 4519）が使用されている。このコントローラは、電力コントローラチップに電力管を集積している。この電源は非常に簡単で、特にポータブルDVDプレーヤー、ADSL、セットトップボックスなどの消費電子製品に適しています。前の例と同様に、このような簡単なスイッチング電源についても、PCBのレイアウトでは以下の点に注意すべきである。

1）入力フィルタコンデンサ（C 3）、SC 4519の接地ピン（GND）及びD 2に囲まれたループ面積は小さくなければならない。これは、C 3とD 2がSC 4519に非常に接近しなければならないことを意味している。

2）個別の電源回路接地面及び制御回路接地面を使用することができる。電源接地層に接続される構成要素は、入力ソケット（VIN）、出力ソケット（VOUT）、入力フィルタキャパシタ（C 3）、および出力フィルタキャパシタC 2、D 2、SC 4519を含む。制御地に接続された構成要素は、出力分圧抵抗器（R 1、R 2）、フィードバック補償回路（R 3、C 4、C 3）、イネーブルソケット（EN）、及び同期ソケット（SYNC）を含む。

3）SC 4519の接地ピン付近に穴を開け、電源回路の接地層を制御信号回路の接地層に単点接続する。電源PCBボード上層部のレイアウト図。読者の理解を容易にするために、電源接地面と制御信号接地面は異なる色で表示されている。ここで、入力ソケットはPCBの上部にあり、出力ソケットはPCBの下部にある。フィルタインダクタ（L 1）はPCB基板の左側に配置され、電源接地面に近く、ノイズにより敏感なフィードバック補償回路（R 3、C 4、C 5）は基板の右側に配置され、制御信号接地面に近い。D 2はSC 4519のピン3と4に非常に近い。電源PCBボード下層のレイアウト図。