PCB技術 - 非絶縁スイッチング電源PCB基板レイアウト

スイッチング電源の共通の問題は「不安定」スイッチング波形である. 時々, ジッターはサウンドセクションにあり、磁気コンポーネントはオーディオノイズを生成する. 問題がプリント回路基板のレイアウトにあるならば, 原因を見つけるのは難しいかもしれない. 正しいPCBレイアウトスイッチング電源設計の初期段階は非常に重要である.

電源設計者は、最終的な製品の技術的な詳細と機能的な要求を十分に理解しなければなりません。したがって、回路 基板設計プロジェクトの開始から、ソース設計者は、重要な電気レイアウトのPCBレイアウトデザイナーと密接に協力しなければなりません。

良いレイアウト設計は、電力効率を最適化して、熱ストレスを減らすことができます;さらに重要なことは、ノイズとトレースとコンポーネント間の相互作用を最小限に抑えます。これらの目標を達成するためには、設計者は、スイッチング電源内の電流伝導経路と信号流を理解しなければならない。非絶縁スイッチング電源の正しいレイアウト設計を実現するためには，以下の設計要素を念頭に置く必要がある。

レイアウト計画

大きな回路基板上に組込まれたdc／dc電源に対して，最良の電圧調整，負荷過渡応答及びシステム効率を得るためには，電力出力を負荷装置に近づけ，基板トレース上の相互接続インピーダンスと伝導を最小化する必要がある。圧力降下熱ストレスを制限するために良い空気の流れがあることを確認します強制空冷を使用することができれば、電源はファンに近いはずです。

加えて、大きな受動部品（インダクタおよび電解コンデンサなど）は、パワーMOSFETまたはPWMコントローラのような、低姿勢表面実装半導体部品を通って気流を遮断してはならない。スイッチングノイズがシステムのアナログ信号に干渉するのを防ぐために、できるだけ多くの感度の高い信号線を電源の下に置くのを避けるべきですさもなければ、あなたはシールドのためにパワー層と小さい信号層の間に内部の接地層を置く必要があります。

キーは、システムの初期の設計および計画段階で、電力供給の場所およびボードスペースの需要を計画することである。時には、デザイナーは、このアドバイスを無視し、大規模なシステムボード上の“重要”または“エキサイティングな”回路に焦点を当てる。電力管理は余波とみなされ，電源は回路基板上の余分な空間に置かれる。このアプローチは、高効率で信頼性の高い電源設計に非常に有害である。

多層基板では、高電流電力成分層と高感度小信号トレース層との間にDC接地またはDC入出力電圧層を配置するのが良い方法である。接地層又は直流電圧層は、高雑音電力トレース及び電力構成要素からの干渉を防止するために、AC接地シールド小信号トレースを提供する。

大綱として, AのグランドプレーンもDC電圧面もない 多層PCB基板分離すべき. この分離が避けられないならば, これらの層上のトレースの数と長さを減らすようにしてください, そして、トレースのレイアウトは、衝撃を最小にするために、高電流と同じ方向に保たれるべきです.

電源段のレイアウト

スイッチング電源回路は、電源段回路と小信号制御回路の2つに分けられる。パワーステージ回路は、大きな電流を伝送するために使用される構成要素を含む。一般的に、これらのコンポーネントを最初に配置する必要があり、次に、小さな信号制御回路をレイアウトの特定のポイントに配置する必要があります。

PCBのインダクタンス、抵抗および電圧降下を最小にするために、高電流トレースは短くて広いべきである。高いdi／dtパルス電流を有するこれらのトレースに対し，このアスペクトは特に重要である。

高di／dt電流経路におけるpcb寄生インダクタンスを示した。寄生インダクタンスのために、パルス電流経路は磁界を放射するだけでなく、PCBトレース及びMOSFET上に大きな電圧リング及びスパイクを発生させる。PCBインダクタンスを最小化するために、パルス電流ループ（いわゆる熱ループ）は、レイアウト時に最小の円周を有する必要があり、そのトレースは短くて広いべきである。

高周波デカップリングコンデンサCHFは0.1×1，4 F〜10 . 1／4，X 5 R，X 7 R誘電体セラミックコンデンサであり、ESL（Efficient Series Instrument）とESR（等価直列抵抗）が非常に低い。より大きなコンデンサ誘電体（例えばY 5 V）は、異なる電圧および温度において、キャパシタンス値が著しく低下することがあるので、CHFのための最良の材料ではない。

バックコンバータのキーパルス電流ループのレイアウト例を示す. 抵抗電圧降下及びビア数を制限するために, 電源コンポーネントは、回路基板の同じ側に配置される, そして、パワートレースも同じ層に置かれる. ある電力線を別の層に送る必要があるとき, 連続した現在の経路の線を選択してください. ビアを接続するときにPCB基板層高電流ループ内, インピーダンスを最小化するために複数のバイアを使用.