PCB技術 - スイッチング電源PCB設計の全過程と重要な考慮要素

スイッチング電源PCB設計の全過程と重要な考慮要素

専門のPCBエンジニアとして、スイッチング電源のPCBレイアウトと配線を行う際には、以下の重要な点に特に注意する必要があります。

電源投入後の処理：電源投入後、まずフィルタコンデンサによる浄化を行い、それから後続装置に輸送して使用する。これは、PCBの配置が理想的な導電チャネルではなく、一定の抵抗と分布インダクタンスを持っているからです。フィルタコンデンサの前から電気を取ると、電源中のリップル成分が大きくなり、フィルタ効果が低下します。

線の設計の詳細：設計では、線はできるだけ細くなく広くして、鋭い面取りと直角カーブを使用しないようにしてください。アース線については、できるだけ広く設計し、大面積の銅を優先的に使用することで、接地効果を大幅に高めることができます。

キャパシタのレイアウト原則：キャパシタは主にスイッチング素子（ゲート回路など）またはフィルタ／デカップリングを必要とする他のコンポーネントに必要なキャパシタサポートを提供するために使用される。したがって、レイアウト中は、これらのキャパシタがサービスされているコンポーネントにできるだけ近くにあることを確認して、過度な距離によるキャパシタ障害を回避する必要があります。

電源ボードのPCBレイアウトを設計する際には、セキュリティ規定に合わせて、次の点に特に注意する必要があります。

AC電源の入線部については、ヒューズを設置する前に、2本の電源コード間の最小安全間隔が6 mm以上であることを確保し、同時に2本の電源コードとシャーシケースまたはシャーシ接地部間の最小安全距離も8 mm以上に維持しなければならない。

ヒューズの取り付け後のアライメント設計は、電気的短絡や安全上の危険性を防ぐために、ゼロ線と火線の間の最小沿面距離が3 mm以上であることを確実にするために、慎重に設計する必要があります。

高圧領域と低圧領域の間には少なくとも8 mmの最小沿面距離を維持しなければならない。この距離が8 mm以下の場合は、電気的分離と安全をさらに確保するために、2つの領域の間に幅2 mmの安全溝を設ける必要があります。

高圧領域には感嘆符を含む三角形記号の形をし、PCBにスクリーン印刷された可視高圧警告標識を備えなければならない。また、高圧領域には幅3 mm以上のスクリーン印刷フレームを表示して、その特殊な特性を際立たせ、操作者に安全に注意するように注意しなければならない。

高圧整流フィルタ回路において、正負極間の最小安全距離は2 mm以上であり、距離が近すぎることによる電気ショックの破壊や短絡の問題を防止しなければならない。

スイッチング電源PCBの設計プロセス：

原理図設計：まず、設計要求に基づいて、専門の電子設計ソフトウェアを使用してスイッチング電源の原理図を描画する。これは設計プロセス全体の起点であり、次のステップに基礎を提供します。

ネットワークテーブル生成：回路図の設計が完了すると、ソフトウェアは回路図が正しいかどうかをコンパイルしてチェックすることで、対応するネットワークテーブルを自動的に生成します。ネットワークテーブルには、後続のPCBレイアウトと配線の重要な根拠となる回路内の各コンポーネント間の接続関係が詳細に記録されています。

物理境界設定：次に、設計ソフトウェア（Keepout Layer）にPCBの物理境界を設定して、PCBの外形寸法と境界制限を明確にし、後続のレイアウトと配線が範囲を超えないようにする必要があります。

コンポーネントとネットワークインポート：回路図コンポーネントとネットワーク関係をPCB設計環境にインポートし、後続のレイアウトと配線に備えます。

コンポーネントレイアウト：コンポーネントレイアウトはPCB設計における非常に重要なステップです。合理的なレイアウトは製品の寿命と安定性を高めるだけでなく、電磁互換性を高めることもできます。レイアウトは次の原則に従う必要があります。

配置順序：まず、コンセント、LED、スイッチなどの構造に密接に関連するコンポーネントを固定位置に置き、ソフトウェアのロック機能を使用して固定します。その後、生産ラインに発熱部品、変圧器、集積回路などの特殊部品と大型部品を置く。最後に小さなコンポーネントを配置します。

放熱の注意事項：大電力回路に対して、特に放熱に注意しなければならない。発熱素子は分散配置し、集中配置を避け、高容量に近づかず、電解液の早期老化を防止しなければならない。

配線：コンポーネントのレイアウトが完了すると、配線作業が開始されます。配線には、信号の完全性、電流の大きさと方向、電磁干渉などを考慮する必要があります。

調整と細分化：配線が完了したら、文字、単一コンポーネント、位置合わせなどを調整し、銅処理を行う必要があります。銅配線は、通常、接地（GND）または電源（VCC）のために銅箔を敷設することにより、配線後に残された空白領域を埋めるために使用されます（ただし、短絡のリスクに注意）。また、特別な要求がある信号線については、接地ラップを使用して、2本の地線で囲んで干渉を防ぐことができます。

検査と検証：最後に、PCB設計全体はネットワーク関係が原理図と一致し、漏れやエラーがないことを確認するために、注意深く検査と検証する必要があります。これは設計の品質と順調な生産を保証する重要な一歩である。

上記の手順を経て、スイッチング電源のPCB設計が完了しました。製版元に提出する前に、設計の正確性と完全性を再確認する必要があります。

PCB設計と機構設計の協同過程において、両者の間の調和を確保する必要がある：

高さ制限要件を満たすためには、アセンブリ中の干渉を回避するためにコンポーネントのレイアウトを慎重に計画する必要があります。同時に、PCBの形状設計、位置決め穴と取付穴の位置と寸法は構造設計と緊密に一致し、PCBの製造と取付が順調に行われることを確保する必要がある。

装置の選択は、選択された装置が構造部材の加工精度に適応できるように、構造及び加工誤差を十分に考慮する必要がある。PCBレイアウトでは、生産性を高めるためにアセンブリプロセスを最適化する必要があります。設計者は回路基板の形状設計が複雑すぎるかどうかを評価する必要があり、多層回路基板や両面回路基板の代わりに単層パネルを使用するなどの設計を簡素化することにより、組み立て時の問題を減らすことができる。

PCBの各面はできるだけ1回の組立過程で完成し、手作業溶接の使用を減らし、自動化生産を高めるべきである。可能な場合は、カートリッジコンポーネントをSMDコンポーネントに置き換えて、生産コストを削減し、生産性を高める必要があります。

コンポーネントの包装は実物と一致しなければならず、パッドの間隔と寸法は設計要件を満たす必要がある。部品は均一に分布し、特に大電力部品は分散し、PCBの局部過熱応力を回避し、溶接点の信頼性に影響を与えるべきである。大電力デバイスについては、特に熱設計も考慮すべきである。

条件が許可されている場合は、類似のコンポーネントは同じ方向に配置され、同じ機能を持つモジュールは集中的に配置されなければなりません。同じパッケージのコンポーネントは、コンポーネントの配置、溶接、テストを容易にするために等間隔に配置する必要があります。最後に、スクリーン印刷ははっきりと読みやすく、極性と方向指示がはっきりしていて、組み立てが完了した後に設備に遮られないことを確保しなければならない。

PCB（プリント基板）版の材料は種類が多く、スイッチング電源分野でよく使われる材料に適している：

難燃性材料：PCB材料の中で、94 V-0と94 V-2は難燃性材料であり、94 V-0はこのカテゴリの中で最も高い難燃性材料である。

有機材料：これらの材料は主に有機物からなり、通常フェノール樹脂、ガラス繊維強化エポキシ樹脂（ガラス繊維板と略称する）、ポリイミド（Polyimide）、BT／エポキシ樹脂（ビスマレイミドトリアジン／エポキシ樹脂）などを含む。これらの材料はその良好な電気性能と加工性能によりPCB製造に広く応用されている。

無機材料：有機材料と異なり、無機材料は主にアルミニウム、銅-インバ銅（特殊なサンドイッチ構造銅合金材料であり、高精度、低膨張係数の応用に適している）とセラミックスなどの無機物質から構成される。これらの材料は高周波、高温または特殊な環境応用などの特定の分野で独特の優位性を持っている。

アルミニウムPCB：アルミニウム基板は特殊なタイプのPCB材料であり、アルミニウムを基材として使用し、回路層は特殊なプロセスを通じてアルミニウム基板に緊密に結合されている。アルミニウム基板は優れた放熱性能を有するだけでなく、PCBのサイズと重量を効果的に低減できるため、スイッチング電源や効率的な放熱を必要とする他の電子機器に広く応用されている。

材料識別プロセス：

まず、サンプルを個別にテストし、「サンプルテストレポート」を発表します。専用機器が必要な項目については、メーカーが提供するテスト結果を参考にすることができます。海外の有名ブランドの結晶半導体、プラスチック部品、包装材料については、単独テストを免除することができるが、各種材料のサンプルは実際の実装と使用テストを行う必要があり、テスト結果は最終判断の重要な根拠となる。

次に、研究開発部門はテスト結果を重要な根拠として、サンプルのテスト結果と確認書の仕様を比較して、両者の間の一致性を確保し、確認書の内容の完全性を検査する。

1つのテストに失敗したり、確認書が要件を満たしていないことが判明した場合は、購買部門にサンプルと確認書の再提供を要求します。

いくつかの重要な材料については、研究開発部門が単体テストに合格した後、小ロットの試鋳を申請する必要があります。この時、研究開発部門は申請し、生産部門は試験鋳造の仕事を指導し、品質制御部門は試験鋳造材料の品質を検証する責任を負う。

スイッチング電源PCB設計は複雑で精密なプロセスであり、適切なPCB材料を選択することもスイッチング電源設計において無視できない問題である。設計過程、キーポイント、材料選択などの知識を全面的に把握してこそ、高品質、高性能のスイッチング電源PCBを設計でき、電子機器の安定した運行に強力な保証を提供することができる。