PCBニュース - 組込みスイッチング電源のPCB設計

任意のスイッチング電源設計で, の物理的なデザイン PCBボード が最後のリンク. デザイン方法が不適切であるならば, PCBは過度の電磁干渉を放射し、電源が不安定に動作する原因となり得る. デザイナーとして, あなたは、回路の物理的な動作原理を理解し、高品質のPCB.

スイッチング電源は高周波信号を含む. PCB上の任意の印刷ラインは、アンテナとして機能することができます. プリントラインの長さと幅はそのインピーダンスとインダクタンスに影響する, それによって周波数応答に影響する. Even printed lines that pass DC signals can couple to radio frequency signals from adjacent printed lines and cause circuit problems (and even radiate interfering signals again). したがって, AC電流を通過するすべての印刷ラインは、できるだけ短くて広いように設計されなければなりません, これは、印刷ラインと他の電源ラインに接続されたすべてのコンポーネントが非常に近くに置かれなければならないことを意味します. プリントラインの長さは、そのインダクタンスおよびインピーダンスに比例する, そして、幅は印刷ラインのインダクタンスおよびインピーダンスに反比例する. 長さは、印刷ラインの応答の波長を反映する. 長さが長い, 印刷ラインが電磁波を送受信する周波数が低い, そして、それはより多くの無線周波数エネルギーを放射することができます.
電力スイッチまたは同期整流機能の設計のために適切なMOSFETを選択することによって、電磁干渉を低減することもできる. MOSFETデバイスが電源オフされるとき, low C▼oss▼ (like FDS6690A) can reduce spike interference.
Main current loop
The current loops of the three main switching power supply structures, 彼らの違いに注意を払う.
各スイッチング電源は4つの電流ループを有する, ループは比較的独立している. ウェルレイアウトPCBについて, the order of importance is as follows:
Power switch AC circuit
output rectifier AC circuit
Input signal source current loop
output load current loop
The input signal source and output load current loop usually have no problems. これらのループの電流波形は、大きなDC電流と小さなAC電流の重ね合わせである. これらの2つのループは、通常、ACノイズが周囲環境に漏出するのを防ぐために特別なフィルタを必要とする. 入力および出力電流ループは、それぞれフィルタコンデンサの端子からの電源に接続されるべきである. 入力回路は、入力キャパシタをおおよそのDC電流で充電する, しかし、スイッチング電源によって必要とされる高周波電流パルスを提供することはできない. フィルタコンデンサは主に広帯域エネルギー貯蔵として機能する同様に, 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、出力負荷ループのDCエネルギーを除去するために使用される. したがって, 入出力フィルタコンデンサの端子は非常に重要である. 入力の間の接続/出力回路及び電源スイッチ/整流回路はコンデンサの端子に直接接続することができない, ACエネルギーは、入力または出力フィルタコンデンサを「流れて」て、環境に放射する.
つの基本的なPWM動作モードの電流波形は、スイッチング周波数よりもはるかに高い高調波電流波形を生成する.
パワースイッチ及び整流器のAC回路は、高振幅の台形電流波形を含む. これらの波形の高調波成分は非常に高い, そして、それらの周波数は、スイッチの基本周波数よりはるかに大きい. これらの交流電流のピーク振幅は連続入力の振幅の5倍と高い/直流出力. 遷移時間は通常50 ns程度である. これらの2つのループは、電磁干渉を生じる最も簡単です.
デザイナーは、電源の他の印刷ラインを配線する前に、これらのACループをレイアウトしなければならない. The three main components of each loop (filter capacitor, パワースイッチまたは整流器, inductor or transformer) should be placed adjacent to each other and adjusted Positioning the components so that the current path between them is as short as possible to ensure that the length of the current path is shortened.
これらの回路の印刷ラインはまた、コンバータの測定効率に最も大きな影響を有する. DPAKまたはSO 8のようなパッケージを選択することによって、放熱することができる. フェアチャイルドと他の供給元からの製品は、放熱と信号伝達の機能を結合することができます.
Grounding is important
Grounding is the bottom branch of the current loop discussed earlier, しかし、それは回路の共通の基準点として重要な役割を果たします. したがって, 接地線の配置は、レイアウトで慎重に考慮すべきである. 様々な接地を混合すると不安定な電源供給を引き起こす.
スイッチング電源構造の3主接地方式.
デザインは、もう一つの「コントロールグラウンド」が考慮されたことを確認しなければなりません. 制御ICと関連する受動部品に接続された接地点であり、非常に敏感である. したがって, 他のAC回路がレイアウトされた後にのみ配置されるべきである. 他の敷地にコントロールグラウンドが接続されている点は非常に特殊です. 通常, 接続点は、小さな電圧を誘導する制御ICのすべてのコンポーネントの共通端部に位置する. これらの接続点は、電流モードスイッチングコンバータおよび出力抵抗器340の下端における電流感応抵抗器の共通端部を含む. その機能は、電圧誤差または電流増幅に敏感な感度素子と入力との間の低雑音ケルビンを確立することである. 接続. コントロールグランドが他のポイントに接続されている場合, これらの余分なループで発生したノイズは制御信号に重畳される, 制御集積回路の動作に影響を及ぼす.
設計者は、各高電流接地端子がプリント線を可能な限り短くかつ広いものとして使用することを保証しなければならない. 一般に, フィルタコンデンサの共通端子は他の接地点を高電流交流グラウンドに結合するための唯一の接続点でなければならない.
High voltage AC node
There is a node in each switching power supply. 他のノードに比べて, その交流電圧は最高です. This node is the AC node that appears at the drain (or collector) of the power switch. 非絶縁DCで/直流変換器, this node can also be connected to the inductor and (or output to) the rectifier; in the structure of the isolation transformer, このノードは変圧器のコイルから分離される. それはまだ電気性能の公開ノードとして表示されます, しかし、それは変圧器だけで反射されます, そして、一人一人が別々に設計する必要があります.
このノードには異なる問題があります. そのAC電圧は、近くに異なる金属層の印刷ラインに容量結合され、電磁干渉を放射することができる. しかし, 印刷ラインは、通常、電力スイッチおよび整流器のために熱を放散しなければならない, 特に表面実装電源用. 電気的観点から, 印刷ラインはできるだけ小さいはずです, しかし、熱放散点から, より大きいはずです. 表面実装設計, よい妥協案がある, トップ作成 PCBボード 底と同じ PCBボード, and connecting them together through many holes (or vias).
の放熱能力を高める良い方法 PCBボード そして、他の印刷ラインの容量結合を減らす.
この技術は、他の印刷ラインとの容量結合を著しく低減する, しかし、それは熱放散と表面積を倍増させます. Take a SO8 packaged N-channel power MOSFET (such as FDS6670A) as an example. 上段には325 mmの海苔があり、銅鐸は2 mm, and the thermal resistance in contact with air is 50 (C/W, plus another on the bottom layer of the PCB). 8台のビアを通して一緒に接続される同じ板, the thermal resistance is reduced to 39 (C/W, ボードの反対側に異なる信号を伝える金属線がないので, コンデンサのキャパシタンスは、大きさの次数以上低下する.
ビアホールアプリケーション, 他の信号及び接地は、高電圧のACプリントライン及び放熱用の部品から遠ざけなければならない. オフラインコンバータで, 接地線は、このノードからエネルギーを結合して、ACプラグ18を通して製品からそれを導くことができる, 過度に伝導された電磁干渉を発生させる.
Parallel filter capacitor
Capacitors are often used in parallel to reduce the parallel equivalent series resistance (ESR) of the filter capacitor. このアプローチによって、各キャパシタがリップル電流の一部を分流させることができ、各コンデンサは、通常、リップル電流仕様内で正常に動作することができる. コンデンサと各リップル電流源との間の印刷ラインインピーダンスが同じであるときのみ, リップル電流は平均化される, これは、整流器または電源スイッチ管の間のコンデンサ間の印刷ラインが等しい長さおよび幅でなければならないことを必要とする .
並列コンデンサの正しい配置はスイッチング電源の設計のキーの一つである.
コンデンサを列に配置し、順番に接続するのはとても美しい. しかし, このレイアウトは、電源スイッチまたは整流器に最も近いコンデンサを他のコンデンサよりも多くのリップル電流にする, したがって、コンデンサの耐用年数の短縮.

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