PCBブログ - PCB設計とスイッチング電源要件

いずれのスイッチング電源の設計においても、PCBボードの物理設計は一環である。設計方法が間違っていると、PCBは電磁干渉を出しすぎて電源の動作が不安定になる可能性があります。次は、ステップごとに注意しなければならないポイントの分析です。

1.原理図からPCBの設計過程

構成部品パラメータの設定->回路網テーブルの入力->設計パラメータの設定->手動レイアウト->手動ルーティング->設計の検証->レビュー->CAM出力。

2.パラメータ設定

隣接する電線間の間隔は電気安全の要求を満たす必要があり、操作と生産の便宜のために、間隔はできるだけ広くしなければならない。間隔は少なくとも電圧に適していなければならない。配線密度が低い場合には、信号線の間隔を適切に増やすことができる。高レベルの視差と低レベルの視差を有する信号線の場合、間隔はできるだけ短く、間隔を増やすべきである。パッド内の穴縁とプリント基板縁との距離は1 mmより大きくして、加工中にパッドに欠陥が発生しないようにしてください。パッドに接続されたワイヤが比較的薄い場合、パッドとワイヤとの接続は液滴形状に設計される。利点は、パッドがはがれにくいが、ワイヤとパッドが切れにくいことです。

3.コンポーネントレイアウト

回路原理図の設計が正しく、プリント基板の設計が不適切であっても、電子機器の信頼性に悪影響を与えることが実証されている。例えば、プリント基板の2本の平行細線が近接していると、信号波形が遅延し、伝送路端に反射ノイズが発生します。電源と接地線による干渉は、製品のパフォーマンスを低下させます。したがって、プリント基板を設計する際には、正しい方法に注意する必要があります。各スイッチング電源には4つの電流回路があります。

1）電源スイッチ交流回路

2）出力整流器交流回路

3）入力信号源電流回路

4）出力負荷電流回路の入力回路は近似直流電流を通じて入力コンデンサを充電し、フィルタコンデンサは主に広帯域エネルギー貯蔵の役割を果たす、同様に、出力フィルタコンデンサは、出力負荷回路からの直流エネルギーを除去しながら、出力整流器からの高周波エネルギーを記憶するために使用される。そのため、入出力フィルタコンデンサの配線端子は非常に重要である。入出力電流回路は、フィルタコンデンサの配線端子から電源にそれぞれ接続されている必要があります。入出力回路と電源スイッチ/整流器回路との接続がキャパシタの端子に直接接続できない場合、交流エネルギーは入出力または出力フィルタキャパシタを通過して環境に放射されます。電源スイッチ及び整流器の交流回路は、高高調波成分及びスイッチの基本周波数よりはるかに高い周波数を有する高振幅台形電流を含む。ピーク振幅は連続入出力直流電流の5倍に達することができる。移行時間は通常約50 nsである。2つのリターンルイは電磁干渉を受けるため、電源中の他のプリント配線をこれらの交流回路の前に配置しなければならない。各回路の3つの主要部品のフィルタコンデンサ、電源スイッチまたは整流器、インダクタまたはトランスは隣接して配置され、できるだけ短い位置になるように素子間の電流経路を調整しなければならない。スイッチング電源のレイアウトを作成する方法は、電気設計と似ています。設計プロセスは次のとおりです。

1）変圧器の設置

2）電源スイッチ電流回路の設計

3）出力整流器電流回路の設計

4）制御回路を交流電源回路に接続する

入力電流源ループと入力フィルタを設計出力負荷ループと出力フィルタを設計する回路の機能ユニットに応じて、回路のすべてのコンポーネントのレイアウトは以下の原則に合致しなければならない：

1）まずPCBサイズを考慮しなければならない。PCBサイズが大きすぎると、印刷回線が長くなり、インピーダンスが増加し、ノイズ耐性が低下し、コストが増加する。放熱が小さすぎるのはよくありません。隣接する線路は干渉を受けやすいです。回路基板は矩形であり、長さ比は3：2または4：3であり、回路基板の縁に位置する部品は回路基板の縁から一般的に2 mm以上離れている。

2）設備を置くには、将来の溶接を考慮し、あまり密集しないようにしなければならない。

3）各機能回路の部品を中心に配置する。素子はPCB上に均一、整然と、コンパクトに配置され、素子間のリード線と接続を最大限に減少、短縮し、デカップリング容量はできるだけ素子のVCCに近づくべきである。

4）高周波で動作する回路については、素子間の分布パラメータを考慮しなければならない。一般的な回路では、素子はできるだけ平行に配列しなければならない。これにより、美しいだけでなく、溶接が取り付けやすく、量産が容易になる。

5）回路フローに基づいて各機能回路ユニットの位置を配置し、レイアウトを信号の流れを容易にし、できるだけ同じ方向に信号を維持する。

6）レイアウトの第一原則は配線の分布率を確保することであり、デバイスを移動する際にはフライワイヤの接続に注意し、接続されたデバイスを一緒に置く。

7）スイッチング電源の放射干渉を抑制するために、ループ面積をできるだけ小さくする。

4.配線

スイッチング電源は高周波信号を含み、PCB上のどのプリント配線もアンテナとして機能することができる。プリント配線の長さと幅は、インピーダンスとリアクタンスに影響を与え、周波数応答に影響を与えます。dc信号を通過するプリント配線であっても、隣接するプリント配線からのrf信号と結合し、回路問題（干渉信号の再放射）を引き起こす可能性がある。したがって、交流電流を通過するすべての印刷ラインは、印刷ラインと他の電力ラインに接続されているすべてのコンポーネントが緊密に配置されていることを意味する、できるだけ短く広く設計されている必要があります。印刷線路の長さはインダクタンスとインピーダンスに比例し、幅は印刷線路のインダクタンスとインピーダンスに反比例する。長さは印刷ラインの応答波長を反映している。長さが長いほど、プリント配線が電磁波を送受信する周波数が低くなり、放射線の無線周波数エネルギーが多くなります。プリント基板の電流の大きさに応じて、できるだけ電源線の幅を増やし、回路の抵抗を下げる。同時に、電源線、アース線、電流方向を一致させ、ノイズ耐性を高めるのに役立ちます。接地はスイッチング電源の4つの電流回路の底部分岐であり、回路の共通参照点として非常に重要な役割を果たし、干渉を制御する重要な方法である。そのため、レイアウトでは接地ケーブルをよく考慮する必要があります。接地ケーブルを混在させて使用すると、電源が不安定になる可能性があります。

接地ケーブルの設計には、次の点に注意してください。

1）単点接地を正確に選択する一般的な場合、フィルタ容量の共通側は他の接地端に結合された大電流の接点と相互作用し、接地端は回路に接近すべきであり、対応する回路電源フィルタ容量も水平接地端にあり、主に電流部分が接地端に還流する回路が変化していることを考慮し、干渉を導入するのは回路の実際のインピーダンスが回路の各部の接地電位の変化を招くためである。このようなスイッチング電源では、インダクタンス効果の小さい配線とデバイスとの間、および接地回路が干渉サイクルの形成に与える影響が大きいため、1点接地方式を採用し、電源スイッチング電流回路（接地されたいくつかのデバイスはすべて足で接地され、接地された出力整流電流回路も足で対応するフィルタ容量を接地することで、電源動作が安定し、自励しにくい。1点接地することはできず、2つのダイオードまたは1つの小抵抗の場合、実際には1つの比較的集中した銅箔に接続すればよい。

2）接地線はできるだけ太く接地線は細く、接地電位は電流によって変化し、タイミング信号レベルが不安定な電子機器は、耐ノイズ性能がよくないので、必ず各大電流接地端にできるだけ短くて広い印刷線を使用させ、できるだけ電源を広くし、接地線の幅、接地線は電源線より広く、それらの関係は：接地線＞電源線＞信号線、できれば接地線の幅は3 mmより大きく、また大面積の銅層で接地線を作ることができ、プリント基板上では接地線を接地線にしないでください。グローバル・ルーティングの場合は、次の原則にも従う必要があります。

1）配線方向：溶接表面から見ると、部品の配列はできるだけ原理図と一致し、配線方向は回路図の配線方向と一致している。生産過程では通常溶接表面の各種パラメータを検査する必要があるため、生産中に検査、調整、メンテナンスを容易に行うことができる（注：回路性能と機械設置及びパネルレイアウトの要求を満たす前提で）。

2）配線図を設計する時、線はできるだけ少なく曲がるべきで、印刷アーク上の線幅は変えてはいけなくて、線角は90度より大きいべきで、そして線を簡潔にはっきりさせるように努力します。

3）印刷回路は交差回路を許さず、線路が交差する可能性がある場合は、「ドリル」、「巻き」の2つの方法で解決することができる。つまり、1本のリード線を他の抵抗器、コンデンサ、トランジスタの足元の隙間から「ドリル」したり、1本のリード線の交差点から「迂回」したりすることは、特殊な場合には回路がいかに複雑であるか、設計を簡略化するためにラインブリッジを使用したり、交差回路の問題を解決したりすることもできます。単一のパネルを使用しているため、直列コンポーネントは上面に位置し、表面実装デバイスは底面に位置しているため、レイアウト中に直列コンポーネントが表面実装デバイスと重なる可能性がありますが、パッドの使用は避けてください。入出力スイッチング電源は低圧DC-DCであり、出力電圧を一次変圧器にフィードバックする。回路の両側には共通の参照が必要であり、両側の接地線にそれぞれ銅を敷設した後、接続して共通の接地を形成することもできる

5.検査

配線設計が完成したら、設計者の配線設計が規則に合致しているかどうかをよく検査すると同時に、規則がPCB生産技術の要求に合致しているかどうかを確認する必要があり、一般的に線と線と素子パッド、線と連通孔、素子パッドと連通孔、通孔と通孔の間の距離が合理的であるかどうか、生産要求に合致しているかどうかを検査する必要がある。電源ケーブルとアースの幅が適切かどうか、PCBにアースを広げるスペースがあるかどうか。注意：一部のエラーは無視できます。例えば、コネクタの一部の輪郭がプレートフレームの外に配置されているため、検査間隔が間違っています。また、配線や穴を修正するたびに、銅を塗り直す必要があります。「PCBチェックシート」に基づいて審査を行い、設計規則、層定義、線幅、間隔、パッド、穴設置を含み、またデバイスレイアウト、電源、接地網配線、高速クロックネットワーク配線とシールド、デカップリングコンデンサ配置と接続の合理性を重点的に審査する。

ライトグラフィックファイルを出力する際の注意事項：

a.ドリルファイル（NC Drill）を生成するほか、出力層配線層（底部）、スクリーン印刷層（上部スクリーン印刷、底部スクリーン印刷を含む）、溶接層（底部溶接）、ドリル層（底部溶接）

b.スクリーンレイヤーのレイヤーを設定するときは、「部品タイプ」を選択しないでください。上部（下部）およびスクリーンレイヤーとして、「アウトライン」、「テキスト」、および「線」を選択します。各レイヤーのレイヤーを設定する場合は、Board Outlineを選択します。シルクスクリーンレイヤーのレイヤーを設定する場合は、「部品タイプ」ではなく、上部（下部）の「輪郭」、「テキスト」、「線」、およびシルクスクリーンレイヤーを選択します。D.ドリルファイルを生成するときは、パワーPCBボードのデフォルト設定を変更しないでください。