PCBブログ - スイッチング電源のPCBボードレイアウトの基本点

スイッチング パワー 供給 <エー href="エー_href_0" tエーrget="_bl安k"><強い>P（c）Bボード レイアウト is 安 重要 プロセス イン the 開発 of パワー 供給 製品. イン 多く ケース, エー パワー 供給 あれ is 完全に 設計 on 紙 五月 ない 仕事 適切に 中 初期 コミッショニング 当然 to 多く 問題 with the レイアウト of the パワー 供給 PCB. The 基本 ポイント of スイッチング パワー 供給 PCB レイアウト エーre 論じた イン 詳細, 安d いくつか 実際 PCB レイアウト 例 エーre 記述. イン 順序 to 適応する to the 急速 置換 リズム of 電子 製品, 製品 デザイン エンジニア エーre その他 傾斜 to 選択 交流/直流 アダプター あれ エーre 容易 to 購入 イン the 市場 エーnd インストール 複数 集合 of 直流 パワー 供給 直接 on the 回路 板 of the システム. 以来 the 電磁波 干渉 生成 そば the スイッチング パワー 供給 意志 影響 the 標準 操作 of ITS 電子 製品, the 正しい レイアウト of the パワー 供給 PCB なる 非常に 重要. The レイアウト of the スイッチング パワー 供給 PCB is 完全に 異なる から the レイアウト of the デジタル 回路 PCB. イン デジタル 回路 レイアウト, 多く デジタル チップ 缶 ビー 自動的に アレンジ 通し PCB 板 ソフトウェア, エーnd the 接続 ライン の間 チップ 缶 ビー 自動的に 接続 通し PCB boエーrd ソフトウェア. The スイッチング パワー 供給 放電 そば 自動 植え付け 意志 確かに ない 仕事 適切に. したがって, プランナー 必要 to 有 エー 確か 理解 of the 基本 規則 of スイッチング パワー 供給 PCB レイアウト エーnd the 作業 原理 of スイッチング パワー 供給.

1. 基本 ポイント of PCBボード レイアウト of スイッチング パワー 供給

1.1コンデンサ高周波フィルタリング特性

電解コンデンサは一般に大きな静電容量と大きな等価直列インダクタンスを有する。その共振周波数が非常に低いので、それは低周波フィルタリングのために使用することができるだけである。タンタルコンデンサは一般に容量が大きく、等価直列インダクタンスが小さいので、その共振周波数は、電解コンデンサのそれより高く、中および高周波フィルタリングで使用することができる。セラミックコンデンサの容量および等価直列インダクタンスは一般に小さいので、その共振周波数は、電解コンデンサおよびタンタルコンデンサのそれよりもはるかに高いので、高周波フィルタおよびバイパス回路で使用することができる。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の共振周波数より高いので、バイパスコンデンサを選択する場合には、容量の大きいセラミックコンデンサを選択することができない。キャパシタの高周波特性を向上させるためには、特性の異なる複数のコンデンサ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多数のコンデンサが並列に接続された後のインピーダンス改善の効果を示す。パワー・レイアウト1の基本的なポイントは、バイパスセラミックコンデンサのキャパシタンスが大きすぎてはならず、その寄生直列インダクタンスはできるだけ小さくなければならない。並列の複数のコンデンサは、キャパシタ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インダクタ高周波フィルタリング特性

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しなければならない。同時に、同じインダクタンスのインダクタンスが異なるコイル構造に起因する異なるCP値を有することに留意されたい。また、同じインダクタンスのインダクタンスは、2つの異なるコイル構造の下で異なるCP値を有することに留意されたい。インダクタの5ターンは順次巻き取られる。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ターン巻線はクロスオーバシーケンスで巻き取られる。巻線4、5が巻線1、2、3の間に配置され、巻線1、5が非常に近接している場合、このコイル構造によって生成されるCPは1ターンコイルの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値は実際に数回異なっていることが分かる。高周波フィルタリングにおいて、インダクタのCP値が大きすぎる場合、高周波ノイズは、CPを介して負荷に直接結合することが容易である。このようなインダクタは、その高周波フィルタリング機能を失う。PCBボードでは、（Vin）はエルを通して配線され、異なる方法でロードされる。インダクタのCPを減らすためには、インダクタの2つのピンをできるだけ遠くに保つ必要がある。VINから（Rエル）の正極およびRエルへのVINの負極からのトレースは、できるだけ近くでなければならず、インダクタの寄生並列キャパシタンスは、できるだけ小さくなければならず、より遠くにインダクタピンのパッド間の距離、よりよい。

1.3ミラー面

電磁界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レイアウトをマスターするのに非常に役立つ。直流電流が接地面上を流れるときのシナリオ形成のリターン直流電流は、現在、形成全体にわたって非常に均一に分布している。同じ形成の上に高周波電流が流れるときのシナリオこのとき、接地上のリターン交流はグランドの途中でしか流れず、グランドの両側に電流が流れない。グランドプレーンの設計者は、地面に任意の電力や信号のトレースを配置しようとする必要があります。一旦接地層上の配線が全体の高周波ループを破壊すると、回路は強い電磁波放射を発生し、周囲の電子デバイスの通常の動作を破壊する。地面に任意の電源や信号のトレースを配置しないでください。

1.4高周波ループ

スイッチング電源にはパワーデバイスからなる高周波ループが多数存在する。このようにして、上記のような場合には、通常の動作に大きな影響を与える。高周波ループで発生する電磁波ノイズを低減するためには、ループの面積を非常に小さくする必要がある。高周波電流ループは大きな面積を有し、ループの内外に強い電磁干渉を生じる。同じ高周波電流では、ループ面積が非常に小さくなるように設計された場合、ループの内部および外部の電磁界は互いに相殺し、回路全体が非常に静かになる。高周波ループの面積をできるだけ小さくする。

1.5ビアとパッド配置

多くの設計者は多層PCBボードの下に多くのビアを配置したい。しかしながら、高周波電流リターンパスには、パスを多すぎないようにする必要がある。さもなければ、地上の高周波電流トレースは損傷を受ける。高周波電流経路に何らかのビアホールを配置しなければならない場合は、高周波電流用のビア間に間隔をあけてスムーズに流すことができる。ビア・プレースメントは、グランドプレーン上の高周波電流の流れを混乱させてはならず、また、異なるパッド形状が異なる直列インダクタンスを生成することを、設計者は認識するべきである。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を考慮に入れる。バイパスコンデンサは、低インピーダンスおよび低電総研のセラミックコンデンサ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は、PCB上で間違った方法で配置されている場合は、その高周波フィルタリング機能が消えます。

1.6出力直流出力

多くのスイッチング電源は、電源の出力ポートから遠く離れた負荷を有する。電源自体または周囲の電子デバイスに起因する電磁ダウン障害を出力配線に回避するために、出力電流配線は、出力電流ループの面積を最小にするために非常に近くなければならない。

1.7 .システムボード上の接地層の分離

新世代の電子製品のシステムボードは，アナログ回路，ディジタル回路，スイッチング電源回路を同時に持つ。感度の高いアナログおよびデジタル回路にスイッチング電源ノイズの影響を低減するために、異なる回路の接地面を分離することがしばしば必要である。多層PCBを使用する場合、異なる回路の接地層は異なるPCB層によって分離することができる。全体の製品が1つの接地層を有する場合、それが多層PCBボード上の接地層分離または単層PCBボード上の接地層分離であるかどうか、異なる回路の接地層は単一のポイントでスイッチング電源の接地層に接続されるべきである。システムボード上の7つの異なる回路は、異なるグランドプレーンを必要とし、異なるPCBボードの接地面は、単一のポイントを介して電源グランドプレーンに接続される。

スイッチング電源のPCBレイアウト例

設計者は、この回路図上の電力回路および制御信号回路の構成要素を区別することができる。デザイナーがデジタル回路にあるかのように、電源のすべてのコンポーネントを扱うならば、問題は全く深刻です。通常、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構成要素とそのトレースを区別する必要がある。一般に、電源の電力回路は、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、および上部および下部電力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、フィードバック分圧器抵抗器、およびフィードバック補償回路を含む。

電源回路の2.1のPCBレイアウト

PCB上のパワーコンポーネントの正しい配置およびルーティングは、電源全体が適切に動作するかどうか決定する。設計者はまずスイッチング電源装置の電圧及び電流波形の特定の理解を有する。降圧スイッチング電源回路部品の電流波形と電圧波形入力フィルタコンデンサ（CIN）、上端FET（S 1）、F−（en）D FET（S 2）からは、高周波数、高ピーク値の交流電流が流れるので、形成されるループ面積を最小にする必要がある。同時に、S 2、エル、および出力フィルタコンデンサ（Cアウト）によって形成されるループ領域もまた最小化されるべきである。この本に記載されたポイントに従って設計者が電源回路PCBを作らないならば、それはネット19で示される電源PCBを製造しそうです第2に、CIN - S 1 - S 2とS 1のエル( cout )ループの面積は大きすぎて、生成された電磁ノイズは電源自体および周辺回路に大きな障害を引き起こす第3に、それがあまりに近いならば、CPはあまりに大きくなります、そして、その高周波フィルタリング機能は縮小されます;第4に、コーアウトパッドリードは長すぎて、FSエルがあまりに大きく、高周波フィルタリングラインを失う原因となる。cn‐s 1‐s 2とs 2‐l‐coutループの面積を制御した。S 1のソースとS 2のドレインとの間の接続点は、銅パッドの単一の部分である。この接合部の電圧は高周波であるので、S 1、S 2、Lは非常に近接している必要がある。Lとコーアウトとの間のトレースには高ピーク高周波電流はないが、より広いトレースは直流インピーダンスの損失を低減し、電源の効率を向上させることができる。コストが許容される場合、電源は一方のグランドプレーンを有する両面PCBに電源を使用することができるが、接地面の電源および信号線を回避するために注意を払わなければならない。セラミックコンデンサは、電源の入力ポートおよび出力ポートに加えられて、電源の高周波フィルタリング性能を改良する。

電力制御回路の2.2のPCBレイアウト

電力制御回路PCBボードのレイアウトも非常に重要である。不合理なレイアウトは電源の出力電圧のドリフトおよび発振を引き起こす。制御回路は、高周波交流ループの真ん中ではなく、電力回路の側に配置されるべきである。バイパスコンデンサは、チップのVCCおよび接地ピン（（（GND）））に可能な限り近くなければならない。フィードバック分圧器抵抗器も、チップの近くに置かれます。チップ駆動からFETへのループも、できるだけ短くするべきであり、制御チップから上部FETおよび下部FETへの駆動回路ループは、できるだけ短くするべきである。

2.3のスイッチング電源PCBレイアウト例1

この電源では低コストpwmコントローラ（semtech モデル ciio 4 エー）を使用する。PCBボードの下層は完全な接地面である。このPCB上のパワープレーンと制御プレーンとの間には分離はない。電源の電力回路は、入力用コンデンサ（C 1、C 2）、S 1、S 2、L 1、出力フィルタコンデンサ（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）から出力ソケット（PCB基板の右端）まで構成されていることが分かる。PCB 1104 エーはPCB基板の左下端に配置される。電源回路電流がグランドプレーンの制御回路を通過しないので、制御回路グランドプレーンを電源回路グランドプレーンから切り離す必要はない。入力ボードがPCBボードの左下端に配置されている場合、電源回路電流は直接接地面の制御回路を通過し、2つを分離する必要がある。

2.4のスイッチング電源PCBレイアウト例2

別の降圧スイッチング電源では、電源は12 Vの入力電圧を3.3 Vの出力電圧に変換し、出力電流は3 Aに達することができる。この電源には、統合パワーコントローラ（Semtech Model SC 4519）が使用されている。この種のコントローラは、パワーコントローラ・チップの電源チューブを集積化する。そのような電源は非常に簡単であり、特に携帯用DVDプレーヤ、ADSL、およびセットトップボックスのような家電製品に適している。前の例と同様に、この単純なスイッチング電源については、PCBのレイアウトにおいても以下の点が注目される。

1）入力フィルタコンデンサ（C 3）で囲まれたループ領域、SC 4519、D 2の接地ピン（GND）は小さくなければならない。これはC 3とD 2がSC 4519に非常に近いに違いないことを意味します。

2）別の電源回路グランドプレーンと制御回路グランドプレーンを用いてもよい。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）、入力フィルタコンデンサ（C 3）、出力フィルタコンデンサ（C 2）、D 2、SC 4519を含む。制御グラウンドに接続された構成要素は、出力分圧器抵抗器（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）、および同期ソケット（同期）を含む。

3) 追加 エー ホール neエーr the グラウンドインg pイン of SC 4519 to 接続 the グラウンドインg レイヤー of the パワー 回路 with the グラウンドインg レイヤー of the コントロール シグナル 回路 アット エー sインgle poインt. The レイアウト ダイヤグラム of the 上 レイヤー of the パワー 供給 PCB 板. イン 順序 to fエーcilitエーte the reエーder's 下stエーndインg, the パワー グラウンド 平面 エーnd the コントロール シグナル グラウンド 平面 エーre 代表 そば 異なる 色. ヒア the インput ソケットs エーre 配置 on the トップ of the PCB, 安d the 出力 ソケットs エーre 場所d on the 底 of the PCB. The フィルタ インダクタ (L 1) is 配置 on the 左側 側 of the PCB boエーrd エーnd クローズ to the パワー グラウンド 平面, 中 the フィードバック 補償 回路 (R3, C 4, C5), どちら is その他 敏感 to ノイズ, is 配置 on the 右 側 of the PCB boエーrd エーnd クローズ to the コントロール シグナル グラウンド 平面. D 2 is 非常に クローズ to ピン 3 エーnd 4 of SC 4519. The レイアウト diエーgrエーm of the ロウer レイヤー of the パワー <エー href="エー_href_0" target="_self">PCBボード.