スイッチモード電源回路のPCBレイアウト設計ガイドライン

スイッチング電源は、パワーエレクトロニクスで広く使用されている電源トポロジです。複雑なCNCマシンであろうとコンパクトな電子デバイスであろうと、デバイスが何らかの電源に接続されている限り、SMPS回路は常に必須です。不適切または故障した電源ユニットは、回路がどの程度適切に設計され機能しているかに関係なく、製品の大きな故障につながる可能性があります。私たちはすでに、12V 1ASMPSや5V2A SMPSのようなかなりの数のSMPS電源回路を、それぞれPowerIntegrationとViperコントローラーICを使用して設計しています。

すべてのスイッチング電源は、MOSFETやパワートランジスタなどのスイッチを使用しており、スイッチングドライバの仕様に応じて常にオンまたはオフになります。このオンとオフの状態の切り替え周波数は、数百キロヘルツからメガヘルツの範囲です。このような高周波スイッチングモジュールでは、PCB設計戦術がはるかに重要であり、設計者が見落としがちです。たとえば、不十分なPCB設計は回路全体の障害につながる可能性があり、適切に設計されたPCBは多くの不快なイベントを解決する可能性があります。

一般的な経験則として、このチュートリアルでは、あらゆる種類のスイッチモード電源ベースのPCB設計に不可欠な重要なPCB設計レイアウトガイドラインのいくつかの詳細な側面を提供します。また、SMPS回路のEMI低減のための設計手法を確認することもできます。

まず最初に、スイッチモード電源を設計するには、回路の要件と仕様を明確に示す必要があります。電源には4つの重要な部分があります。

入力および出力フィルター。
ドライバ回路およびドライバ、特に制御回路の関連コンポーネント。
スイッチングインダクタまたはトランス
出力ブリッジと関連するフィルター。

PCB設計では、これらすべてのセグメントをPCBで分離する必要があり、特別な注意が必要です。この記事では、各セグメントについて詳しく説明します。

入力フィルターと関連フィルターのガイドライン

入力セクションとフィルターセクションは、ノイズの多い、または調整されていない電源ラインが回路に接続される場所です。したがって、入力フィルタコンデンサは、入力コネクタとドライバ回路から等間隔に配置する必要があります。入力セクションとドライバ回路を接続するには、常に短い接続長を使用することが重要です。

上の画像で強調表示されているセクションは、フィルターコンデンサの近接配置を表しています。

ドライバー回路と制御回路のガイドライン

ドライバは主に内部MOSFETで構成されているか、スイッチングMOSFETが外部接続されている場合があります。スイッチングラインは常に非常に高い周波数でオンとオフになり、非常にノイズの多い電源ラインを作成します。この部分は常に他のすべての接続から分離する必要があります。

たとえば、変圧器に直接接続されている高電圧DCライン（フライバックSMPSの場合）またはパワーインダクターに直接接続されているDCライン（バックまたはブーストトポロジベースのスイッチングレギュレータ）は分離する必要があります。

下の画像で強調表示されている信号は、高電圧DCラインです。信号は、他の信号から分離されるようにルーティングされます。

スイッチモード電源設計で最もノイズの多いラインの1つは、ドライバーのドレインピンです。これは、ACからDCへのフライバック設計であるか、バック、ブースト、またはバックブーストトポロジベースの低電力スイッチング電源であるかは関係ありません。設計。このタイプのルーティングは一般に非常に高周波の信号を伝送するため、常に他のすべての接続から分離する必要があり、非常に短い必要があります。この信号線を他の信号線から分離する最良の方法は、ミリング層または寸法層を使用してPCBカットアウトを使用することです。

以下の画像では、オプトカプラーから安全な距離にある絶縁されたドレインピン接続が示されています。PCBカットアウトにより、他のルーティングまたは信号からの干渉が除去されます。

もう1つの重要な点は、ドライバ回路にはほとんどの場合、非常に敏感なフィードバックまたは検出ライン（入力電圧検出ライン、出力検出ラインなど複数の場合があります）があり、ドライバの動作はフィードバックを検出することによって完全に依存します。ノイズ結合を回避するために、あらゆる種類のフィードバックまたはセンスラインの長さを短くする必要があります。これらのタイプの回線は、常に電源、スイッチング、またはその他のノイズの多い回線から分離する必要があります。

以下の画像は、オプトカプラーからドライバーへの個別のフィードバックラインを示しています。

これだけでなく、ドライバ回路には、ドライバ回路の動作を制御するために必要なコンデンサ、RCフィルタなどの複数のタイプのコンポーネントを含めることもできます。これらのコンポーネントは、ドライバー全体に密接に配置する必要があります。

インダクタとトランスの切り替えに関するガイドライン

スイッチングインダクタは、かさばるコンデンサに次ぐ、あらゆる電源ボードで利用可能な最大のコンポーネントです。悪い設計の1つは、インダクタリード間のあらゆる種類の接続をルーティングすることです。電源間またはフィルタインダクタパッド間で信号をルーティングしないことが重要です。

また、トランスが電源、特にAC-DC SMPSで使用される場合は常に、このトランスの主な用途は入力と出力を分離することです。一次パッドと二次パッドの間には適切な距離が必要です。沿面距離を増やす最良の方法の1つは、ミリング層を使用してPCBカットオフを適用することです。変圧器のリード線の間には、いかなる種類の配線も使用しないでください。

出力ブリッジとフィルターセクションのガイドライン

出力ブリッジは、負荷電流に応じて熱を放散する大電流ショットキーダイオードです。場合によっては、銅面を使用してPCB自体に作成する必要のあるPCBヒートシンクが必要になります。ヒートシンクの効率は、PCBの銅の面積と厚さに比例します。

PCBで一般的に利用できる銅の厚さには、35ミクロンと70ミクロンの2種類があります。厚さが高いほど、より良好な熱的接続とPCBヒートシンク面積を短縮得ます。PCBが二重層であり、加熱されたスペースがPCBで利用できない場合は、銅面の両側を使用でき、共通のビアを使用してこれらの2つの側を接続できます。

下の画像は、最下層に作成されたショットキーダイオードのPCBヒートシンクの例です。

ショットキーダイオードの直後のフィルタコンデンサは、インダクタ、ブリッジダイオード、およびコンデンサを通る電源ループが非常に短くなるように、トランスまたはスイッチングインダクタの両端に非常に接近して配置する必要があります。このようにして、出力リップルを減らすことができます。

上の画像は、トランス出力からブリッジダイオードとフィルタコンデンサへの短いループの例です。

SMPSPCBレイアウトのグラウンドバウンスの低減

まず、グランドフィリングが不可欠であり、電源回路内の異なるグランドプレーンを分離することも最も重要なことです。

回路の観点から、スイッチング電源はすべてのコンポーネントに対して単一の共通グランドを持つことができますが、PCB設計段階ではそうではありません。 PCB設計の観点から、地面は2つの部分に分かれています。最初の部分は電源グランドで、2番目の部分はアナログまたは制御グランドです。これらの2つのグラウンドの接続は同じですが、大きな違いがあります。アナログまたは制御グランドは、ドライバ回路に関連するコンポーネントによって使用されます。これらのコンポーネントは、低電流のリターンパスを作成するグランドプレーンを使用しますが、一方、電源グランドは高電流のリターンパスを伝送します。電源コンポーネントはノイズが多く、同じグランドに直接接続されている場合、制御回路で不確実なグランドバウンスの問題が発生する可能性があります。以下の画像は、アナログおよび制御回路が単層PCB内のPCBの他の電力線から完全に分離されている様子を示しています。

これらの2つの部分は分離する必要があり、特定の領域で接続する必要があります。

PCBが二重層の場合、これは簡単です。たとえば、最上層を制御グランドとして使用でき、すべての制御回路を最上層の共通のグランドプレーンに接続する必要があります。一方、最下層は電源グランドとして使用でき、ノイズの多いすべてのコンポーネントはこのグランドプレーンを使用する必要があります。ただし、これら2つのグランドは同じ接続であり、回路図で接続されています。これで、最上層と最下層を接続するために、ビアを使用して両方のグランドプレーンを1か所で接続できます。たとえば、次の画像を参照してください–

ドライバの上の部分には、パワーGNDと個別に呼ばれるグランドプレーンを使用するすべてのパワーフィルタ関連コンデンサがありますが、ドライバICの下部には、個別の制御GNDを使用するすべての制御関連コンポーネントがあります。両方のアースは同じ接続ですが、別々に作成されます。次に、両方のGND接続がドライバICを介して結合されました。

IPC標準に従う

IPCPCB設計基準に従ってPCBガイドラインとルールに従ってください。これにより、設計者がIPC2152およびIPC-2221Bで説明されているPCB設計標準に従っている場合、エラーの可能性が常に最小限に抑えられます。主に、トレース の幅が温度と電流容量に直接影響していることを覚えておいてください。したがって、トレースの幅が間違っていると、温度が上昇し、電流の流れが悪くなる可能性があります。

2つのトレース間の間隔は、不確実な障害やクロストーク、場合によっては高電流高電圧アプリケーションでのクロスファイアを回避するためにも重要です。IPC-9592Bは、電源ベースのPCB設計における電力線間の推奨間隔について説明しています。

センスラインのケルビン接続

ケルビン接続は、制御回路の能力に影響を与える測定の精度のため、電源ボード設計のもう1つの重要なパラメータです。電源制御回路は、フィードバックまたはセンスラインでの電流検出または電圧検出など、常に何らかの測定を必要とします。この検出は、他の信号またはトレースが検出ラインに干渉しないように、コンポーネントのリード線から実行する必要があります。ケルビン接続は同じことを達成するのに役立ちます。センスラインが差動ペアの場合、長さは両方のトレースで同じである必要があり、トレースはコンポーネントリード間で接続する必要があります。

たとえば、ケルビン接続は、テキサスインスツルメンツによるパワーコントローラのPCB設計ガイドラインに適切に記述されています。

上の画像は、ケルビン接続を使用した適切な電流検出を示しています。正しい接続は、センスラインの設計に不可欠な適切なケルビン接続です。PCBレイアウトも、そのドキュメントに適切に記載されています。

PCBレイアウトは、ドライバーまたはコントローラーIC間の10nFと1nFのセラミックコンデンサ間の密接な接続を示しています。センスラインは、適切なケルビン接続も反映しています。内部電源層は、ノイズ結合を低減するために複数のビアを使用して、同じであるが分離されたソースラインに接続された分離されたソースラインです。