PCB電源レイアウトのガイド

電源素子を含まないPCBの設計はめったにありませんが、一般的な素子だからといってPCB設計に課題をもたらさないわけではありません。考慮すべき2つの主な電源の種類には、リニア電源とスイッチモード電源があり、それぞれが電源PCBのレイアウトに対して課題を抱えています。

リニア電源

リニア電源回路は本質的にシンプルです。部品は少ししかなくPCBに簡単に実装できます。問題は、これらの回路が非効率であるため、放射および伝導熱エネルギーへの大量の電力損失を管理しなければならないことです。これは、温度の影響を受けやすいコンポーネントがPCBに実装されている場合や、保護のために環境的に密封されたケーシング内に封入されている場合に冷却オプションが制限されるため困難な問題になる可能性があります。

スイッチモード電源

スイッチモードPCB電源回路はリニアPCB電源よりも複雑ですが、効率性は大幅に優れています。熱管理に対処するPCB設計者の作業時間が短縮されるのですばらしいことですが、残念なことに、別の一連の問題をもたらします。スイッチング回路は、重大なレベルの電磁雑音を発生させる可能性があるため、PCB設計者による管理が必要です。この電気的雑音はPCBの他の回路要素に影響し、基板の外に放射されて近くの機器に影響を及ぼすおそれがあります。極端な場合には、PCB電源回路によって生じた雑音が主電源配線を通じて逆伝導し、同じ主電源に接続されている他のデバイスに影響を与えかねません。

もう1つの潜在的な雑音問題は、スイッチモード回路が出力にリップル電圧を発生させる傾向にあり、これを正しく管理しないと、並列になったワイヤや束ねられたワイヤで配線されたトラック間の容量または誘導結合によって基板で干渉が起こる可能性があることです。より微妙な最後の問題は、スイッチング回路が実装されているPCB上でグランドバウンスが発生する可能性です。急速なスイッチングにより、スイッチング部品がGNDプレーンに接続される基板上のポイントにおいて、GND電位が一時的に変化する可能性があります。その結果、基板のGNDプレーン全体に一時的な電位差が生じます。極端な場合には、この電位差によって、基板の離れた部分にある部品が、この誤った電位差から生じる信号を認識して検出し、反応することがあります。

PCB電源レイアウトのガイドライン

接地

スペースに制約がない場合は、基板設計に強固な電源GNDプレーンを含めて、電磁シールドを提供してください。層を丸ごと使用できない場合は、少なくともPCB電源部品下の全領域をカバーするGNDポリゴンを検討してください。

PCB電源設計のGNDプレーンは、ノイズカップリングの影響を最小限に抑えるために、回路の残りの部分の共通GNDから分離する必要があります。また、GNDループを回避するために、これら2つの接地間の接続を基板上の1点に限定する必要があります。

トレースの伝導性

抵抗損失と電磁雑音放射を低減するために、PCB電源回路のトレースはできるだけ短く、幅広くしてください。スペースが許せば、ポリゴンを使用することをお勧めします。これは特に、熱伝導率が重要となるリニア電源に関係があります。

最大限の効果を得るには、電源プレーンとGNDプレーンの接続にビアを使用する強固なフィル内部層を基板設計に含めることが最善です。PCB電源トレースをある層から別の層に切り替えるためにビアを使用することは、ビアがインピーダンス増加点として作用するので避けてください。ポリゴンを接続する複数のビアは、より優れたソリューションになります。

性能は銅層の厚さに影響されますが、厚さが増すと価格が高くなるため、コストと性能のトレードオフが必要になる場合があります。

導電性を向上させるもう1つの選択肢は、ソルダーマスクの変更によって基板の外層にはんだ層を追加することです。ただし、PCB電源設計コンポーネントが実装されている基板上のポイント間にPCB母線または外部配線を追加すると、より良いパフォーマンスを得ることができます。

コンポーネントの配置

トレースをできるだけ短くするという要件があるため、PCB電源コンポーネントをできるだけ近くに最適な向きで配置することで、トレース長を短くする必要があります。それには、基板の両側に部品を取り付ける方法もあります。

トレース配線

感知可能信号を伝送するトレースはなるべく、GNDプレーンによって12V電源のPCBレイアウト設計トレースから分離された、未接続の基板層の電源から離して配線してください。レイアウト電源から信号へのノイズカップリングを防ぐため、信号トレースは、電力を供給する電源トレースと絶対に配線しないでください。近接が避けられない場合は、ノイズカップリングの影響を最小限に抑えるため、信号トレースをPCB電源トレースと90度で交差させる必要があります。

熱管理

レイアウト電源回路はすべて熱を発生するため、基板設計には熱管理を含める必要があります。そのため、レイアウトについて最初の考慮すべき点は、短いトレース長を維持しながら、可能であれば発熱コンポーネントを熱に弱いコンポーネントから分離するというコンポーネント配置にすることです。

次に考慮すべきことは、基板の銅を使って熱伝導性を作ることで、ホットスポットから離れた箇所や熱放散が可能な領域により均等に熱を分散させることです。
スイッチモードPCB電源に伴う潜在的な問題は、ほとんどの場合、フィードバック制御回路には、発熱するスイッチング部品との共同配置が必要な、温度の影響を受けやすい部品が含まれていることです。気を付けないと、ホットスポットのせいでレイアウト電源が不安定になり、熱の問題が悪化する可能性があります。

概要

電源は、PCBにおける大半の熱と雑音問題の原因になる可能性があるため、基板設計では最初からこれを考慮する必要があります。優れた基板設計は、優れたPCB電源レイアウトから始まります。

パワーエレクトロニクスに関する次回のPCB設計ガイドラインでAltium Designer®を役立てる方法の詳細については、Altiumのエキスパートにお問い合わせください。