高電圧SMPS PCBレイアウトで熱とノイズを最小限に抑える

AC-DC変換であれDC-DC変換であれ、スイッチング電源のレイアウトは高電圧設計で一般的であり、慎重に構築する必要があります。このシステムは非常に一般的ですが、スイッチング中の電圧と電流の急激な変化により、簡単にEMI（電磁干渉）を放射する可能性があります。設計者は、ある領域のわずかな変更が診断が困難なEMI問題を引き起こす可能性があるため、既存の設計を新しいシステムに適応させることはほとんどありません。

適切なレイアウト選択と配線を行うことで、SMPSの出力からノイズが重大な問題になるのを防ぐことができます。低電圧コンバータは異なるフォームファクターでICとして購入できますが、高電圧コンバータは専用のボード上で個別のコンポーネントから製造する必要があります。ここでは、コンポーネントを冷却し、システムのノイズ問題を防ぐための重要なSMPS PCBレイアウトのヒントをいくつか紹介します。

SMPS PCBレイアウトのノイズと熱問題

どうしても避けられないことですが、任意のSMPSはトランジスタドライバのスイッチング動作により、中程度の高周波ノイズを発生させます。実際には、AC-DC変換中の全波整流器からの低周波リップルを高周波スイッチングノイズに変換しています。この変換によりより安定したDC出力が得られますが、依然として2つの重要なノイズ源が問題となります：

• スイッチング素子からの直接的なスイッチングノイズ。
• システム内の他の場所での過渡的なノイズ。

SMPSユニットの出力には、伝導ノイズとしても放射ノイズとしてもノイズが現れることがあります。各問題の原因を診断するのは複雑になることがありますが、2種類のノイズを区別することは容易です。SMPS PCBレイアウトにおける他の設計上の課題は、ボード内で発生する熱です。これは、適切なPWM周波数、デューティサイクル、立ち上がり時間を選択することで影響を受けることがありますが、ボードで適切な熱管理戦略を使用する必要があります。これら2つの課題を念頭に置いて、SMPS PCBレイアウトで注意すべき細かな点を見てみましょう。

熱管理

理想的なSMPSはゼロパワーを消散しますが、現実にはこれは起こりません。スイッチングトランジスタ（およびAC-DC変換用の入力トランス）が、熱として大部分の電力を消散します。スイッチング電源トポロジーでは効率が90％を超えることもありますが、電力MOSFETはスイッチング中にかなりの熱を発散することがあります。ここでの一般的な実践は、重要なスイッチングコンポーネントにヒートシンクを設置することです。これらをグラウンドプレーンに接続して新たなEMIの発生源を防ぐことを確認してください。

高電圧/高電流の電源では、これらのヒートシンクはかなり大きくなることがあります。エンクロージャにファンを取り付けることで、システムの冷却をさらに強化できます。ただし、新たなEMI問題を引き起こさないように、このファンの電源供給に関してベストプラクティスに従うことを確認してください。

SMPS PCBレイアウトのヒント

あなたのPCBスタックアップ

レイアウトは熱管理に多少役立ちますが、EMIの感受性に関してはより大きな決定要因です。伝導ノイズは通常、入力回路と出力回路にEMIフィルタ回路を使用することで対処されます。高速/高周波システムの多くのEMI問題と同様に、スタックアップが放射EMIへの免疫の主要な決定要因になります。

SMPSが動作する関連周波数は、約10 kHzから約1 MHzまでの範囲であり、放射EMIは誘導的にノイズを引き起こします。したがって、すべての電力コンポーネントを含む表面層の直下にグラウンドプレーンを配置したいと考えます。これにより、表面層の回路のループインダクタンスが低くなります。出力に伝播する誘導ノイズ信号は、通常、出力でのフィルタリングを通じて除去されます。

PCBレイアウトにおいて、コイル（インダクタ、トランス、またはコモンモードチョーク）の下や近くにグラウンドを配置することに対しては、いくつか異論があります。その理由は、コイル内の巻線容量がグラウンドプレーンからコイルに電流を結合させる可能性があり、EMIの原因となるコモンモードノイズを生じさせるからです。レイアウトにおいてコモンモードノイズの結合を防ぐために、リターンパスを追跡することが非常に重要です。このタスクは、適切なフィールドソルバーユーティリティを使用することで支援されます。

過渡振動

過渡現象は、スタックアップ、ルーティング、ビアの存在、不十分なデカップリング/過剰なインピーダンスに関連しているため、解決がより困難な問題です。高速設計の場合と同様に、スイッチング信号を運ぶ銅をグラウンドプレーンのギャップの上をルーティングしないでください。これは、過渡現象で強く放射する可能性のある何らかのアンテナ構造を作り出します。これらの過渡現象は高周波数（数十MHzから数百MHzの範囲）に傾向があります。

過渡振動の問題は、インピーダンス管理の問題です。高インピーダンスは強い電圧リップルを引き起こします。ボードPDN内のインピーダンスを最小限に抑えるために、コンポーネントは適切なランドパターンで配置されるべきです。以下に、コンポーネントの良いランドと悪いランドの例を示します。

最後に、レイアウトに孤立した島を残さないことが最善です。制御回路や受動部品を含む可能性のある電源アイランドを、デカップリングキャパシタを使ってグラウンドプア/グラウンドプレーンに接続してください。これらの状況でのビアの配置には注意が必要です。意図しないノッチやスロットをグラウンドプレーンに作成しないようにしてください。

高電圧SMPS設計についての詳細

高強度LEDを駆動するための中電圧ドライバ回路に興味がある場合は、Mark Harriのこの記事をご覧ください。また、SMPSで使用する最適なスイッチング周波数を決定する問題もあります。これは解決が難しい最適化問題になることがありますが、PWM信号で駆動されたときのMOSFETのスイッチング動作を理解していれば、はるかに近づくことができます。この点については最近の記事で議論しました。最後に、（SMPSを含む）高電圧ボードをIPC基準に沿って設計する際のアドバイスをご覧ください。

Altium Designer®の回路図設計とレイアウト機能は、SMPS PCBレイアウトを作成し、その挙動をシミュレートするのに理想的です。回路設計に使用するための事前レイアウトシミュレーションツールのフルスイートにアクセスでき、強力なPDNアナライザーを使用してボード内の安定した電力分布を確保できます。これらの機能はすべて、生産性を保ち、次の製品を迅速に構築できるようにする単一の設計環境でアクセス可能です。

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