LLC共振コンバーターの設計とPCBレイアウト

DC-DCコンバーターは設計が難しく、特に高電流出力のスイッチングコンバータを検討する場合には危険が伴うこともあります。さまざまな種類のスイッチングコンバーターとそのトポロジーの中でも、LLC共振コンバーター設計は、パワーエレクトロニクス企業のアプリケーションノートに目を向けるまであまり話題になりません。このコンバータは、LEDバンク、アプライアンス、デスクトップ/サーバーの電源、その他多くの電力変換システムなどのハイパワーシステムの重要な部分です。

フィードバックループを実装するための制御アルゴリズムと方法を見てみると、LLCの共振コンバーターの設計がその価値を発揮し始めています。昇降圧コンバーターに使用するのと同じタイプの制御アルゴリズムを実装して、ドループまたは過剰リップルのある電源に対応できますが、このタイプの絶縁型スイッチングコンバーターを使用すると、より高い出力電力を得ることができます。このようなシステムのPCBレイアウトを作成する準備ができたら、安全性、熱管理、ノイズ抑制など、いくつかのポイントを押さえておく必要があります。

LLC共振コンバーター設計

LLC共振コンバーターは、スイッチング信号に適切な周波数を選択することで出力電圧を制御する絶縁型スイッチングコンバーターです。スイッチング信号のデューティサイクルで出力が制御される標準的なスイッチングコンバーター（バックまたはブーストトポロジーなど）とLLC共振コンバーターを比較してください。このシステムは、AC主電源入力を備えたシステムなど、多くの高電力用途に適しています。

以下のブロック図は、LLC共振コンバーターの各部を示しています。コンバーターの入力段は一般に、整流器、電力調整段（PFC回路）、平滑コンデンサーバンクで構成されます。AC主電源を扱っている場合は、ここにEMIフィルターを配置できます。PFCステージは、LLC共振コンバータの設計に必ずしも必要なわけではありませんが、他のスイッチングレギュレータと同様に、電力変換効率を高く保つことに注意してください。

フルブリッジとハーフブリッジの切り替え

LLC共振コンバーター設計のスイッチング素子は、2つの可能な構成で提供されます。フルブリッジのスイッチング回路ではMOSFETを4個、ハーフブリッジのスイッチング回路では2個搭載しています。AC電源の供給時、ブリッジ整流器のダイオードが順バイアスと逆バイアスを切り替えるのと同じように、この素子はオンとオフを切り替えます。フルブリッジの場合、一般により多くのスペースを必要とし、ノイズも多く発生します。周波数制御に必要なコンデンサーを直接ハーフブリッジ回路（C1とC2）に配置できるので、ハーフブリッジスイッチング回路がお勧めです。

出力整流

出力側の整流は、様々な方法で適用できます。ここでの目標は、出力が常にDCになるように電流の方向を制御することです。出力側のコンデンサーは、ブリッジ部が切り替わる際のリップルを平滑化します。より単純なLLCコンバーターの場合、出力整流はダイオードによって行われますが、高電流のLLC共振コンバーター設計では、MOSFETを使って出力側で整流することができます。

出力の制御

出力は、AC回路の場合と同様に、変圧器で適切な巻数比を選択することで設定します。ただし、変圧器の一次側に見られる電圧の大きさは、スイッチング回路に送られる駆動信号の周波数を調整して制御されます。この駆動信号は、デューティサイクルが約50%のパルス周波数変調（PFM）信号です。

LC共振タンク回路は、回路内の唯一の抵抗がMOSFETのオン状態抵抗と変圧器/コイルの巻線抵抗であるため、ある程度のゲインがあります。標準的なゲイン値は1〜1.5です。出力電力が低下すると、ドライバーはPFM信号周波数を調整し、システムを共振に近づける必要があります。このように変圧器の一次側で十分なゲインを利用するだけで、出力電力を増やすことができます。

図3に示すように、このタイプの制御方法は、フィードバックループ、電流または電圧検出回路、MCUを使って簡単に行うことができます。この検出機能を実現し、ブリッジ回路の駆動に必要なパルス信号を供給できる一体型PMICもあります。一般に、出力を検出して入力にフィードバックし、スイッチング周波数を調整するには、フォトカプラーが必要です。フォトカプラーにより、絶縁を維持しながら、検出された出力を一次側に戻すことができます。回路の設計が完了し、必要なコンポーネントをすべて選択したら、これらすべてをPCBレイアウトに組み込む方法を考える必要があります。

PCBレイアウトでのコンポーネントの配置

通常、LLC共振コンバータの設計は中程度の高電圧システムで使用されるため、基本的な設計のヒントがいくつかあります。

• 出力変圧器: 最終変圧器を配置するときは、絶縁DC電源のベストプラクティスに従います。変圧器は高電圧側を出力から絶縁しますが、これには注意が必要です。オペレーターがフィードバックループからの高電圧にさらされるおそれがあります。
• MOSFET整流器: 高電流出力システムの場合、出力側で MOSFETを使用して高電流を整流する結果になることがあります。複数のMOSFETを出力側で同時に使用して、故障の心配なく高電流を供給できます。
• クリアランス: 高電圧で操作している場合は、PCB設計ツールのクリアランス設計ルールを活用してください。導体間に大きな電位差がある導体間のクリアランスに関する安全基準に基板が違反していないことを確認する必要があります。
• 絶縁: 上で概説したように、 フォトカプラーを使用して、検出した出力をコントローラーICのフィードバックピンに戻すことで、絶縁を維持する必要があります。変圧器は、業界規格（IECまたはUL）または規制で指定されている可能性のある周波数/電圧制限まで、一定レベルの絶縁電圧を供給する必要もあります。

ほとんどのハイパワーシステムの場合と同様に、レイアウトには、特定のコンポーネントに取り付けられたヒートシンク、ファン、またはその両方が必要になる可能性が高くなります。500 W以上で動作する可能性があるLED基板のようなものの場合、金属コアは自然な熱放散を行うので、金属コアPCBを使用するのが最善の策です。重要なパッドのサーマルビアも、熱をプレーン層に逃がすことができます。

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ここでは、Altium 365とAltium Designerでできることについて、その一部を紹介したに過ぎません。より詳細な機能の説明については、製品ページまたはオンデマンドのWebセミナーをご覧ください。