スイッチング電源およびレギュレータのためのPCBレイアウトガイドライン

電源およびレギュレータは、形状やサイズがさまざまです。通常、異なる製品として議論されますが、特にスイッチングレギュレータに関しては、電気的には同等です。高レベルのシステム観点から見ると、電源内のスイッチングレギュレータセクションと実際のレギュレータ回路は、同じブロック図内で同じ機能を果たします。

電源にとって、それは単にスケールの問題であり、レギュレータがシステム内の他の電力変換ブロックとどのように統合されるかについての問題です。電源内のスイッチングレギュレータセクションと、PCB上のスイッチングレギュレータ回路は、低ノイズ動作を確保するために同じ一般的なガイドラインに従って配置されるべきです。

これからのセクションでは、電源とレギュレータがどのように異なるかについて簡単に焦点を当てたいと思いますが、これはほとんどの設計者にとってはすでに明らかであるはずです。電源には（または含まれるべきですが）電力レギュレータが含まれますが、レギュレータは電源と呼ぶかもしれないものの一部ではない単独の回路である可能性があります。電源およびオンボードレギュレータを備えたPCBにとって、スイッチングレギュレータのレイアウトは全体的なシステム性能の主要な決定要因になります。したがって、レギュレータのレイアウトに関してスイッチング電源のいくつかのレイアウトガイドラインを主に見ていきます。

スイッチング電源のシステムレイアウトガイドライン

スイッチング電源のレギュレータセクションを見る前に、まず全体のシステムの高レベルブロック図を見てみましょう。電源ユニットを設計している場合、そのユニットは以下に示すトポロジーを持つことになります。これは、壁のコンセントからAC電力を取る電源にとって特に重要です。

上記のブロック図は複数のボードに実装されることがありますが、大型トランス、ヒートシンク、ファン、および特に高電圧/電流の電源用の機械的マウントなどのために、すべてを一つのボードに配置することが一般的です。電源ユニットに接続する小型のレギュレータを設計している場合は、上記のトポロジー内で作業することになりますが、出力レギュレータと新しいレギュレータの間にはグラウンドタイがあります。再び、これは高電流電源に一般的です。

上記の図には、議論すべき他のポイントがいくつかあります：

ガルバニック絶縁

上記のブロック図では、3つの別々のグラウンド領域がキャパシタで結びつけられています。キャパシタを使用する際にはこのガイドラインを盲目的に追わないでください：全てのノイズ源に対応する単一のPCBグラウンディング技術は存在しません、そして上記のキャパシタの使用には注意が必要です。これは、全てのグラウンド領域を通して一貫したグラウンドポテンシャルを確保するための一つの方法を示しています。これは、産業用イーサネットシステムでのグラウンディングに推奨される方法の一つです。ここでの考え方は、2つのグラウンドセクション間に発生する可能性のある任意のDCポテンシャルをブロックすることです

ここでの危険性は、グラウンドループとコモンモードノイズの生成であり、これはその後フィルタリングする必要があります。このようにグラウンドを結びつけることは、金属製のシャーシを持つ場合に基本的に行われることであり、プラスチック製のエンクロージャーではグラウンドが分離されたままになります。これは難しく、依然として全てのEMCテストに合格するためには、慎重な回路設計とPCBレイアウトが必要です。

出力ステージ

出力段階での絶縁は必要ありません。これはDCレギュレータのトポロジーに依存します（フライバックコンバータを良い例として参照してください）。また、共通モード電流が負荷回路に到達するのを抑制するために、出力に伝導EMIフィルタ回路や共通モードチョークを配置することも一般的です。これらの点を除いて、出力レギュレータ段階は、特定のレギュレータトポロジーに最適な実践を使用してレイアウトされます。これらの広範なレギュレータレイアウトのアイデアについて、以下で説明します。

電源ユニットの出力段階は、システム内の最終レギュレータである必要はありません。代わりに、別のレギュレータや一連のレギュレータに電力を供給し、それぞれが一定の電圧を一定の最大電流で一群のコンポーネントに提供することができます。再び、これは単一のボード上で行うことも、複数のボード上で行うこともできます（一つは電源用、もう一つはレギュレータ段階用）：

上記の電源ツリーは、並列に接続されたレギュレータ（デイジーチェーン）を示していますが、これらはツリートポロジーでカスケード接続することも可能です。このPDN内の電流のマッピングは非常に有用であり、各下流レギュレータステージがPDN内の総電流にどれだけ貢献するかを迅速にプロットするのに役立ちます。総電流と個々の電流は、システム内の各セクションに十分な電流を供給するために必要な電源レールまたは電源プレーンのサイズを決定します。

各回路ブロックの配置

全体的なシステムアーキテクチャが見えるようになったので、スイッチング電源および全体的なシステムの各回路ブロックを、低EMIと安全性を確保するためにどのように配置するかについての感覚を得ることができます。PCBレイアウトを作成する際には、全体のブロック図を考えてください：

• セクションごとにレイアウトする：他の複数の機能ブロックを持つボードと同様に、電源ボードをセクションごとにレイアウトすることを試みてください。ブロック図の入力から出力へと進む線形の方法でこれを行うことは問題ありません。
• フィードバックを伴うレイアウトを計画する：時には、精密な高電流レギュレータのように、セクション間でフィードバックが発生することがあります。オプトカプラを使用して、各セクション間のグラウンドギャップを橋渡ししてください。
• グラウンドリターンパスに従う：PCB設計において普遍的なガイドラインがあるとすれば、それは「グラウンドリターンパスに従う」ことでしょう。電源にとって、これは共通モード電流が発生する場所を特定し、各供給セクションで低ループインダクタンスを確保するために重要です。
• 高電流および高電圧レールに注意する：高電圧および高電流の設計は時に混在します。2つの導体間の最大電位差がその最小間隔を決定します（IPC-2221を参照）、そして導体が運ぶ電流が、低温度を確保するために必要な幅を決定します（内部層または外部層についてはIPC-2152を参照）。

PDN設計の部分を進める際には、各セクションがどのように接地され、グラウンドがどのように結ばれて一貫した参照電位を提供するかについても考えるべきです。これは、上述したようにEMIを防ぐために非常に重要です。これはPCBレイアウトを始める前に行うべきです。

電源スイッチングレギュレータのレイアウトのヒント

レギュレータのコンポーネントを選択し、回路図を作成し、グラウンディング/電力分配戦略を設計したら、PCBレイアウトを考え始めることができます。スイッチング電源レギュレータのPCBレイアウトは、トレードオフがすべてです。導体のサイズとクリアランス要件のバランスを取る必要がありますが、コンパクトである必要があります。

このブログでは、特定のレギュレータトポロジのレイアウトに関する複数のガイドを掲載しています。すべての可能性を走り抜ける代わりに、以下のリストはシステムに適用される幅広いガイドラインを示しています。

1. システムの最小クリアランスとトレース幅のルールを常に実装してください。
2. 電圧/電流センシングのためのフィードバックラインを、可能な限り短く直接的なルーティングで保持してください。
3. ドライバーおよびコントローラICの周りにいくつかの制御およびセンスコンポーネントをクラスタリングする必要があるかもしれませんので、それらの間の短い接続を確実に行ってください。これらのコンポーネントを狭いエリアにクラスタリングすることは問題ありません（下記参照）。
4. 高電流用に設計している場合は、厚い銅やメタルコアPCBを検討してください。
5. コンポーネントやコネクタの取り付けパッドとしてポリゴンを使用することを恐れないでください。ただし、直接プレーンに結びつける場合は、熱リリーフが必要になるかもしれませんので注意してください。
6. レギュレータは非常に高い効率を持つことができますが、それでも発熱することがあります。ICのヒートシンク（ある場合）に対して、レイアウト内に十分なスペースを確保してください。もう一つの選択肢は、熱伝導材料を使用することです。

スイッチングレギュレータの具体的なレイアウトガイドラインは、トポロジー、コンポーネント数、フィードバックの有無、接地戦略によって異なります。PCBレイアウトを開始する前に、EMIを防止し、必要な隔離を提供するために接地について考えていたことを願います。特定のレギュレータに関するもっと具体的なガイドラインを見るために、これらの他のリソースをいくつか見てみてください：

• ブースト電圧レギュレータの設計方法
• 絶縁型対非絶縁型電源：間違いなく正しい選択
• LLC共振コンバータの設計とPCBレイアウト
• 低ノイズ、低EMI電圧レギュレータ

何をカバーしていないのか？

明らかに、上記のスイッチング電源およびレギュレータ回路のレイアウトガイドラインのリストには、多くの考慮事項があります。では、何が欠けているのでしょうか？上記の議論には含まれていない、電力調整および供給のいくつかの重要な側面があります：

• PDNインピーダンス：高速/高周波コンポーネントを使用していない場合、PDNインピーダンスについて心配する必要はおそらくありません。太い電源レールを使用し、十分なグラウンドプアを確保してください。高速/高周波で設計している場合、低いPDNインピーダンスはリップルを抑制するために非常に重要です。これは通常、多数のデカップリングコンデンサと高い層間容量を用いて達成されます。
• 電源EMI：上記で触れました。PCBレイアウトを作成する際には、常に低EMIを確保することを考えるべきですが、低ループインダクタンスのルーティングを超えてEMIを抑制し、EMCテストに合格するためには多くの点があります。これらの点については、電源EMIに特化した記事で議論します。
• アナログ電源：ここでは、通常デジタルICの文脈で議論されるスイッチングコンバータに注目しています。しかし、アナログコンポーネントの電源ニーズはかなり異なる場合があります。デジタルICがアナログ/RF信号を供給する場合、通常は内部で行います。しかし、特殊なLDO（例：NCP161BMX280TBG）やスイッチングレギュレータ（例：LTC3388IMSE-1）もあります。

また、低EMIおよび共通モードノイズカップリングを確保するためのインダクタ選択、低リップル電流を確保するためのコンポーネント選択も重要な問題です。上記リストの最後のポイントも非常に重要です。なぜなら、純粋にアナログ回路は、デジタルシステム用の電力レギュレーターや組み込み電源と同じレイアウトスタイルを持たないからです。極めて高い周波数で作業している場合、RF電源の問題は、不安定なアンプ回路で見られるような、寄生容量により管理が難しくなります。これは私が大好きな別のトピックですが、別のブログ投稿で取り上げます。

Altium Designer®の最高のPCB設計ツールを使用すると、ここで概説したスイッチング電源のレイアウトガイドラインを実装できます。また、レギュレータIC、大規模なレギュレータ回路のコンポーネント、およびシステムの他のコンポーネントを見つけるために必要なツールも提供されます。伝導または放射されるEMIに関するより高度な計算については、Altium DesignerのユーザーはEDB Exporter拡張機能を使用して、設計をAnsysフィールドソルバーにインポートできます。このフィールドソルバーと設計アプリケーションのペアは、プロトタイピングを開始する前にレイアウトを検証するのに役立ちます。

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