スイッチングレギュレータのインダクタの下にグラウンドを配置すべきですか？

読者やYouTubeの視聴者からの質問に答えることが大好きで、最近受けた質問の一つに、スイッチングレギュレータ内のスイッチング要素からのEMIに関するものがあります：

• スイッチングレギュレータ回路のインダクタの下にカットアウトを配置すべきですか？

これは、「使用されるインダクタのタイプ、コイルの向き、インダクタからの磁束漏れがノイズ問題を引き起こすほど大きいかどうか」に関連して、「それによる」という質問のまた一つです。異なる形状のインダクタがあり、これらのインダクタは、スイッチングレギュレータのスイッチング動作中にコンポーネントの周りに異なる磁場プロファイルを生成することができます。

インダクタとその磁気的振る舞いの変動にもかかわらず、スイッチングレギュレータ回路内のインダクタの近くにグラウンドを配置する効果を判断するために使用できるいくつかの一般原則があります。この記事では、これらの原則のいくつかを見ていきます。

スイッチングレギュレータでインダクタがノイズを結合する方法

インダクタが電圧レギュレータ回路内でスイッチング電流で動作している場合、スイッチング電流は磁場を生成します。これは、マクスウェルの方程式で説明されている電磁気学の基本的な事実です。時間変化する磁場は、近くの回路に起電力を誘導することができます。

少し考えてみましょう、下の3Dビューに示されているワイヤ巻きインダクターを。スイッチング電流がコイルを流れるとき、コイルから時間変化する磁場が発生します。物理の授業を思い出せば、スイッチング電流によって生成される変化する磁場は、周囲の導体に渦電流を誘導することを知っているでしょう。

L2の地面層にほぼ垂直な磁場の領域は、渦電流を誘導します。

インダクターの種類によって、インダクターコアの周りの磁場の分布は異なります。インダクターコアの向き、インダクターの構築に使用される材料、そしてインダクターのタイプ（ワイヤ巻き、フィルムタイプ、シールド付きなど）も重要になります。上記のケースでは、垂直方向に配向されたインダクターコイルを持っています。しかし、このインダクターがシールドされている場合、スイッチング電流によって生成される磁場は、ほとんどインダクターパッケージ内に含まれます。トロイダルインダクターのような他のパッケージは、巻かれたコイル内にフラックスを含むのに役立ちます。

カットアウトは依然として誘導EMFと電流を経験します

カットアウトを配置すると、近くのプレーン層にもEMF（電磁力）とそれによる誘導電流が生じます。下の例で、磁場がカットアウトに向かっていると仮定すると、結果として生じる電流ループは下に示すように時計回りになります。

全ての層を通してこのグラウンドを切断すると、全ての層にこれらの電流を誘導する非常に悪い状況になります。また、GNDがある場合には通常遮蔽されるこの磁場がPCBの周りに放出されることも許します。これはEMC（電磁両立性）の観点から非常に悪いことです。インダクタの下にグラウンドを配置すると、この磁場がボードを通過して他のコンポーネントに干渉することを防ぐことができます。インダクタの下に使用することに対する適切な正当化だと思います。

磁気誘導電流が操作に与える影響

上記の論理によると、インダクタの下にグラウンドを配置すると、次の層で渦電流が発生する磁場が生成されます。これらの渦電流は、インダクタの磁場に反対する自身の磁場を生成します。その理由から、スイッチング電流によって生成される総磁場が低いため、インダクタの「等価」インダクタンスが低くなると考えられます。また、インダクタコイルと平面との相互インダクタンスの観点からもこのことを考えることができます。これにより、システムの総インダクタンスが低下します。

その結果、他の回路に誘導されるノイズが発生するとされています。しかし、グラウンドは内部層の回路やルーティングに対してある程度の遮蔽を提供し、ノイズを表面層の近くに限定します。カットアウトを配置するかどうかに関わらず、渦電流とノイズは存在するため、インダクタの近くの回路ではある程度のノイズを許容する必要があります。他のすべての層でこのノイズに対して遮蔽する方が良い選択肢であるため、私はインダクタの下にグラウンドを配置することを支持します。電力レギュレータの要素にグラウンドを近づけることも、一般的に寄生要素の制御には良い考えです。

要約

上記の議論から、いくつかの主要な結果が得られます：

1. インダクタの下にグラウンドを配置すると、その有効インダクタンスが低下します。インダクタにグラウンドを近づけると、インダクタンスの減少が大きくなります。
2. インダクタの下にグラウンドを配置することは、インダクタコアから直接発生するノイズから内部/背面の層にある他の回路を遮蔽するのに役立ちますが、スイッチングループがスタックアップ全体に広がっている場合は、近くのトレースにノイズを誘発する可能性があるため注意が必要です

最後に、スイッチングレギュレータのPCBレイアウトでスイッチングノードとインダクタの下にグラウンドを配置することは、隣接する銅に渦電流が発生するために少しのインダクタンスを犠牲にすることをいとわない場合には問題ではないと結論付けるのが妥当です。より良い選択肢は、これを遮蔽されたインダクタと組み合わせることです。遮蔽のためのグラウンドの利点を得ることができ、かつインダクタのパッケージが磁場をより良く含むことになります。上層のノイズの問題は、適切なレイアウトと、制御回路や敏感なトレースに近い場所にGNDネットを配置することで追加の遮蔽を行うことで解決されます。Mark Harrisが以前のプロジェクトで素晴らしい例を提供しています.

スイッチングノードに関しては、スイッチングノードの近くにグラウンドを配置することが、スイッチングノードから離れた場所への過剰なノイズの結合を引き起こすかどうかについて、いくらか議論があるかもしれません。整流素子の容量が十分に大きければ、最小インピーダンスの経路は近くのグラウンドプレーンへの容量性結合を通じてではなく、整流素子を通じてになります。ほとんどの場合、これは整流MOSFETの端子容量です。

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