SMPS回路設計：どのスイッチング周波数を使用するか？

ネットワークスイッチの電源供給

電力エレクトロニクスおよびスイッチングモード電源（SMPS）の設計者は、高いスイッチング周波数を使用するとシステム内のスイッチング損失が増加する可能性があることを知っておくべきです。しかし、電源とそれに含まれるコンポーネントの小型化を推進する中で、設計者はSMPS回路設計において高いスイッチング周波数を使用することが求められます。これにより、スイッチング損失やノイズがシステム内で深刻な問題となることがあります。

ほとんどのエンジニアリングの決定と同様に、適切なスイッチング周波数を選択することは、コンポーネントのサイズを小さくする、損失を減らす、ノイズを取り除くというトレードオフのセットを伴います。これら3つを同時に達成することは難しい、または不可能です。しかし、賢いPCBレイアウトの決定を行うことで、SMPS回路における高周波数とエッジレートの必要性と、ノイズを最小限に抑える必要性とのバランスを取ることができます。

SMPS回路における周波数、損失、ノイズの最適化

SMPSがより小さなコンポーネントで動作するためには、スイッチングPWM信号を高い周波数で動作させる必要があります。出力インダクタ、キャパシタ、およびダイオードは、出力を通じてDC電力を伝達するように設計されており、スイッチングノイズ、入力電圧からの残留リップル（例えば、整流回路からのもの）、および入力に存在する可能性のある任意の不要な高調波をフィルタリングします。言い換えると、出力はある特定の帯域幅内でローパスフィルター（実際には、これはRLCバンドパスフィルターです）のように機能します。このフィルターのロールオフ周波数を定義することができます（スイッチングデジタル信号のニー周波数と混同しないでください）。

PWMスイッチングノイズが出力を通じて伝播するのを防ぐためには、PWMスイッチング周波数は回路のロールオフ周波数よりも大きくなければなりません。SMPS回路でバックまたはブーストトポロジーを使用している場合でも、出力のロールオフ周波数は出力キャパシタンスとインダクタンスに反比例します。言い換えると、十分に高いPWMスイッチング周波数を使用すれば、SMPS回路でより小さなコンポーネントを使用できます。

バックブーストSMPS回路図

一般的に、SMPS回路におけるPWM信号の切り替え周波数が損失の主要な決定要因であり、それが熱に変換されると考えられています。高い周波数を使用する際のこの問題は正しいですが、周波数だけがMOSFETの損失を決定する唯一のパラメータではありません。実際には、SMPS回路で使用されるパワーMOSFETでは、エッジレートがSMPS回路の発熱損失の重要な決定要因です。

回路要素が理想的であるとは限りませんが、適切でない場合にそれらをそう扱いがちです。上記のMOSFETにも同じことが当てはまります。PWM信号が0Vに落ちたとき、MOSFETが完全にオフにならず、エッジレートが遅すぎると導通し続けることがあります。PWM信号のエッジレートを上げると、MOSFETは完全にサイクルされ、OFF状態での導通が少なくなります。これは、実際には切り替え周波数を高い値に設定しても、電力損失を減少させます。

高いPWM周波数と速いPWMエッジレートの組み合わせにより、SMPS回路で使用されるコンポーネントを小さくすることができます。電力損失（つまり、熱放散）が低いため、小さなヒートシンクを使用できます。しかし、高周波数のPWM信号は強く放射し、速いエッジレートは回路内で過渡応答を引き起こします。この挙動は、MOSFETパッケージとボードレイアウトレベルでの寄生容量と寄生インダクタンスに完全に関連しています。SMPS回路が寄生インダクタンスが最小限になるようにレイアウトされていることを確認する必要があります。

賢いレイアウト選択でSMPSのノイズスパイクを減らす

SMPS回路（ダウンストリームPDNを含む）の寄生インダクタンスは、SMPS回路の電圧スパイクの大きさを決定します。寄生容量もSMPS回路の電圧/電流スパイクに寄与しますが、これが支配的になるのはkVレベルで作業している場合です。寄生インダクタンスによるこの特定の電圧スパイクは、SMPSレイアウトの回路ループを占有し、コンポーネントを故障のポイントまでストレスさせる可能性があります。

高速なエッジレートを使用すると、SMPS回路に大きな過渡電流が誘導されます。標準厚さのFR4上の比較的短いトレース（数cm）でも、約10nHの寄生インダクタンスがあります。PWM信号の急速な立ち上がりエッジと数アンペアのON電流が、数ボルトのスパイクを誘導することがあります。時間が経つにつれて、これはコンポーネントにストレスを与え、SMPSの故障につながります。

高いスイッチング周波数と速いPWMエッジレートを使用すると、このインダクターやこれらのキャパシターよりも小さいコンポーネントを使用できます。

この課題を克服することは難しい場合があり、SMPS回路の寄生成分を抽出することが必要です。これらの回路を設計する際の典型的な戦略は、機能を検証するために回路図からシミュレーションを実行し、プロトタイプを作成した後にテストを行うことです。ここで概説されたガイドラインを活用すれば、動作するデバイスを得るために必要なプロトタイピングの回数を減らすことができるでしょう。

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