スイッチングモード電源PCB設計ガイドライン
目次
- SMPS PCBレイアウトを起動する
- グランドを定義する際に注意してください
- 回路図エディタレイアウト
- グランドの接続をどこで作るか
- スイッチングアクションの設計
電源設計者は、スイッチングモード電源PCBレイアウトに関連する複雑な技術的詳細と機能要件を理解しています。レイアウトは、電磁干渉(EMI)、熱挙動、電力整合性、安全性に対する感受性を決定します。優れたレイアウトにより、高効率の電力変換と負荷への電力供給が可能となり、レイアウト内の高温の部品から熱伝達が可能になり、電子システム周辺の低ノイズ結合が保証されます。また、スイッチングレギュレータは、高電流を出力に供給し、安全ハザードを生み出す重要な要素でもあります。
レイアウトが悪い場合は、大電流レベルで問題が発生し、入力と出力電圧の間に大きな差が生じます。PCBレイアウトが悪い場合に見られる一般的な電源の問題には、高出力電流でのレギュレーション損失、出力とスイッチング波形の過剰なノイズ、回路不安定性があります。DC電源の整合性シミュレーションツール、回路シミュレーションおよび解析機能、および最高のレイアウトおよびルーティングユーティリティの組み合わせにより、設計者はデバイスの安全性と信頼性を確保できます。Altium Designerは、これらの問題を防ぐのに役立つ電源PCBレイアウトソフトウェアとはるかに多くの機能を提供しています。
ALTIUM DESIGNER
スイッチングモード電源PCBレイアウトガイドラインに従うのに役立つPCB設計ソフトウェア。
電源はさまざまな課題に直面しており、適切に動作するように設計と解析機能を完全に組み合わせる必要があります。また、このような設計は、高電圧にさらされたり、突然電流が流れたりすることで、ユーザーに危険を及ぼす可能性がある安全上の問題を引き起こす可能性があります。設計者は、安全で正確で確実な電源を確実に構築できるようにするにはどうすればよいでしょうか。
スイッチングモード電源は、反応回路のスイッチング電源素子を使用することにより、高電流整流交流と高電圧の間で変換する標準的な電源です。これらの部品は非線形であり、通常のLDOレギュレータとは対照的に、レギュレーションを維持するためにフィードバックを使用することがよくあります。LDOでは、エラーアンプの飽和によってレギュレーションが維持され、PCBレイアウトで熱と見なされる抵抗損失が生じます。
スイッチングレギュレータは、規制と効率の観点から好まれますが、より多くの部品が関わるため、レイアウトが困難になる可能性があります。次の電源レイアウトを始めるには、これらのスイッチングモード電源PCBレイアウトガイドラインに従って設計の信頼性を確保します。
SMPS PCBレイアウトを起動する
低ノイズ、低放射EMI、低温を実現する設計に役立つ、基本的なSMPS PCBレイアウトルールがあります。概して、これらのガイドラインは以下のように要約できます。
- 基板レイアウトに短いルートを配置し、ノイズカップリングがないように、基板に電流を通的に絶縁されたセクションを配置することで、EMIを低く保つようにしてください。
- レイアウトにノイズがある場合や、エンベロープトラッキングなどの機能が必要になる場合、または特定のノイズ源が設計に問題を起こしている場合は、必要に応じて適切な入力と出力EMIフィルタ回路を活用してください。 大切な部品から放熱を行うために、銅をたくさん
- 使用します。必要に応じて、ユニークなエンクロージャの設計、ならびに高熱の部品へのヒートシンクやファンの使用を考慮することができます。
- スイッチングイベントの際に設計に寄生振動がないように、MOSFETアレイのような高速スイッチング、高電流回路を配置します。
規制機関は、EMI、安定性、効率、および動作寿命の検査を実施しました。FCCおよびCE規制は、これらのデバイスは意図しないラジエーターの可能性があるため、スイッチングモード電源からの排出に制限を設定します。Altium Designerは、デバイスの電気的動作について詳しく知るために必要な回路解析ツールを提供し、PCBレイアウトツールは、シミュレートされた電気的仕様を考慮しながら上記の要件を満たすレイアウトを作成するのに役立ちます。
グランドを定義する際に注意してください
スイッチングモード電源PCBレイアウトガイドラインとして最初に考慮すべきなのは、レイアウトでグランドを定義する方法です。スイッチング電源回路を設計する際には、5つのグランドポイントが存在することを覚えておいてください。これらはガルバニック絶縁を確保するために、異なる導体に分離されることがあります。これらは:
- 入力の高電流源グランド
- 入力高電流ループグランド
- 出力高電流整流器グランド
- 出力高電流負荷グランド 低
- レベル制御グランド
、コンバータ、整流器、またはレギュレータ回路におけるガルバニック絶縁の必要性に応じて物理的に別の導体に存在する可能性があります。電源回路は、周辺の導電性筐体を通して一般的に発生する場合など、接地が容量的に結合されている場合、同モードノイズを認めることができます。PCBのグランド地域は、部品を分離する各側面で明確に定義する必要があります。部品は例えば
何らかの理由でDCオフセットを排除するために、グランドブリッジを必要とする場合、Y定格コンデンサは高周波フィルタリングを提供し、グランド領域間のDCオフセットを排除する最適なオプションです。
各高電流グランドは、電流ループの1つのレッグとして機能しますが、電流の低インピーダンスリターンパスを提供するためにレイアウトする必要があります。これにより、低い等価インダクタンスで高電流を流すために、場合によりグラウンドプレーンに複数のビアを戻す必要があります。これらの点とその点がシステムのグランドに関して位置する電位が、回路の異なる点間で伝達するDC信号とAC信号を測定するポイントになります。高電流ACの接地からノイズを防ぐ必要があるため、適切なフィルタコンデンサの負端子は、高電流接地の接続ポイントとして機能します。
グランド領域を定義するための最善の方法は、大型の平面またはポリゴンプールを使うことです。これらの領域は、低インピーダンス経路を提供し、DC出力からノイズを消散させ、高リターン電流に対応できます。また、必要に応じて重要な部品から熱を放出する経路を提供します。両側にグランドプレーンを配置することで、放射されたEMIを吸収し、ノイズを低減し、グランドループ誤差を減少させます。静電シールドとして働き、渦電流内で放射されたEMIを放散する一方で、グランドプレーンはまた、電力プレーンの電力トレースと部品を信号プレーン部品から分離します。Altium DesignerのCADツールは、PCBレイアウトでグランドを簡単に定義し、PCBのグランド領域として使用する大型導体を配置することができます。特にスイッチング電源の作業を行う場合、PCBの両側にグランドプレーンを使用し、グランド全体で一貫した電位を確保することができます。
- 設計上の
- グランド領域は、その機能に応じて複数の名前を与えることができます。デザインにおいてグランド領域を定義する際に注意し、適切にリンクするようにしてください。
回路基板のアース、デジタル、アナログの接地についての詳細をご覧ください。 電源PCBレイアウト以外のシステムでは、 - グランド面が重要です。アセンブリに影響を与えずに、低インピーダンスを持つ接続を定義するようにしてください。
Altium Designer内でグラウンドプレーンの作成についての詳細はこちらをご覧ください。 - コモンモードノイズと伝導リップルは、PCBレイアウトにおける主要なノイズ源であり、ノイズが極端な場合にEMIテストに失敗する可能性があります。
電源のEMIとその削減のためのいくつかの手順についての詳細は、回路
図エディタのレイアウトを支援します。
基板レイアウトのノイズ耐性とルータビリティを決定するため、接地は設計を開始する上で重要な場所です。しかし、設置だけが電源設計の考慮事項だけではありません。スイッチングアクションとEMI抑制は電源に組み込まれており、PCBで明確に定義する必要があります。
グランドの接続をどこで作るか
出力電圧を正確に調整するSMPSコントローラの能力は、低レベル制御グラウンドの接続によって異なります。集積回路、入力コンデンサ、出力コンデンサ、および出力ダイオードで動作するように、部品がグランドプレーンに接続することを確認します。交流電流、直流電流、出力電圧など主要なパラメータを測定する制御ICとその関連回路をグランド接続します。低レベルグランドを電流検出抵抗または出力電圧分圧器の下側に接続すると、制御回路がコモンモードノイズを検出するのが防止されます。
スイッチングアクションの設計
SMPSは、カットオフ動作状態と飽和動作状態の間でパスユニットを急速に切り替え、出力負荷に一定の電力を供給することによって動作します。カットオフでは、高電圧はパスユニットに存在しますが、電流は流れません。飽和状態では、非常に小さな電圧降下でパスユニットに大電流が流れます。半導体スイッチはDC入力電圧からAC電圧を生成するため、SMPSは変圧器で電圧を上下させ、出力時にDCに戻すことができます。
パルス幅変調(PWM)スイッチング電源は、フォワードモードまたはブーストモードで動作します。フォワードモード電源は、出力にL-Cフィルタを持ち、フィルタから得られた出力のボルト時間平均からDC出力電圧を生成します。信号のボルト時間平均を制御するために、スイッチング電源コントローラは入力長方形電圧のデューティサイクルを変更します。
バックコンバータ対ブーストコンバータ
ブーストコンバータモード電源は、電源スイッチがオンになると、入力電圧源に直接インダクタを接続します。インダクタ電流はゼロから増加し、電源スイッチをオフにすると同時にピークに達します。出力整流器はインダクタ出力電圧をクランプし、電圧が電源出力電圧を超えることを防ぎます。インダクタのコアに蓄えられたエネルギーが出力コンデンサに渡されると、インダクタのスイッチ済み端子は入力電圧のレベルに戻ります。
一方、バックコンバータモード電源は同じ部品を使用しますが、異なるトポロジで入力電圧よりも低いレベルでインダクタのバックEMFをクランプします。スイッチング動作はブーストコンバータと同じ効果で、充放電コンデンサと競合して出力電流が振動するので、出力電力の調節が可能になります。どちらのタイプのレギュレータ/コンバータトポロジーもスイッチングノイズを設計の出力ポートに伝播させることができます。
電源のルーティングは低雑音動作を保障するのに役立ちます
スイッチング電源は、ノイズ周波数がスイッチング周波数の約100倍に達するまで、高周波ノイズを伝達します。このとき、ノイズ周波数はディケードあたり-20~-40dBのレートで低下します。スイッチングレギュレータは、「オン」と「オフ」の電源状態で動作するため、スイッチング電源回路内に鋭いエッジを持つ大電流パルスは流れ、その結果、EMIが生成されます。ONとOFFの電源状態間の遷移はEMIを作成します。これは、電源レイアウトで電流ループが大きすぎると、システムの他の場所にもEMIが誘起される可能性があります。スイッチング電源回路は、電源スイッチループと出力整流ループで構成されており、過剰なノイズを防ぐために、これらのルーティングを適切に行う必要があります。
電源を設置する際は、ループの周囲とトレースの長さと幅に特定の注意を払います。ループ周囲を小さく保つことで、低周波ノイズアンテナとして動作する可能性がなくなります。回路効率の観点からもトレースの幅を広くすることにより、パワースイッチや整流器に追加のヒートシンクを設置できます。アクティブなルーティングエンジンを使用して人間がルーティング結果を達成し、スイッチング電流ループが同じ方向に動作できるように部品を配置できます。電流ループが同じ方向に伝導されると、制御回路はレイアウト内の特定のスポットに結合します。その結果、2つのハーフサイクルの間に位置するトレースに沿って磁場が反転できず、放射EMIを発生させることになります。
- Altium Designerのルーティングツールは、高電圧/高電圧ラインのポリゴン、データと制御ラインの薄いトレースを簡単に配置できます。
Altium Designerで電源レイアウトのルーティング方法についての詳細はこちらをご覧ください。 電源レイアウトについて作業する - 際は、大きなスイッチング電流を扱うトレースは、短く、直接、太くしてください。IPC規格は推奨トレース幅を計算するために使用できますが、目安はアンペアあたり最小15ミルです。
トレース幅の計算について詳しく知り、高い通電容量を確保します。 SMPS内部の - EMIフィルタは、DC入力と出力ルーティング内で伝導される高周波電流による高周波ノイズを抑制します。統合された部品の価格と可用性とライブラリーとAltium Content Vaultに含まれているデータシートリンクを使用して、最適な結果が得られるフィルターを設計できます。
PCBレイアウトでEMIフィルタ回路についての詳細はこちらをご覧ください。
SMPS AC電圧ノードのためのPCBレイアウトのヒント
SMPS構成に応じて、AC電圧ノードはパワーMOSFETまたはBJTのコレクタおよび出力整流器の陽極のドレインに存在します。これらのノードはそれぞれ高いAC電圧を持つことができます。例として、MOSFETドレインで見られるピーク対ピークAC電圧は入力電圧の1~2倍の測定が可能です。ドレインが絶縁体を通してヒートシンクにボルトで固定されることで、地球に接地したヒートシンクは静電容量結合ノイズの経路となります。Altium Designerで見つかったPCBレイアウトツールを使用して、騒々しいACノードの下ではなく、同じ側に感受性の高い信号を配置できます。さらに、ノードの下にあるグランドプレーンをクロスハッチしてノイズを排除することもできます。
表面実装環境では、静電容量値は小さいですが、ノイズが敏感な信号に混入する可能性があります。これらの要因により、ACノード電圧の静電容量性ヒートシンクまたは隣接するグランドへの接続の可能性にもレイアウトで対処する必要があります。表面実装基板設計を敷設する際は、電源スイッチまたは整流器のヒートシンクとして機能するのに十分な大きさのノードを作ります。一部の多層設計では、ACノード下のすべての層をACノードと同じにし、メッキ穴をつなぐことで、設計の熱質量を増加させます。
Altium Designerは、完全なデザインとレイアウトツールセットを提供します
Altium DesignerのPCB設計とレイアウト機能の完全なセットは、信頼性と安全性の高いパワーシステムを作成するために必要なツールを提供します。また、高出力DCシステムから高周波ACシステムまで、あらゆる用途で使用できる重要な電源回路トポロジやEMIフィルタを作成してシミュレーションすることもできます。Altium Designer用PDN Analyzerプラグインは、回路の直流電流と電圧解析に最適なリソースを提供します。スイッチングモード電源用のPCBレイアウトを設計することは困難なように思えるかもしれませんが、Altium Designerは電源の複雑さを分かりやすく解析するツールを提供します。
- Altium Designerは、アイデアを現実に変えるために必要なものすべてを提供します。シンプルなMOSFET回路から高度なRF電源設計まで、Altium Designerであらゆるものを構築できます。
Altium Designerの統合されたPCB設計ツールについての詳細はこちら。 - Altium DesignerのPDN Analyzer拡張により、ユーザーは業界標準のDC電源インテグリティシミュレーションで電源出力を分析できます。
Altium Designer用の PDN Analyzerプラグインについての詳細はこちら。 Altium Designerユーザーは、Altium 365プラットフォームを通じて、 - 電源設計を共有できます。設計チームはAltium 365を使用し、安全なクラウド環境で設計データ共有し、生産性を維持します。
Altium 365 でのPCB設計データの共有について詳しく知る。
Altiumの目標は、統一されたデザインインターフェイスで、ユーザーに合理化されたデザイン体験を提供することです。Altium Designerの回路図エディタ、PCBエディタ、SPICEシミュレーションパッケージ、ルーティング機能、およびシミュレーションツールは、安全で信頼性の高いノイズフリーの電源を構築するために必要なすべてを提供します。部品の作成と管理ツールが必要な場合は、業界最高のECADユーティリティを使用して設計を作成およびシミュレーションします。
Altium 365のAltium 365でAltium Designerでできることのほんの一部に触れただけです。 製品ページでより詳細な機能の説明やオンデマンドウェビナーを確認できます。
