スイッチングレギュレータのレイアウト：1層か2層か？

PCB上の典型的なスイッチングレギュレータのレイアウトを見てみましょう。通常、複数の理由から、すべてが単一の層に配置されています。低電力のシナリオのような場合、回路は物理的に小さいので、スペースを節約するために2層を使用する必要は実際にはありません。大きなスイッチングレギュレータの場合、コンポーネントの物理的な大きさが大きいため、理論上は2層に配置することでいくらかスペースを節約できるかもしれませんが、取り付け制約のためにエンクロージャ内の配置がより困難になります。

中間サイズのスイッチングレギュレータを持っている場合、いくつかのディスクリートとMOSFETがあるかもしれませんが、大きな機械部品（ヒートシンクやファン）や高いキャップ/インダクタが通常ないため、2層にすべてを配置する柔軟性があります。すべてを単一の層に配置するか、2層に配置するか、そしてそれが性能にどのような影響を与えるか？

実際には、2層配置の主な影響は、寄生容量とノイズの結合に関するものです。設計を小さくし、放射される/受信されるEMIを低減することができるかもしれませんが、適切に配置されていない場合、近くの相互接続に強い結合を生じさせる可能性があります。この問題をより深く見て、ノイズが問題を引き起こし始める場所と、ノイズ結合を防ぐためのいくつかの解決策を見てみましょう。

1層および2層スイッチングレギュレータのノイズ

すべてのスイッチングレギュレータは、dV/dtノードとdI/dtループでノイズを生成します。ハーフブリッジ/フルブリッジトポロジーのようなより複雑なトポロジーでは、スイッチングFET間の位相差に応じて、スイッチングノードが設計内の異なる位置に移動することがあります。PFC回路が基板上で臨界伝導モードで動作している場合、高いdV/dtスパイクを与えるために、その高側および低側のスイッチングノードで深く変調します。いずれにせよ、dV/dtノードはdI/dtループの位置を決定します。これらは一緒に、設計周りでどのようにノイズが結合されるかを決定します。

以下のバックコンバータ回路図の例では、これらのノードが存在する場所を示しています。ブーストコンバータや絶縁トポロジーに対しても同様の図を描くことができます。スイッチングノードと脈動する電流ループは図に示されており、これらは回路が最もノイズを放射するポイントです。

このタイプの回路は、ゲートドライバーを使用してPWMパルスを生成し、Q1を変調することでレイアウトできます。より高度なブリッジまたは共振トポロジーも基本的には同じことを行いますが、電流ループとdV/dtノードはトポロジーによって異なるポイント間で交換される場合があります。

コンポーネントを配置する場所を決定する際（シングルサイド vs. ダブルサイドのPCBレイアウト）、レギュレータが占める面積と、レギュレータが他の回路にカップリングできるスイッチングノイズとのバランスを取ることになります。それぞれのスタイルのいくつかの利点を見てみましょう。

シングルレイヤーPCBレイアウト例

この例では、最大2Aの電流を供給できるバックレギュレータIC（テキサス・インスツルメンツのTPS562201）を見てみましょう。この回路は、出力電圧を感知し、内部のMOSFETをトリガーしてスイッチングを生成するワンショットタイマーを調整するために、抵抗分割器を用いたフィードバックループを使用します。したがって、出力のdI/dtループはICのダイのグラウンドプレーンを横断し、その下には均一なグラウンドが必要になります。

この回路をレイアウトに移行する際には2つの目標があります：

1. SW_OUTからのdV/dtノイズと、寄生容量と寄生インダクタンスを介してフィードバックループに到達する磁気結合ノイズを防ぐ。
2. dI/dtループを可能な限り小さくして、強く放射しないようにし、このループ内の導体のインダクタンスがスイッチング中の過渡的なオーバーシュートに寄与しないようにする。

以下に示すのは、PCB上でこの小型スイッチングレギュレータを配置する典型的なアプローチの一例です。スイッチング電流の経路を大まかにたどってみましたので、設計が放射を受けやすい場所を確認できます。スタックアップは4層を使用しています。この設計では、R1からU1へのフィードバック線（レイヤー2上のトレース）と、大きな銅のスイッチングノード（SW_OUT）があります。

フィードバックトレースは、このアプリケーションではかなり重要な、ノイズのカップリングを受けやすい可能性があります。この線は、内部のワンショットタイマーがリセットされるべき時期を決定するために使用され、次のスイッチングサイクルのために内部MOSFETがトリガーされます。したがって、強いノイズを避け、正確なフィードバック測定を確保したいと考えるでしょう。この例では、レイヤー2に配置し、周囲をグラウンドで囲むことは、低インダクタンスを確保するための良い戦略です。L1からのスイッチングノイズからこのトレースを守る方法は、次の3つがあります：

1. L1とSW_OUTからもっと遠くに配置し、下層に保持してください
2. 上層に配置し、いくつかの銅の注ぎ込みで囲み、慎重にサイズを選んだスイッチングビアでシールドしてください
3. トレースを裏層に置いて、GNDによって完全にシールドされるようにしてください

#3を選択する場合は、出力キャップも裏層に置くことにしましょう！これがどのように見えるか見てみましょう。

2層レギュレータ回路における注意点

出力側に電流ループがある2層回路は、2層でのレイアウトに魅力的です。この配置は、レギュレータのLCセクションの配置のため、時々クラムシェルデザインと呼ばれます。このタイプのルーティングを選択する主な理由は、寄生成分を制御することで、他の回路へのスイッチングノイズの結合を制御できるからです。これは、小型フォームファクタの電源レギュレータを他の回路に近い場所に配置する場合に非常に望ましいです。

以下に示すのは、改良された2層回路です（レイヤー1がフォーカスされています）。U1、C5、L1をトップレイヤーに残し、その他の小さな受動部品はボトムレイヤーに配置しました。この基板が小さなスタンドオフを持つ筐体に収められる場合、2層に大きな部品があっても問題はありません。また、以前のレイアウトと比較して、基板をかなり小さくすることができました。

ボトムレイヤーは以下の通りです。受動部品をボトムレイヤーに移動することで、フィードバックループをより締め、インダクタンスを低減し、レイヤー2と3のグラウンドによってL1から完全に遮蔽されています。もう一つの利点は、SW_OUTもフィードバックループから完全に遮蔽されていることです。

レイアウトをどのように改善できるでしょうか？

レイアウトが完璧であるとは思わないし、常に改善の余地があると信じています。上記のレイアウトは技術的に機能しますが、レイアウトを少し変更することで、よりコンパクトにすることができます。レイアウトの欠点は、基板の表面に沿って磁場が生成されるため、PCBの上端と下端にデータ信号をルーティングすることができないことです。これは、この設計をデータ信号を含む別のレイアウトに配置する際に考慮すべき点です。

レイアウトを改善するもう一つの方法は、フィードバック抵抗とフィードバックトレースを配置することです。理想的には、これらの抵抗（R1およびR2）をフィードバックピンに近づけたいと考えています。これらが電流センス抵抗であれば、フィードバックネットワークの抵抗を可能な限り変更しないように、ケルビン接続を実装したいところです。この部品を裏層に配置し、GNDを追加することである程度のシールドが得られますが、出力電圧の最も正確な追跡のためには、これらの抵抗をフィードバックピンに近づけることがより良いです。

U1に90度の回転を適用し、コンポーネントを移動させるだけで、レイアウトをよりコンパクトにし、基板のサイズを減らすことができます。

私はこれを好む理由は、SW_OUTノードの大部分がフィードバックトレースよりもGNDの上にあるからです。C3とC4を通るdI/dtループもかなりタイトです。フィードバック抵抗を移動することで、PCBレイアウトの全体サイズを削減するのにも役立ちます。

これが単なるシンプルなレギュレータモジュールで、全体の層数が2層の銅層であれば、SW_OUTからトレースを遠ざけて全体のルート距離を増やす以外に、スイッチングノードから敏感なトレースを遮蔽するために引ける手段はありません。このレイアウトが実際の製品で使用され、他のコンポーネントがいくつかある場合、内部層（例えば、少なくとも4層のボード）にGNDプールまたは完全なGNDプレーンがある可能性が高いです。これにより、フィードバックトレース/SW_OUTのループインダクタンスをさらに減らし、これらの制御トレースをSWノードから遮断する方法を提供し、ノイズのカップリングからある程度保護することができます。

スケーリングアップ

これらの原理を単一のパワーMOSFETで理解できれば、2つのMOSFETを使用した同期コンバータや、より高度なブリッジコンバータ、共振コンバータ、多相コンバータへとスケールアップすることができます。これらのレイアウトは、ノイズがPCBレイアウト内の他の回路に結合する場所がより多いため、より複雑です。しかし、上記のノイズ結合原理に従うことで、より高度な電力トポロジを設計する場合でも成功を確実にするのに役立ちます。

スイッチングレギュレータのレイアウトを配置およびルーティングする必要がある場合は、Altium Designer®のCAD機能を使用してください。これにより、コンポーネントをどちらのレイヤーにも迅速に配置し、ノイズを制御するためのスタックアップを設定する自由が得られます。設計を共同作業者や製造業者と共有する準備ができたら、Altium 365™プラットフォームを通じて完成した設計を共有できます。高度な電子機器を設計および生産するために必要なすべてが、1つのソフトウェアパッケージに含まれています。

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