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パワーインテグリティ

Buckコンバータ用インダクタの選択方法

Thought Leadership Buckコンバーター用インダクタの選択方法 SMPSは、お気に入りの電子機器をスムーズに動かすために、静かに（しかし電気的にはノイジーに）活動しているデバイスの一つです。彼らは背景で静かに役割を果たしていますが、彼らがいなければボードは動作しません。電力をたくさん消費するアプリケーションのDC-DCコンバータ設計の一環として、安定した電力供給を高効率で負荷に提供するためには、コンポーネントの選択が非常に重要です。数多くのDC-DCコンバータトポロジーの中で、バックコンバータは入力電圧を下げるために、高効率の電力変換を提供するために多くの用途で使用されます。これらの電力コンバータのコンポーネント選択に関する一般的な質問は、バックコンバータ用のインダクタをどのように選択するかです。バックコンバータ内のインダクタや他のコンポーネントを扱う際の目標は、電力損失を熱に限定し、同時に電流リップルを最小限に抑えることです。バックコンバータのインダクタ以下に示すのは、SMPS用の基本的なバックコンバータトポロジーです。この図では、MOSFETからの出力がPWM信号で駆動され、ユーザーが選択したデューティサイクルでMOSFETをオン/オフします。インダクタとキャパシタは、PWM信号が切り替わる際に負荷に安定した電流を供給するために重要な役割を果たします。最終的に、PWM信号のデューティサイクルは、ユーザーが負荷に供給される出力電圧を制御するための主要な機能です。インダクタはPWM信号と同じレートで常に切り替わるため、出力に送られる電流にわずかなリップルを重ねる役割を担います。インダクタとキャパシタはLフィルタを形成し、これは基本的に2次のバンドパスフィルタです。十分に大きくESRが低いキャパシタを使用すると、キャパシタは低インピーダンスを提供し、リップルを構成する高周波成分は大部分が取り除かれます。バックコンバータ用のインダクタの選択方法インダクタの適切な値は、設計が許容できるリップル電流と、PWM信号に使用する予定のデューティサイクルに依存します。以下の方程式は、ダイオードの順方向電圧降下とMOSFETを通過するON状態の電圧降下の関数としての出力電圧を示しています。これらの電圧を考慮した後、出力電圧は次のようになります：いくつかの数学をスキップして、重要な結果に直接移ります。まず、インダクタンスとPWM周波数はリップル電圧に反比例します。次に、リップルはPWMデューティサイクルの二次関数でもあります。バックコンバーターのリップル電流は次のようになります： PWM信号の立ち上がり時間はどちらの方程式にも現れません。しかし、立ち上がり時間は、コンバーターから発生するノイズおよび損失（詳細は以下を参照）を決定する上で重要な役割を果たします。重要な結果は以下のようにまとめることができます：デューティサイクルを増加させるとリップルは減少しますが、出力電圧を入力電圧に近づけることにもなります。 PWM周波数を上げるとリップルは減少しますが、これによりMOSFETでの熱放散が増加します。ただし、これには注意点があります。エッジレートが速いPWM信号を使用すると、高いPWM周波数からの損失が減少します（再度、下記参照）。より大きな入力電圧を使用するには、リップルを許容レベルに減少させるためにより大きなインダクタを使用する必要があります。一般的に、リップルを減少させるためにはより大きなインダクタを使用します。 PWM立ち上がり時間が重要な理由インダクタは、出力電流上のリップルを生成し、同時に抑制する役割を担っていますが、これは上記のガイドラインを使用して設計で設定できる設計目標とすることができます。しかし、インダクタが制御できないスイッチングレギュレータのいくつかの重要な側面があります：スイッチング要素からの放射EMI：このトランジスタからのスイッチングノイズは、下流回路にいくらかのノイズを誘導することがあります。スキン効果による熱損失：これはインダクタの幾何学的形状の機能であり、インダクタンス値ではありません。インダクタがより大きな断面積と高い熱伝導率を持っている場合、インダクタからの熱がより高い速度で放散されます。トランジスタの熱損失：トランジスタは、スイッチングと調整中に最も多くの熱を発散します。しかし、より速いエッジレートを使用することで、この熱損失を抑制できます。なぜなら、MOSFETがPWM振動の間により完全にオフに切り替わるからです。

デカップリングコンデンサとバイパス配置ガイドライン

Thought Leadership デカップリングコンデンサとバイパス配置ガイドライン電力整合性の問題は通常、電源の観点から見られますが、ICからの出力を見ることも同じくらい重要です。デカップリングおよびバイパスコンデンサは、PDN上で見られる電力変動を補償することを目的としており、信号レベルが一貫しており、ICの電源/グラウンドピンで一定の電圧が見られることを保証します。次のPCBでこれらのコンポーネントを成功裏に使用するための重要なバイパスおよびデカップリングコンデンサ設計ガイドラインをいくつかまとめました。このブログでは、バイパスコンデンサとデカップリングコンデンサの違いについて取り上げます。 2つの関連する電力整合性の問題デカップリングキャパシタとバイパスキャパシタは、異なる2つの電力整合性問題を解決するために使用されます。これらの電力整合性問題は関連していますが、異なる方法で現れます。最初に指摘すべき点は、「デカップリングキャパシタ」と「バイパスキャパシタ」という用語が電力整合性に使用される場合、それらは誤称であり、何もデカップルまたはバイパスしません。また、ノイズを地面に渡すわけでもありません。単に時間をかけて充電および放電し、ノイズの変動に対応します。これらの用語は、電力整合性戦略の一部としてこれらのキャパシタの機能を指します。まず、デカップリングコンデンサを考慮しましょう。PCBデカップリングコンデンサの配置の目的は、低周波の電源ノイズ、 PDN上のリンギング、およびPDN上のその他の電圧変動に対して、電源レール/プレーンとグラウンドプレーン間の電圧が一定に保たれるようにすることと一般に言われています。電源とグラウンドプレーンの間に配置されたデカップリングコンデンサは、プレーンと並列になり、これにより全体のPDN容量が増加します。実際には、インタープレーン容量が不足していることを補い、PDNインピーダンスを減少させるため、PDN電圧のリンギングが最小限に抑えられます。バイパスコンデンサについて考えてみましょう。これらもPDNと駆動IC内で一定の電圧を維持することを目的としていますが、補償する電圧は出力ピンとPCBのグラウンドプレーンの間の電圧です。電源供給ピンとICのグラウンド接続の間に配置されていますが、異なる機能を果たします。それは、キャパシタからグラウンドへのバウンスを抑制することです。デジタルICがスイッチすると、ボンドワイヤー、パッケージ、ピンの寄生インダクタンスが原因で、ドライバーの出力とグラウンドの間の電圧が増加します。バイパスコンデンサは、グラウンドバウンス電圧とは反対の電圧を出力し、理想的には総電圧変動がゼロになるようにします。上記のモデルでは、バイパスコンデンサ（CB）とICパッケージ/グラウンド接続上の漂遊インダクタンスL1を含む閉ループがあります。出力ピンとグラウンドプレーンの間で測定されるグラウンドバウンス電圧 V(GB)に注目してください。残りのインダクタンスはすべて寄生成分であり、バイパスコンデンサの応答時間に影響を与え、グラウンドバウンスを補償します。理想的なモデルでは、バイパスコンデンサによって見られる電圧は、スイッチング中に漂遊インダクタンスL1によって生成されるグラウンドバウンス電圧を補償します。バイパスコンデンサの配置ガイドラインキャパシタからグラウンドへのバウンスが発生する仕組みを見れば、バイパスキャパシタをどこに配置するかは明らかでしょう。上記の回路モデルにおける寄生インダクタンスのため、バイパスキャパシタは電源ピンとグラウンドピンにできるだけ近く配置する必要があります。これは、多くのアプリケーションノートやコンポーネントのデータシートで見つかるアドバイスと一致しています。寄生インダクタンスに関連するもう一つの考慮事項は、ICへの接続がどのようにルーティングされるかです。キャパシタからICピンへ短いトレースをルーティングするのではなく、キャパシタをビアを通じて直接グラウンドプレーンと電源プレーンに接続するべきです。パッドとトレースの間隔要件をこの配置で守ることを確認してください。なぜこのような配置が必要なのでしょうか？その理由は、グラウンド/パワープレーンの配置（プレーンが隣接する層にある限り）は非常に低い寄生インダクタンスを持つからです。実際、これはボード内で最も低い寄生インダクタンスの源です。ボードの裏側にバイパスコンデンサを配置できる場合、より良い配置を実現できるかもしれません。デカップリングコンデンサの設計ガイドライン PDNで必要な PCBデカップリングキャパシタのサイズを決定した後、入力電圧の変動を補償できるように、どこかに配置する必要があります。実際には、複数を使用するのが最善で、並列に配置され、並列配置により有効な直列インダクタンスが低くなります。古いガイドラインでは、基板上のどこにでも配置できるとされていました。しかし、これには注意が必要です。なぜなら、デカップリングキャパシタとターゲットICの間の寄生インダクタンスが増加し、PDNのインピーダンスとEMIへの感受性が高まる可能性があるからです。代わりに、エッジレートが速いICの場合、ターゲットICに近づけて配置するべきです。下の画像は、ICの近くに配置された典型的なバイパスおよびデカップリングキャパシタの配置を示しています。これは、キャパシタとICの間の寄生インダクタンスが非常に低いため、高速回路にとって最適な配置の一つです。

多くの可能性のあるノイズ源が存在するため、それらを区別することが難しい場合があります。

Thought Leadership 同時スイッチングノイズですか、それともクロストークですか？同時スイッチングノイズとクロストークをどのように区別できますか？この記事では、これら2つの信号整合性問題の違いについて説明します。

Webinars 電流密度解析ツール PDN Analyzer^™ 2.0 エレクトロニクス設計の密度と複雑さが増し続ける中、電源分配ネットワーク (Power Distribution Network: PDN) の電圧と電流性能に対する設計上の影響を完全に理解することは、今までにないほど困難かつ重要になっています。プロトタイプ設計後の検討事項としてPDNの問題を扱うのではなく、基板レイアウトプロセスの一環として、すべてのIRドロップ、電流密度の問題、および電圧降下を正確に識別して解決する方法が必要です。 AltiumDesigner^®用のCST^®を搭載したPDN Analyzer^™を使用すると、基板設計プロセスで発生したPDNの問題を統一環境の設計ワークスペース内で簡単に解決できます。以下は、セッションで紹介されたトピックとなります。 PDN Analyzer^™ 2.0の機能紹介電流密度と電圧降下に関するレイアウトの分析方法 PCBエディタで直接統合設計プロセスの一環としてPDN Analyzerを効率的に使用する方法 PDN Analyzerの分析結果に基づく電源分配の最適化今すぐAltium Designerの拡張機能である PDN

高電圧設計におけるIPC-2221計算機の使用

高電圧設計のためのIPC-2221 PCBクリアランス計算機の使用 PCB設計およびアセンブリの規格は、生産性を制限するものではありません。代わりに、複数の業界にわたって製品設計と性能の統一された期待値を作成するのに役立ちます。特定の設計用の計算機、監査や検査のプロセスなど、ツールはコンプライアンス向けに標準化されます。高電圧PCB設計において、PCB設計の重要な一般規格はIPC-2221です。多くの重要な設計的側面がこの設計規格にまとめられており、そのいくつかは単純な数式に要約されています。高電圧PCBの場合、IPC-2221計算機を使用すると、PCB上の導電要素間の適切な間隔要件をすばやく判断できます。これにより、次の高電圧基板が動作電圧で安全に保たれるようになります。設計ソフトウェアにこれらの仕様が自動化された設計ルールとして含まれている場合、生産性を維持し、基板を構築する際のレイアウトの間違いを避けることができます。 IPC-2221とは IPC-2221（2012年発効のレビジョンB）は、多くのPCBの設計的側面を定義する、一般的に受け入れられている業界規格です。例えば、材料 (基板やメッキを含む)、試験性、熱管理とサーマルリリーフ、アニュラリングなどに関する設計要件が挙げられます。一部の設計ガイドラインは、より具体的な設計規格に取って代わられています。例えば、IPC-6012とIPC-6018は、それぞれリジッドPCBと高周波PCBの設計仕様を提供します。これらの追加規格は、一般的なPCBのIPC-2221規格とほぼ一致するように意図されています。ただし、IPC-2221は通常、製品の信頼性や製造歩留まり/欠陥を評価するために使用される認定規格ではありません。リジッド基板の場合、IPC-6012またはIPC-A-600のいずれかが、製造されたリジッドPCBの認定に通常使用されます。 IPC-2221B 高電圧設計における導体スペーシング高電圧PCB設計の重要な設計要件は、IPC-2221B規格で指定されています。これらの1つは導体クリアランスであり、次の2つの点に対処することを目的としています。高電界強度でのコロナまたは絶縁体破壊の可能性樹枝状成長と呼ばれることもある導電性陽極フィラメント形成の可能性（下記参照）最初のポイントは、PCBの導体間に適切な最小クリアランスを設定することで最も簡単に制御できるため、最も重要です。2番目の影響は、適切な配線間隔、材料の選択、処理での一般的な清浄度によっても抑えることができます。これらの影響を防ぐために必要な間隔は、IPC-2221規格の2つの導体間の電圧の関数としてまとめられています。下の画像は、IPC-2221規格の表6-1を示しています。これらの値は、2つの導体間の電圧の関数として最小導体間隔を示しています。これらの値は、導体間のピークACまたはDC電圧のいずれかで指定されます。IPC-2221では、500Vまでの電圧に対して固定された最小導体間隔値のみを規定していることに注意してください。2本の導体間の電圧が500Vを超えると、下表に示す電圧ごとのクリアランスの値を用いて、最小導体間隔を計算することになります。500Vを超える各電圧は、表の一番下の行に示されている量だけ、必要な最小クリアランスに追加されます。高電流時の温度上昇すべての高電圧PCBが高電流で動作するわけではありませんが、高電流を使用するPCBは、導体の大きさが十分でない場合に高温上昇になる可能性があります。PCBの温度上昇は、導体のDC抵抗に関連するジュール熱によって発生します。したがって、高電流を流す導体の断面積は、電流も大きい場合は大きくする必要があります。

ヒートシンクからのEMIとその対策方法

Thought Leadership コンデンサのヒートシンクからのEMIとその対策方法適切なヒートシンクを選択することで、システムを冷却し、EMIを防ぐことができます. 明らかではないかもしれませんが、また、ほとんどの設計者がチェックするとは思わないかもしれませんが、ヒートシンクはスイッチング要素に接続されている場合、EMIを発生させることがあります。これは電源設計における一般的な問題であり、特にヒートシンクが高電流を引き出し、高周波でスイッチングするコンポーネントと接触する場合に発生します。ヒートシンクからのEMIを減らすには、導電部分と放射部分のバランスを取る必要があり、これを行うためのいくつかの簡単な設計手順があります。ヒートシンクと寄生容量からのEMI ほとんどの設計者が基板上のコンポーネント用にヒートシンクを選択することを考えるとき、彼らはおそらく単にメーカーの推奨に従うだけです。彼らはメーカーが推奨するサイズと同様のヒートシンクを使用するかもしれませんが、熱伝導率が高い材料で作られたものを選ぶかもしれません。設計者の中には、アクティブ冷却対策、例えば冷却ファン、または（極端な場合には）液体冷却や蒸発冷却を選択する人もいます。これらの対策は、特にメーカーが必要なヒートシンクと組み立てガイドラインを提供している場合、標準化されたコンポーネントを使用する際に適切です。 CPUの速度が1 GHzを超えて以来、ヒートシンクからの放射および導電EMIがより目立つようになりましたが、これは電力電子およびコンピュータシステム業界外の多くの設計者には気づかれなかった可能性があります。今日では、一般的にヒートシンクは単に接地されるべきであり、これがEMIの問題を解決するとされています。実際には、これだけでは問題を完全に解決するわけではなく、問題を解決するには寄生容量を管理する必要があります。 EMIの両方のタイプは、スイッチングICと近くのヒートシンクとの間の寄生容量結合によって生じます。スイッチングトランジスタを持つ集積回路の構造を調べると、チップパッケージと任意の熱伝導ペーストやインターフェース材料がキャパシタの絶縁領域を形成しているのがすぐにわかります。この寄生容量がヒートシンクに共通モード電流を誘導する責任があります。 MOSFETに垂直ヒートシンクが接着された例。次に何が起こるかは、ヒートシンクが接地されているかどうかによります。ヒートシンクが接地されていない場合、ヒートシンクとチップは容量結合電流の地面への容易な戻り道がないため、放射されたEMIの源として機能します。電流はヒートシンク内の複数の電磁共鳴を励起し、高電流と強い放射を持つヒートシンク内の一連の領域を作り出します。これは、ヒートシンクが通常デフォルトで接地される理由の一つです。しかし、ヒートシンクに誘導された強い電流が地面に向けて偏向されると、グラウンドリターンパスに応じて、近くの回路で伝導EMIの源を作り出す可能性があります。なぜヒートシンクからの放射または伝導EMIがより頻繁に対処されないのでしょうか？その理由はいくつかあります。通常、ヒートシンクからのEMIが顕著になるのは以下の二つの場合です：スイッチング時の高電流。これは、大きなスイッチングレギュレータで大型トランジスタがスイッチングする電力電子工学における一つの問題です。より短い時間でより高い電圧にスイッチングすると、ヒートシンク内のより大きな変位電流が生成されます。プロセッサの高速スイッチング。より高速に動作するプロセッサは、ヒートシンク内に大きな変位電流を簡単に生成することができます。また、ヒートシンク内の高周波共鳴を容易に励起することもできます。どちらの場合も、高電圧/電流のスイッチング電源を設計する際には、ヒートシンクへの容量結合を考慮する必要があります。他のアプリケーションには、低電圧で動作するデバイスのGPUやCPUのためのVRMが含まれます。ヒートシンクからの伝導および放射EMIのバランス

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