電源はシステムアプリケーションにおいて重要な役割を果たします。 高品質の電源 PCB 設計により、電力効率が最適化され、放熱圧力が緩和され、ノイズ放射が低減され、屋外電源の精度と安定性が向上します。 現在、産業、自動車、通信、民生などの多くの製品アプリケーションで小型化されたソリューションが求められています。 その結果、小型化の要件もそれに応じて増加しています。 この記事では、電源の PCB レイアウトの詳細について説明します。
電源 PCB レイアウトの基本原則。
電源の位置
何よりもまず、システム レイアウトの初期段階で電源 PCB を検討する場合、その位置を考慮する必要があります。 主要な原則は、PCB 配線が長すぎて実際の負荷電圧と電源によって設定される設定出力電圧の間に大きな電圧差が生じ、その結果として電圧測定が不正確になり、動的負荷応答が遅くなり、効率が低下することを避けるために、それらを負荷の近くに配置することです。 さらに、電源エリアの見積もりも提供する必要があります。 そうしないと、多くの PCB レイアウト ガイドラインに従うことができなくなり、これらの電源の動作パフォーマンスが保証されなくなります。
同時に、システムに放熱用のファンが搭載されている場合、電源を排気口の近くに配置すると、電力効率を高めながらより効果的に熱を放散することができます。 効果的なファンの冷却を確保するには、MOS チューブや PWM コントローラーなどの短い能動部品の効果的な放熱が背の高い受動部品 (インダクタや電解コンデンサ) によって妨げられないよう、放熱経路も慎重に検討する必要があります。
多層 PCB 設計プロセス
多層 PCB 基板設計の一部として、高電流層 (入力電圧または出力電圧など) と高感度の小信号層の間にシールド層としてグランドまたは DC 電圧層を追加することがよく推奨されます。 グランド層または DC 電圧層は、敏感な小信号と電源ループを効果的に分離し、小信号との干渉を回避します。 グランドまたは DC 電圧層のレイアウトを設計するときは、可能な限り配線を最小限に抑えて層が中断されないようにすることが優先されます。
必要に応じて、小さな信号との干渉を最小限に抑えるために、ラインが電源層の大電流配線と同じ方向に沿っていることを確認してください。 両方の間の干渉を減らすために、電源層の同様の大電流配線に従う配線が必要な場合。例:
オプション1（非効率なデザイン)
6層PCB
レイヤ 1: パワーデバイス
レイヤ 2: 小信号
レベル 3: 地上レベル
レイヤ 4: DC 電圧またはフロア層
レイヤ 5: 小信号
レイヤ 6: パワーデバイスまたはコントローラ
4層PCB
レイヤ 1: パワーデバイス
レイヤ 2: 小信号
レベル 3: 地上レベル
レイヤ 4: 小信号またはコントローラ
オプション2（効果的なデザイン)
6層PCB
レイヤ 1: パワーデバイス
レベル 2: 地上レベル
レイヤ 3: 小信号
レイヤ 4: DC 電圧またはフロア層
レイヤ 5: 小信号
レイヤ 6: パワーデバイスまたはコントローラ
4層PCB
レイヤ 1: パワーデバイス
レベル 2: 地上レベル
レイヤ 3: 小信号
レイヤ 4: 小信号またはコントローラ
オプション 1 は、小信号層がグランド層と大電流層の間にトラップされ、小信号層と大電流層の間の容量結合が増加し、その結果、小信号間の干渉が高電流層と干渉しやすくなるという非効率な設計です。
パワーデバイスのレイアウト
スイッチング電源回路は、電力ループと小信号制御ループの XNUMX つのループで構成されます。 電力ループには、インダクタ、コンデンサ、MOS トランジスタなどの大電流を流すデバイスが含まれます。これらのデバイスは、開始前にレイアウトする必要があります。 一方、小信号制御ループは、フィードバック抵抗、補償ネットワーク、周波数設定、過電流設定を備えており、通常はパワー チップ上の特定の場所に配置されます。
電力線幅の計算
電力線を流れる電流の大きさにより、線幅が狭くなると損失が増加し、PCB 温度が上昇します。
1A ～ 20A の電流での線幅の計算に最適です。ここで、W はミル単位で測定された線幅です。 I はアンペアで測定される電流です。 Tcu は、OZ 単位で重さを量る PCB 銅材料の OZ 単位での銅の重量です。
例として 5A の電流と 1Oz の銅重量を仮定すると、必要な最小線幅は 120 ミルになります。
線幅の経験式は次のとおりです。
電流変化率の高いループレイアウト
PCB トレースなどのすべてのコンポーネントには寄生インダクタンス、寄生容量、抵抗が含まれており、これらは電流の変化とともに変動します。 突然の電流変化により、寄生インダクタンスに電圧スパイクが発生し、耐電圧要件を超え、干渉が外部に広がり、EMI テストに合格する可能性がさらに低下する可能性があります。
図 1 に、降圧回路の基本構造を示します。
図 1 は、降圧回路の基本構造を示しています。 まず、緑色の線は、上部チューブがオンになったときに電流が流れる場所を示します。 赤い線はオフ時の電流経路を表します。 電流変化率が高いループには、回路内のその部分を示す色が XNUMX つだけあります。この方法はすべての回路トポロジに適用されます。
図 2. 高電流変化率ループの降圧回路
図 2 は降圧回路の高電流変化率ループを示しており、青はその高電流変化率ループを表しています。 グランドとプレーンを確実に分離する必要があります。 デカップリング コンデンサの値の範囲は通常 0.1uF ～ 10uF です。 これらは、小さい寄生インダクタンスと抵抗特性を備えた X5R または X7R タイプのセラミック コンデンサで、高い電流変化率で良好な電流経路を提供します。
図3 昇圧回路の概要
図4. 大電流変化率ループ用昇圧回路
対応する回路と同様に、昇圧回路も降圧回路と同じ方法で解析および設計できます (図 3 と図 4 にそれぞれ昇圧回路の基本回路構成と大電流変化率ループを示します)。
High 電圧変化率ノードのレイアウト
スイッチング電源には、スイッチング管 MOS とフリーホイーリング ダイオード (または MOS 管整流器) の間にノードがあり、接地電圧と高電圧の間で素早く切り替わり、電圧変化率が速くなります。 「リンギング電圧」として知られるノード電圧は、ほとんどの電磁干渉ノイズ (EMI) の発生源です。
ノイズに敏感な小信号線との結合を最小限に抑えるには、スイッチ ノードの周囲の面積を最小限に抑える必要がありますが、このノードを小さくしすぎてはいけないことに注意してください。
図 5. SCT2360 負荷の回路図 12V 入力、5V 出力、6A の回路図
したがって、多層基板設計では、分離を強化し、ノイズ伝播を低減するために、スイッチ ノードの次の層にグランド プレーンを含めることが有益です。
SCT2360 は、L1 と SW が比較的近くに位置する例として機能します。 ノイズ伝播の伝播能力を低減するには、銅ノードを介した熱放散を最大化する必要があります。 Eashub は、BST と SW (つまり、隣接するピン) の間のループ接続を最小限に抑えるために、チップを設計するときにこの問題を考慮しました。
図 6SCT2360 のレイアウト
高周波フィルタコンデンサのレイアウト。
高周波フィルタコンデンサはあらゆる電子システムに不可欠な部品であり、大きな電流変化率ループから保護し、電圧ストレスを軽減する役割を果たします。 たとえば、SCT2360 では、コンデンサ C3 は、短くて太い接続ラインを介してチップの VIN PIN と PGND PIN の両方に最も近い位置に配置されています。
表 2 に、高周波フィルタ コンデンサのレイアウト (ビアなし) の例を示します。
表 3 高周波フィルタコンデンサのレイアウト例（ビアあり）を以下に示します。
複数の電源レイアウト
システム内で入力ソースを共有する複数の電源が互いに同期して動作しない場合、これらの電源間のコモンモードノイズが入力とグランドの両方に伝播して相互に干渉するのを防ぐために、入力電源トレースを分離する必要があります。 。
表 4 に、複数電源構成の例を示します。
要約:
電源 PCB 設計の問題の推定 80% は PCB レイアウトに起因します。 早い段階で PCB レイアウトに十分な時間を割くことで、後のデバッグ時間を大幅に短縮し、開発サイクルを短縮できます。チップ PIN ピンの最適化を提供する SCT23xx シリーズ製品は、お客様が最高の電力パフォーマンスを実現する最適な PCB レイアウトを達成するのに役立ちます。
イーシュブ は、優れたパワーチップの詳細を提供するよう努めており、お客様に最適なソリューションを提供するために最高品質のパワーチップ製品を開発し続けています。
