回路基板工場におけるDC-DC電源PCBのレイアウトと配線

回路基板工場における DC-DC 電源 PCB のレイアウトと配線

回路基板メーカーは、DC-DCスイッチング電源の性能はPCBレイアウトと密接に関係していると説明しています

DC-DC スイッチング電源の性能は、PCB のレイアウトと密接に関係しています。 DC-DC スイッチングは高速スイッチング、電源通過電流、放熱を考慮しているため、無理なレイアウトや配線は電源性能に大きく影響し、深刻なノイズ源となります。

レイアウト：

スイッチング レギュレータのレイアウトでは、AC 経路のレイアウトが非常に重要ですが、DC 経路は二次的なものと見なすことができますが、フィードバック信号強度は DC-DC 電源全体の唯一の重要な信号です。

周知のように、PCB 上のトレースには約 20nH/インチのインダクタンスがあります。 トレースに電流が流れている限り誘導電圧が発生しますが、その電圧値は電流の大きさではなく、電流の変化率 V=L * (dI/dt) に依存します。 したがって、AC 経路は PCB 設計において非常に重要です。特に、高速スイッチ管を使用する DC-DC 集積回路の場合、dI/dt は非常に高くなります。 NS (米国のナショナル セミコンダクター) は、大まかな数値を次のように示しています。 スイッチオンプロセス。」 ここで、AC パスのトレースは、GND ピンのトレースを含めて、できるだけ短くする必要があります。 GNDピンを流れる電流は非常に小さいですが、スイッチ切り替えプロセスはGNDピンを流れる電流をリフレッシュし、電流は非常に急勾配になります. これは、特に降圧 IC の場合、入力コンデンサとバイパス コンデンサをできるだけ IC の近くに配置する必要があることを意味します。

IC の周囲のスペースは限られているため、入力容量とバイパス容量を同時に IC の近くに配置することはできず、特に入力容量は比較的大きくなります。

まず、ICへの入力電圧をできるだけ安定させ、電圧変動を抑えるという入力コンデンサの役割を理解しておきましょう。 実際、大きな入力コンデンサは、ボード上の全電源と見なすことができると言えます。 同時に、入力コンデンサの等価直列抵抗 (ESR) と等価直列インダクタンス (ESL) が非常に高くなり、IC の入力電源ピンで高周波入力電圧リップルが発生します。 したがって、入力コンデンサは IC から約 1 インチ以内に配置できます。

バイパス コンデンサは、IC の入力電源ピンのできるだけ近くに配置する必要があります。 ピンが短いかピンがないバイパス懐中電灯は、一般に0.1uFから0.47uFのセラミックコンデンサを使用します。これは、高周波リップルのフィルタリングに良い効果があります。 ピンを短くするかピンをなくすと、コンデンサの寄生インダクタンス (ESL) が減少します。 同時に、1206 および X7R パッケージが一般的に使用されます。 小さなパッケージ サイズを使用すると、コンデンサの ESL と ESR が増加します。 通常、このようなバイパス コンデンサは、IC の電源ピンの近くに配置する必要があります。

DC-DC スイッチング電源にはクランプ ダイオードがあり、その配置も重要です。 クランプ ダイオードの一端は IC に接続された SW 端子であるため、この端子の信号は矩形波です。 トレースが長すぎると、そのインダクタンスがノイズを簡単に拾い上げて SW 信号に追加し、ノイズ スパイクを形成します。 クランプ ダイオードのレイアウトの基本は、IC の近くに配置し、短く幅の広い Trace を使用して IC の SW ピンと GND ピンを直接接続することです。

入力バイパス コンデンサとクランプ ダイオードを適切に配置すると、他のデバイスをレイアウトできます。 入力バイパス コンデンサとクランプ ダイオードを接続するトレースは、できるだけ短く幅を広くする必要があり、IC に接続するパスにスルー ホールがあってはなりません。 SMT 基板。 ここにビアがないということは、IC と入力バイパス コンデンサおよびクランプ ダイオードの間のトレースで VIA をアクティブにしないことを意味するだけです。 ただし、両面基板または多層基板を VIA を介して GND および電源層に接続する必要がある場合は、接続されたトレースではなく、入力バイパス コンデンサおよびクランプ ダイオードの近くの PAD の隣で VIA を有効にすることができます。

配線：

多くの場合、銅コーティングは誤用されています。 GND プレーンや VCC プレーンの銅メッキは問題ありません。 電流ループのインピーダンスを低減し、干渉を低減するための主要な信号の基準として機能します。 ただし、先ほどのレイアウトで説明したクランプ ダイオードの配線は、短くて幅が広い必要がありますが、幅が広いほど良いわけではありません。 トレースが短いのがよくわかります。 「20nH/インチ」という経験則は、トレースのインダクタンスが長さに比例するということです。 しかし、トレースのインダクタンスは幅に反比例しませんか? 通常、多くの人は直感的に「はい」と考えるでしょう。 トレース インダクタンスの式によると、次のようになります。

L = 2l * [ln（2l/w） - 0.5 + 0.2235 * (w/l)]

インダクタンス値とトレース幅が非線形であることがわかります。 寄生インダクタンスの影響を減らすには、トレースを広げるのが最後の手段です。 最初のステップは、トレースの長さを減らすことです。 特にSW端子にはクランプダイオードが接続されているため、電圧そのものがスイッチング波形となります。 トレースが過度に幅の広い銅コーティングで置き換えられた場合、それはアンテナと見なされ、EMI 問題が発生します。 スイッチ ノードの場合、実際の要件の最小範囲内でその周りの銅箔のサイズを制御するのが最善の選択です。

電源コードが銅メッキに置き換わるのはレイアウトではよくある現象です。 銅の敷設が大きいほど、より多くの電流を流すことができると考えられています。 実際、銅の断面積（幅×厚さ）が大きいほど、単位長さあたりのトレース抵抗が小さくなり、発熱が小さくなります。 現在の処理能力の本質はトレースの温度上昇です。 電源部のTraceの大きさは定量的に判断し、銅を多くはきすぎないようにしましょう。 一般的に、30℃～40℃の温度上昇は許容範囲であり、周囲の加熱装置の影響も受けます。 エポキシ樹脂基板の定格温度を超えないこと（FR4は120℃以下）。

目安：適度な温度上昇（30℃以下）、電流5A以下

1オンスの銅の場合、1Aの電流には少なくとも12ミル幅の銅箔を使用する必要があります

2オンスの銅の場合、1Aの電流には少なくとも7ミルの銅箔を使用する必要があります

GND プレーン、グランド プレーンの完全性を維持するようにしてください。グランド プレーン上で分割したり配線したりしないでください。ただし、両面基板ではこれが困難です。 多層基板では、この原則を守る必要があります。 ただし、デジタルグランドプレーン、アナロググランドプレーン、または高電圧グランドプレーンと低電圧グランドプレーンを分割する必要がある場合は、グランドプレーンを分割する必要がありますが、最終的に2つの分離されたグランドプレーンを磁気ビーズまたは0オームを介して接続する必要があります. 電気接続と一貫性を維持するための抵抗。 完全なグランド プレーンは、PCB の干渉防止とインピーダンスの制御にとって重要です。これは、信号の基準およびリターン パスであるためです。

DC-DC スイッチング電源のフィードバック ラインは、信号ラインの唯一の重要な信号です。 2 つの解決策があります。 2. インダクタやダイオードなどのノイズ源から遠ざけてください。 ノイズ源を避けるために、Trace がより長く歩く必要がある場合があります。 回路基板メーカーは、DC-DC スイッチング電源の性能は、PCB のレイアウトと配線に密接に関係していると説明しています。