スイッチング電源と電圧レギュレータの PCB レイアウトガイドの共有

電源とレギュレータには、さまざまな形状とサイズがあります。通常、これらは別の製品として説明されますが、特にスイッチングレギュレータでは電気的に同等です。高度なシステムの観点から見ると、電源のスイッチレギュレータ部分と実際のレギュレータ回路は、同じボックスダイアグラムで同じ機能を実行します。

電源に関しては、規模の問題と、レギュレータがシステム内の他の電力変換モジュールとどのように統合されるかだけの問題です。電源のスイッチングレギュレータセクションと PCB 上のスイッチングレギュレータ回路は、低ノイズ動作を確保するために、同じ一般的なガイドラインに従って配置する必要があります。

次のセクションでは、電源と電圧レギュレータの違いに簡単に焦点を当てたいと思いますが、ほとんどの設計者はすでにそれを知っています. 電源には電源レギュレーターが含まれます (または含まれる必要があります) が、レギュレーターはいわゆる電源ではなく、独立した回路にすることができます。オンボード電圧レギュレータを備えた電源と PCB の場合、スイッチング電圧レギュレータのレイアウトがシステム全体の性能を決定する主な要因になります。そのため、主にレギュレータのレイアウトに関するいくつかのスイッチング電源のレイアウト基準に焦点を当てます。

スイッチング電源のシステムレイアウト基準

スイッチング電源のレギュレータ部分を見る前に、まずシステム全体の高レベルのブロック図を見てください。電源を設計している場合、デバイス全体は以下に示すトポロジーになります。これは、コンセントからの AC 電源では特に重要です。

スイッチング電源のハイレベルブロック図。

上記のブロック図は複数のボードに実装できますが、通常はすべてが 1 つのボードに配置され、大型のトランス、ラジエーター、ファン、および特に高電圧/電流電源の機械的取り付けブラケット用のスペースが確保されます。回路基板を電源ユニットに挿入するための小さな電圧レギュレータを設計している場合は、とにかく上記のトポロジで作業し、出力電圧レギュレータと新しい電圧レギュレータの間に 1 本のアース線しかありません。繰り返しますが、これは高電流電源では一般的です。

3 つの別々の接地エリアがあり、キャップで結ばれています。キャップの使用に関するガイドラインにやみくもに従わないでください。すべてのノイズ源を解決できる PCB 接地技術は存在しないため、キャップを使用するときは十分に注意する必要があります。図に示すように、すべての接地エリアが一定の接地電位になるようにする方法です。これは、産業用イーサネットシステムを接地するための推奨される方法です。ここでの考え方は、2 つの接地された部品間で発生する可能性のある DC 電位を防ぐことです。

ここでの危険は、グランドループとコモンモードノイズが生成されることであり、これをフィルタリングする必要があります。このように、アース線を束ねるのは基本的に金属ケースで行う作業ですが、プラスチック製のシェルはアース線を絶縁したままにします。これは扱いにくく、すべての EMC テストに合格するには慎重な回路設計と PCB レイアウトが必要です。

出力段

出力段の電流分離は必要ありません。これは、DC レギュレータのトポロジに依存します (例については、フライバックコンバータを参照してください)。一般に、伝導性 EMI フィルタ回路またはコモンモードチョークを出力に配置して、負荷回路に到達するコモンモード電流を抑制します。これらの点に加えて、出力レギュレータステージは、レギュレータトポロジに固有のベストプラクティスを使用して配置されます。以下に、レギュレーターのレイアウトに関するこれらのより広範なアイデアを紹介します。

circuit board

電源の出力段は、システムの最終レギュレーターではない場合があります。代わりに、別のレギュレーターまたは一連のレギュレーターに電力を供給することができ、各レギュレーターは特定の最大電流でコンポーネントのグループに設定電圧を提供します。繰り返しますが、これは単一のボードまたは複数のボード (電源用に 1 つ、レギュレータステージ用に 1 つ) で実行できます。

各回路ブロックのレイアウト

これで、システム全体のアーキテクチャを見ることができ、低 EMI と安全性を確保するために、システム全体でスイッチング電源と各回路モジュールをどのようにレイアウトするかが大まかに理解できました。

断面レイアウト：複数の機能ブロックを持つ他の回路基板と同様に、電源基板の断面レイアウトを試してください。これは、ブロック線図の入力から出力まで直線的に行うことができます。

フィードバックのあるレイアウトを計画します。たとえば、高精度の大電流レギュレーターでは、部品間に何らかのフィードバックが生じることがあります。光カプラーを使用して、各セクション間のグランドギャップをブリッジします。

接地回路に従う: PCB 設計に一般的なガイドラインがある場合、それは「接地回路に従う」かもしれません。電源の場合、これはコモンモード電流を生成できる場所を決定し、各電源セクションでループインダクタンスを低く抑えるために不可欠です。

高電流レールと高電圧レールに注意してください。高電圧と高電流の設計が混在している場合があります。 2 つの導体間の最大電位差によってそれらの最小間隔が決まり、導体によって運ばれる電流によって低温を確保するために必要な幅が決まります。

オプトカプラは、電気的に絶縁された 2 つの接地領域間でデータのブリッジや信号の検出に使用できる小型の IC です。フォトカプラ (U4) は、コンバータのスイッチング周波数を正確に調整するために、電流検出アンプと共にフィードバックループの一部として LLC 共振コンバータで使用されます。

PDN 設計部分では、各部品を接地する方法と、接地を結合して一貫した基準電位を提供する方法も検討する必要があります。前述したように、これは EMI を防ぐために非常に重要です。これは、PCB レイアウトの処理を開始する前に行う必要があります。

パワースイッチレギュレーターのレイアウトスキル

電圧レギュレータのコンポーネントを選択し、回路図を作成し、接地/配電戦略を設計したら、PCB レイアウトの検討を開始できます。スイッチング電源レギュレータの PCB レイアウトは、バランスを取る必要があります。導体サイズと電気的クリアランス要件のバランスを取る必要がありますが、構造をコンパクトにする必要があります。

システムの最小クリアランスと配線幅の規則を常に実装してください。

電圧・電流検出のフィードバックラインは、最短経路で最短距離で配線してください。

ドライブとコントローラー IC の周りにいくつかの制御および検出コンポーネントを集める必要がある場合があるため、それらの間で短い接続を確立するようにしてください。これらのコンポーネントは、狭い領域にクラスター化できます (以下を参照)。

大電流を設計する場合は、より厚い銅または金属コア PCB の使用を検討してください。

コンポーネントやコネクタの取り付けパッドとしてポリゴンを使用することを恐れないでください。熱を放散する必要がある場合があるため、航空機に直接ストラップを取り付ける場合は注意してください。

レギュレーターは非常に効率的ですが、それでも熱くなることがあります。 IC にラジエータ (ある場合) を配置できるように、レイアウトにスペースを確保してください。別のオプションは、熱界面材料を使用することです。

スイッチング電源のレイアウトの一部は非常に狭い場合があり、より広いレール/ポリゴンを持つ場合があります。安全な温度で動作し、低インダクタンスのレイアウトを作成するために、これらの要素を使用することを恐れないでください。

スイッチングレギュレータの特定のレイアウトガイドラインは、トポロジ、コンポーネントの数、フィードバックの存在、および接地戦略によって異なります。 PCB レイアウトを開始する前に、EMI を防止し、必要な絶縁を提供するために接地を検討していただければ幸いです。特定の規制機関向けのより具体的なガイドラインを表示するには、次の追加リソースを参照してください。

ブースターレギュレーターの設計方法

絶縁型および非絶縁型電源: 間違いのない正しい選択

LLC 共振コンバータの設計と PCB レイアウト

低ノイズ、低EMIレギュレータ

私たちがカバーしていないものは何ですか？

明らかに、上記のスイッチング電源とレギュレータ回路のレイアウトガイドラインには、考慮すべき多くの要因があります。何が欠けていますか？上記の説明では、電力調整と伝送のいくつかの重要な側面が表示されませんでした。

PDN インピーダンス: 高速/高周波コンポーネントを設計しない場合は、PDN インピーダンスについて心配する必要はないかもしれません。肥沃な電源レールと大量の地面を使用するようにしてください. 高速/高周波数用に設計されている場合、リップルを抑制するためには、PDN インピーダンスが低いことが非常に重要です。これには通常、多数のデカップリングコンデンサと高いプレーン間容量が必要です。

Power EMI: これについては上で述べました。 PCB レイアウトを作成するときは常に、低 EMI を確保することを検討する必要があります。ただし、EMI を抑制し、低ループインダクタンスを介して EMC テストをルーティングする以外にも、やるべきことがたくさんあります。

アナログ電源：ここでは、デジタルICでよく話題になるスイッチングコンバータを研究しています。アナログ部品はどうですか？彼らの電力需要はかなり異なる場合があります。アナログ/RF 信号を送信するデジタル IC は通常、これを内部で行います。ただし、特別な LDO (NCP161BMX280TBG など) またはスイッチングレギュレータ

(LTC3388IMSE-1など)があります。

また、低EMIとコモンモードノイズ結合を確保するためのインダクタの選択や、低リップル電流の確保など、部品の選択の問題もあります。純粋なアナログ回路のレイアウトスタイルは、デジタルシステムのパワーレギュレーターや組み込み電源とは異なるためです。非常に高い周波数で動作すると、寄生容量が原因で RF 電力の問題を解決するのが難しくなります (不安定な増幅回路で見られる問題と同様です)。 PCB アセンブリ、PCB メーカーによるスイッチング電源の説明、電圧レギュレータ PCB レイアウトガイドの共有。