PCB電源設計を共有するための7つの考慮事項

複雑な PCB で電力を伝送する方法を考えたことはありますか? はい、PCB 設計者にとって、各コンポーネントの電力要件が異なるため、各 PCB コンポーネント (IC、トランスミッタ、コンデンサなど) に必要な電力を供給する電源を設計することは困難な作業です。この課題を克服できるのは、完璧な電源設計だけです。

回路設計の高密度化と複雑化に伴い、電源設計の複雑さが増幅されています。 PCB 設計者向けに、PCB 電源設計とレイアウトのいくつかの可能性が提供されています。 PCB 電源の設計は多様ですが、設計者は特定の規則に従い、それらに関連する一般的な問題に対処する必要があります。

電源設計で対処すべき一般的な問題には、EMI、大電流を処理するためのルーティング設計、電流ループの削減、コンポーネントの選択、データシートのレイアウト推奨事項に従うことが含まれます。

PCB電源設計

基板電源設計上の注意事項

適切な PCB 電源レギュレータを選択する

電源の熱管理

グランドプレーンと電源層は、より優れた PCB 電源を提供できます。

デカップリングコンデンサとバイパスコンデンサ

EMIフィルタリング

伝送システムの周波数応答

パワーインテグリティ (PI)

PCB電源設計

電源設計の目的は、電源を AC から DC に変換することだけではありません。電源の機能は、正しい電圧と電流で回路コンポーネントに電力を供給することです。将来的には、電圧は通常 1.8V および 1.2V のデバイスと同じくらい低くなります。電圧が低いと、電源ノイズの耐性が低下します。

電源には、最大電流を制限するための電流制限も必要です。したがって、電源の重要なパラメータは、電圧、最大電流、電圧リップル、および最大電流での熱損失です。

基板電源設計上の注意事項

電源を設計する場合、合理的なレイアウトの PCB の重要性はいくら強調しても強調しすぎることはありません。さらに、設計者は、この作業を成功させるために電源操作の重要性を理解する必要があります。

電源設計では、設計者は適切な PCB レイアウトを実行し、効果的な配電ネットワークを計画する必要があります。さらに、設計者は、ノイズの多いデジタル回路の電源が重要なアナログ回路の電源および回路から分離されていることを確認する必要があります。考慮すべき重要事項を次に示します。

1. 適切な PCB 電源レギュレータを選択する

一般に、設計者が電源レギュレータを選択する際には、リニアレギュレータとスイッチングモードレギュレータの 2 つの選択肢があります。リニアレギュレータは低ノイズの出力を提供しますが、熱放散が大きいため、冷却システムが必要です。スイッチングモードレギュレータは広い電流範囲で効率的ですが、スイッチングノイズによってスパイクが発生する可能性があります。

PCB

線形モードでは、電圧差が最小になるため、必要な出力電圧よりも高い入力電圧が必要になります。リニアレギュレータにはかなりの電力損失と熱放散があり、リニアレギュレータの効率が低下します。 PCB 設計にリニアレギュレータの使用を検討している場合は、製造前に低ドロップアウトのレギュレータを検討し、熱解析を実行する必要があります。さらに、リニアモードレギュレータはシンプルで安価であり、並外れたノイズのない電圧出力を提供します。

スイッチレギュレータは一時的にエネルギーをインダクタに蓄えた後、さまざまなスイッチング時間にさまざまな電圧でエネルギーを放出し、ある電圧を別の電圧に変換します。この電源では、高速スイッチングMOSFETが使用されています。これらの高効率レギュレータの出力は、パルス幅変調 (PWM) のデューティサイクルを変更することで調整できます。効率は回路の熱放散に依存し、その場合、効率は非常に低くなります。

スイッチングレギュレータの PWM スイッチングは、出力にノイズやリップルを発生させる可能性があります。スイッチング電流は、他の信号にノイズクロストークを引き起こす可能性があります。したがって、スイッチング電源はキー信号から絶縁する必要があります。

スイッチングレギュレータは MOSFET 技術を使用しているため、これらのレギュレータが EMI (電磁干渉) ノイズを放出することは明らかです。どの回路でも EMI を完全に排除することはできませんが、EMI を低減する手段 (フィルタリング、電流ループの削減、グランドプレーン、シールドなど) によって最小化することはできます。スイッチモードレギュレータを設計に追加する前に、電磁両立性 (EMC) 対策を検討する必要があります。

電圧レギュレータを選択する場合、リニアおよびスイッチング安定化電源は、2 つの明白な選択肢です。線形制御電力は安価ですが、効率が悪く、より多くの熱を放出します。同時に、スイッチング安定化電源は高価であり、より多くの受動部品を接続する必要があるため、加熱するのは簡単ではありません。

2. 電源の熱管理

電源の性能は、冷却に直接依存します。ほとんどの電子部品は、電流が流れるたびに熱を発生します。放出される熱は、コンポーネントの電力レベル、特性、およびインピーダンスによって異なります。前述のように、適切な電圧レギュレータを選択すると、回路内の熱放散を減らすことができます。スイッチングレギュレータは放熱が少ないので効率が良いです。

電子回路は低温でより効果的に機能します。デバイスが周囲温度で確実に動作するように、設計者は適切な冷却方法を検討する必要があります。

設計者がリニアレギュレータを選択した場合、システムが許せば、ラジエータまたはその他の冷却方法をお勧めします。ファンを設計に統合して、機器の熱放散が高い場合に強制冷却を確保できます。

PCB 全体の熱放散は不均一な場合があります。電力定格の高いコンポーネントは、大量の熱を放射し、周囲にホットスポットを作成する可能性があります。これらのコンポーネントの近くにヒートシンクの穴を使用して、その領域から熱をすばやく逃がすことができます。

冷却技術と冷却方法の組み合わせにより、効率的な電源設計を実現できます。設計者は、伝導冷却方式 (ラジエーター、ヒートパイプ、ヒートシンクなど) または対流冷却方式 (冷却ファン、熱電冷却器など) のいずれかを使用できます。

3. より良い PCB 電源を提供するためのグランドプレーンと電源層

グランドプレーンと電源層は、電力伝送用の低インピーダンスパスです。電源には、電力の分配、EMI の低減、クロストークの最小化、および電圧降下の低減のために、別個のグランドプレーンが必要です。電源プレーンは、PCB の必要な領域に電力を転送する専用です。

PCB 設計者は、接地ネットワークの各部分を個別に処理する必要があります。多層 PCB では、1 つまたは複数の層をグランドプレーンと電源層に特別に使用できます。さらに、2 つのアクティブな信号層の間にグランドプレーンを配置することで、干渉とクロストークを低減できるため、信号経路を効果的にグランドに接続できます。

4. デカップリングコンデンサとバイパスコンデンサ

一般的な電源設計における電力の流れ

ボード全体のコンポーネントに電力が分配されると、さまざまなアクティブコンポーネントがグランドバウンスとパワーレールのリンギングを引き起こします。これにより、コンポーネントの電源ピンの近くで電圧降下が発生する可能性があります。この場合、設計者はデカップリングコンデンサとバイパスコンデンサをコンポーネントの電源ピンの近くに使用して、デバイスの電流需要に短期間のスパイクを発生させます。

デカップリングの背後にある概念は、電源とグランドの間のインピーダンスを減らすことです。のデカップリングコンデンサは、IC が必要とする電流を供給するための二次電源として機能します。また、スイッチングイベントをサポートするためのローカルチャージソースとしても機能します。

バイパスコンデンサはノイズをバイパスし、電源バスの変動を低減します。それらはデバイスまたは IC の近くに配置され、電源とグランドの間に接続されて、多くの IC が同時に切り替えられたときの電源とグランドプレーンの電位の変化を補償します。

バイパスコンデンサは、電力系統の系統間または系統内のノイズを抑制するために使用されます。すべてのデカップリングコンデンサは IC の電源ピンの近くに接続し、もう一方の端は低インピーダンスのグランドプレーンに直接接続する必要があります。この接続の直列インダクタンスを最小限に抑えるには、デカップリングコンデンサとアーススルーホールを短絡する必要があります。

ローカルバイパスコンデンサを選択するときは、いくつかの点を考慮する必要があります。これらの要因には、正しいコンデンサ値、誘電体材料、形状、および IC に対するコンデンサの位置の選択が含まれます。デカップリングコンデンサの標準値は 0.1 μ F セラミックです。

5.EMIフィルタリング

EMI 放射は、電源エンクロージャに出入りする電源コードから発生する可能性があります。 PCB 設計者は、電源が EMI を定義されたスペクトル制限未満に保つことを期待しています。そのため、伝導ノイズを低減するために、電源入力ポイントで EMI フィルタが使用されます。

EMI と EMC に関する 7 つのヒントと PCB 設計ガイドライン

EMI フィルタのアーキテクチャにより、高周波ノイズをブロックできます。設計者はフィルタ回路コンポーネントを慎重に配置して、コンポーネントを接続する配線にエネルギーが転送されないようにすることが不可欠です。

6.伝送システムの周波数応答

無負荷から全負荷など、電源に急激な負荷がかかると、電圧出力が一時的に低下し、通常の電圧に戻る傾向があります。場合によっては、電圧が通常のレベルに安定する前に、出力がしばらく発振することがあります。発振が設計限界を超える場合は、出力コンデンサと補償コンデンサを調整する必要があります。たとえば、LM7805 の場合、出力ピンの横に 0.1 の μ F コンデンサを配置することをお勧めします。同様に、レギュレーターの突然の無負荷は、オーバーシュートと発振を引き起こす可能性があります。

回路設計からより良い応答を得るために、選択したコンポーネントが設計上の制約内にあることを確認してください。回路がACであろうとDCであろうと、それらの応答は異なります。 AC 回路と DC 回路は別々に検討する必要があります。

7. パワーインテグリティ (PI)

設計者は、電源設計のパワーインテグリティを保証する必要があります。電力の完全性は、回路に供給される電力の品質です。これは、システムからシステム内の負荷への電力の伝送効率の尺度です。これにより、必要な回路性能を達成するために、すべての回路と機器に適切な電力が供給されます。

ノイズの少ない電源により、電力の完全性が向上します。パワーインテグリティ設計は、電源ノイズの管理に他なりません。回路の電力品質を見積もるのに役立つシミュレーションツールがいくつかあります。このようなツールは、電圧降下の推定に役立ちます。デカップリングコンデンサの使用をお勧めします。また、回路内の高電流のホットスポットを特定することもできます。

優れた電源は、電子機器の正確な動作の鍵です。以上のように、PCB 設計者は電源設計を検討する際に多くの選択肢を持っています。これらの考慮事項の中で、電圧レギュレータ、コンデンサ、EMI フィルタの選択は非常に重要です。同様に、電源システムを設計する際には、熱の影響と負荷応答も考慮する必要があります。

また、Power IC Data Sheet に記載されている推奨事項に従ってください。トレースの厚さとコンポーネントの配置は、電源設計において重要な役割を果たします。基板組立・基板加工メーカが、基板メーカ共通のPCB電源設計の7つの注意点を解説。