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スイッチング電源の PCB 設計仕様

スイッチング電源 PCBA

スイッチング電源 (SPS) PCB の設計では、安定した動作を確保し、電磁干渉 (EMI) を最小限に抑えるために、細部に細心の注意を払う必要があります。回路図からレイアウトまで、すべてのステップが重要です。この包括的なガイドでは、効率的で信頼性の高い SPS PCB を設計するための重要な考慮事項とベストプラクティスについて説明します。

回路図から PCB 設計までのフロー

回路図からプリント基板設計への移行には、いくつかの重要なステップが含まれます。

コンポーネントパラメータの確立: 電圧、電流、周波数の要件を考慮して、各コンポーネントの仕様を定義します。
入力回路図ネットリスト: 回路図を PCB レイアウトに使用できるネットリスト形式に転送します。
設計パラメータの設定: 配線幅、クリアランス、層などの必要なパラメータを使用して PCB 設計ソフトウェアを構成します。
手動レイアウト: 回路図と設計要件に従って PCB 上にコンポーネントを配置します。
手動ルーティング: コンポーネント間のトレースを配線し、適切な間隔を確保し、干渉を回避します。
設計検証: 信号の完全性や熱の考慮事項を含め、電気的および機械的完全性の設計を検証します。
レビュー: 設計を徹底的にレビューして、すべての要件を満たしていることを確認します。
CAM出力: 製造用の最終出力ファイルを生成します。

スイッチング電源の回路基板レイアウトパラメータ

スイッチング電源 (SPS) 設計で最適な電力整合性を確保するには、回路基板のレイアウトを慎重に検討する必要があります。次のパラメータは、干渉を最小限に抑えながら、すべてのコンポーネントにクリーンで中断のない電力を供給できる堅牢な電力供給ネットワーク (PDN) を設計するために重要です。

ボード層の構成とスタックアップ: ボード上のすべての電源を識別する回路図から始めます。信号と電力の整合性を最適化するようにレイヤースタックアップを構成します。最適な信号リターンパス、制御されたインピーダンスルーティング、および電源絶縁を実現するために、電源プレーンとグランドプレーンを配置します。
設計ルールと制約: トレースの幅、間隔、および銅の流し込み属性に関するルールを確立します。これらのルールを効率的に管理するには、ネットクラスの使用を検討してください。 Cadence Allegro の PCB Editor などの高度な PCB 設計ツールは、PDN の配線要件をサポートする機能を提供します。
配置配線のガイドライン: スイッチング電源については、次のガイドラインに従ってください。
- コンポーネントの配置: 配線の長さを最小限に抑え、信号パスを最適化するようにコンポーネントを配置します。インダクタンスを最小限に抑えるために、大電流コンポーネントをそれぞれのデカップリングコンデンサの近くに配置してください。
- ルーティング: 抵抗と電圧降下を減らすために、電源配線をできるだけ広く配線します。高電流経路に複数のビアを使用して、抵抗を低減し、熱性能を向上させます。 EMIを最小限に抑えるために、大電流ループを短くコンパクトに保ちます。
- デカップリングコンデンサ: デカップリングコンデンサをデカップリングするコンポーネントの電源ピンのできるだけ近くに配置して、高周波ノイズに対して低インピーダンスのパスを提供します。
- 接地: 固体のグランドプレーンを実装して、電流の低インピーダンスのリターンパスを提供します。ステッチビアを使用して異なるグランド層を接続し、グランドループを最小限に抑えます。
- シグナルインテグリティ: 高速信号に対して制御されたインピーダンス配線を使用して、信号の反射を最小限に抑え、信号の完全性を確保します。

これらのパラメータとガイドラインを慎重に検討することで、スイッチング電源アプリケーションにおいて、電力の完全性を最大限に高め、干渉を最小限に抑えるPCBレイアウトを設計できます。

スイッチング電源の PCB レイアウト

スイッチング電源のコンポーネントのレイアウト

コンポーネントをレイアウトするときは、PCB サイズを優先して考慮してください。 PCB が大きすぎると、配線の長さが長くなり、インピーダンスが増加し、耐ノイズ能力が低下し、コストが高くなる可能性があります。逆に、PCB のサイズが小さすぎると、放熱が不十分になり、干渉が増加する可能性があります。 PCB の最適な形状は、長さと幅の比率が 3:2 または 4:3 の長方形です。潜在的な問題を避けるために、ボードの端近くに配置されるコンポーネントは少なくとも 2mm 離す必要があります。

コンポーネントの配置では、将来のはんだ付けの考慮事項を優先し、はんだ付けプロセスを妨げる可能性のある過度に密な配置を避けてください。各機能回路のコアコンポーネントの周りにコンポーネントを均一に、きれいに、コンパクトに配置します。リード線とコンポーネント間の接続を最小限にして短くし、デカップリングコンデンサをコンポーネントの VCC のできるだけ近くに配置します。

特に高周波数で動作する回路の場合は、コンポーネント間の分布パラメータを考慮してください。はんだ付けと量産を容易にするために、コンポーネントは可能な限り平行に配置する必要があります。回路の流れに沿って各機能回路ユニットの位置を配置することで、信号の循環と信号の一貫性を保つレイアウトを実現します。最後に、主なレイアウト原則として配線の流暢性を確保し、フライングワイヤ接続に注意を払い、コンポーネントを相互接続とともに配置して信号経路長を最小限に抑えます。

スイッチング電源の安定動作のための接地の最適化

スイッチング電源には高周波信号が含まれており、PCB 上の印刷ラインはアンテナとして機能します。印刷されたラインの長さと幅は、そのインピーダンスとリアクタンスに影響を与え、それによって周波数応答に影響を与えます。 DC 信号を伝送するプリントラインであっても、近くのプリントラインからの RF 信号と結合し、回路に問題を引き起こす (または干渉信号を再放射する) 可能性があります。

これを軽減するには、AC を伝送するすべての印刷ラインを可能な限り短く、幅広に設計する必要があります。これは、印刷線やその他の電力線に接続されているすべてのコンポーネントをできるだけ近くに配置する必要があることを意味します。印刷されたラインの長さはそのインダクタンスとインピーダンスに比例し、幅はそのインダクタンスとインピーダンスに反比例します。長さが長いほど、印刷された線が電磁波を送受信できる周波数が低くなり、より多くの RF エネルギーを放射できます。

したがって、電源の動作が不安定になる可能性があるさまざまなアースの混合を避けるために、レイアウト内でのアース線の配置を慎重に検討することが重要です。接地は、スイッチング電源の 4 つの電流ループの共通基準点として重要な役割を果たし、干渉を制御するための重要な方法です。グラウンドデザインで注意すべき重要なポイントは次のとおりです。

一点接地を選択してください: フィルタコンデンサの共通端子は、大電流 AC グランドに結合された共通グランドへの唯一の接続である必要があります。同レベル回路の接地点はできるだけ近くに配置し、主回路のフィルタコンデンサも同レベルの接地点に接続してください。
アース線を太くする：大電流の各端子にはできるだけ短く幅広のプリント線を使用してください。電源線とグランド線の幅はできる限り広くする必要があり、グランド線の方が電源線よりも広いことが望ましいです。その幅の関係は、グランド線 > 電源線 > 信号線となるはずです。可能であれば、アース線の幅は 3mm 以上にしてください。
グローバルルーティングの原則: グローバルルーティングを実行するときは、次の原則に従ってください。
- 配線方向: コンポーネントの方向は回路図と一致するようにし、配線方向は回路図と一致する必要があります。
- 配線の巻き数を最小限に抑え、線幅の急激な変化を避け、ワイヤの角が 90 度以上になるようにしてください。
- プリント回路内で回路を交差させないでください。「ドリル」や「ループ」などの方法を使用して、潜在的な交差の問題を解決します。
入力および出力グランド: 低電圧 DC-DC スイッチング電源の場合、回路の両側に共通の基準グランドが必要です。アース線の両側に銅メッキを施した後、それらを接続して共通アースを形成する必要があります。

PCB設計における配線と接地の必須チェック

配線設計完了後は、配線設計が設計者が定めたルールに従っているかどうか、また、定められたルールがプリント基板の製造工程の要件を満たしているかどうかを注意深く確認する必要があります。一般に、ラインとラインの間、ラインとコンポーネントのパッドの間、ラインとスルーホールの間、コンポーネントのパッドとスルーホールの間、およびスルーホール間の距離が妥当であり、製造要件を満たしているかどうかを確認します。

電源線とグランド線の幅が適切かどうか、またプリント基板内にグランド線を広げられる箇所があるかどうかを確認してください。注: 一部のコネクタの輪郭の一部が基板フレームの外側に配置されているなど、一部のエラーは無視できます。これにより、間隔チェックでエラーが発生する可能性があります。また、配線やスルーホールを修正するたびに、銅を再コーティングする必要があります。

最終設計チェック

デザインルール、層定義、トレース幅、間隔、パッド、ビア設定を含む「PCB チェックリスト」を再チェックしてください。さらに、コンポーネントの配置、電源およびグランドネットワークの配線、高速クロックネットワークの配線、シールド、デカップリングコンデンサの配置と接続などの合理性の見直しにも重点を置きます。
フォトマスクファイル出力の設計出力に関する考慮事項:

A. 出力層には、配線層 (下層)、シルクスクリーン層 (上層および下層のシルクスクリーンを含む)、ソルダーマスク層 (下層のソルダーマスク層)、穴あけレイヤー (下層)、および穴あけファイル (NC ドリル) が含まれます。）も生成されます。

B. シルクスクリーンのレイヤー数を設定する場合は、パーツタイプを選択しないでください。上（下）レイヤーとシルクスクリーンレイヤーの輪郭、文字、線を選択します。

C. 各層の層を設定する際に、基板外形を選択します。シルクスクリーンレイヤーのレイヤー数を設定する場合は、パーツタイプを選択しないでください。上（下）レイヤーとシルクスクリーンレイヤーの輪郭、文字、線を選択します。

D. ドリルファイルを生成するときは、何も変更せずに PowerPCB のデフォルト設定を使用します。

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