スイッチング・レギュレータの効果的なPCBレイアウト設計方法

スイッチング・レギュレータは、現代のエレクトロニクスの縁の下の力持ちです。効率的に電力を変換し、エネルギー損失を最小限に抑えながら、デバイスをシームレスに機能させます。しかし、レギュレーターには、電磁干渉（EMI）などのノイズという悪名高い欠点があります。かすかなブザーを聞いたり、オシロスコープがスパイクと格闘しているのを見たことがある人なら、私が何を言っているかわかるだろう。

このブログでは、スイッチング・レギュレータの効果的なPCBレイアウトを設計することで、ノイズのグレムリンを抑え、回路を快適に動作させる方法について詳しく説明します。このような問題を回避するために、スイッチング電源のレイアウト・ガイドラインをいくつか紹介します：

・PCBレイアウトにおける電源の潜在的な問題点

・電源レイアウトのためのPCBパラメータの設定

・最適なレイアウトのための部品配置と配線のヒント

スイッチング・レギュレータとは？

スイッチング・レギュレータは、高周波スイッチ（トランジスタ）と受動部品（インダクタ、コンデンサ）を使用して電圧を昇圧（昇圧）、降圧（降圧）、または反転させる電力変換器です。高効率で、通常80～95％で動作するため、バッテリー駆動やハイパワーのアプリケーションに最適です。

一般的なスイッチングレギュレータの種類

降圧コンバータ：電圧を降下させる。

昇圧コンバータ：電圧を昇圧します。

降圧コンバータ：入出力の関係により、電圧を昇圧または降圧できる。

なぜノイズはスイッチング・レギュレータの悪役なのか？

すべてのスイッチング・レギュレータは、dV/dtノードとdI/dtループでノイズを発生させます。スイッチング・レギュレータのノイズは、主にコンポーネントの高速スイッチングと高いdi/dt（電流変化率）が原因で発生します。ハーフブリッジ/フルブリッジトポロジーのような複雑なトポロジーの場合、スイッチングノードは、スイッチングFET間の位相差に応じて、設計内の異なる場所を移動する可能性があります。以下はその仕組みである：

1. 電磁干渉（EMI）：高周波ノイズが近くの部品や回路に放射される。

2. シグナル・インテグリティの問題： ノイズは、PCBのアナログまたはRFセクションの敏感な信号を破損する可能性があります。

3. 熱と効率の損失： 過剰なノイズは電力損失と発熱につながり、システム全体の効率を低下させます。

では、どうすればこのノイズの多い獣を飼いならすことができるのでしょうか？その答えは、思慮深いPCB設計にあります。フルカスタムPCB設計に関する当社の設計ブログはこちらです。

スイッチング・レギュレータのコンポーネント：

1) インダクタ： フェライトコアタイプ（トロイダルなど）のような低 EMI インダクタを使用する。低電力トレース付近のオープンコアは避け、極をPCBに対して垂直にするとノイズ対策になります。

2) フィードバックトレース： フィードバックトレースは、インダクタやノイズの多いトレースから遠ざけてください。グランドプレーンを挟んで反対側のPCB側に配置する。

3) フィルタコンデンサ： ノイズを減らすために、入力コンデンサをICの近くに配置する。インダクタンスを最小にするため、表面実装コンデンサを使用する。

4) 補償部品： ノイズ低減のため、ICの近くに配置し、インダクタとの近接を避ける。

5) ヒートシンク： パワーICのヒートシンクとしてPCB銅層を使用し、最適な放熱のためにデバイスのデータシートに従ってください。

スイッチング電源の不適切なレイアウトによる問題

スイッチング電源は、プリント回路基板上で電力を生成するのに適した方法であることが多い。電力を変換するためにスイッチング・レギュレータを使用するSMPSは、より大きな発熱部品に依存するリニア電源よりも、より効率的に、より少ない熱で電流を生成することができます。しかし、SMPS の通常のスイッチング動作はノイズを放射する可能性があり、適切に制御されないと、以下のような問題を追加または発生させる：

- 電磁干渉（EMI）： 急激な電圧スイッチングはEMIを発生させ、外部電子機器と内部回路の両方を妨害し、信号と電源の整合性を低下させる可能性があります。

- グラウンド・バウンス： 高速スイッチングにより回路基板のグランドリファレンスが上昇し、誤った信号スイッチングやデータエラーを引き起こす可能性があります。

・電源リップル： スイッチングによりリップルが発生し、近隣の回路にクロストークを誘発する可能性があります。

このような問題を避けるには、レイアウト・ツールで基板をどのように構成するかから始め、適切な電源レイアウト・ガイドラインに従うことが重要である。

レイアウトによるスイッチング・レギュレータのノイズ低減方法

良いレイアウトとは、整理整頓されたキッチンのようなものです。すべてのものが定位置にあり、不必要な動き（と散らかり）を最小限に抑えます。適切なPCB設計は、寄生を減らし、電流経路を最適化し、敏感な部品をシールドすることでノイズを最小限に抑えます。

スイッチングトポロジーにおけるクリティカルパスの理解：

スイッチング・レギュレータのPCB設計において最も重要なルールは、高いスイッチング電流を流すトレースをできるだけ短く配線することです。このルールがうまく実行できれば、スイッチング・レギュレータの基板レイアウトの大部分に適切に対処できます。最初のステップは、スイッチング・レギュレータのトポロジーにおいて、どの経路が重要かを見つけることである。これらの経路では、スイッチの遷移によって電流の流れが変化する。

降圧トポロジー：

降圧コンバータの一般的な回路図のように、クリティカル・パス（スイッチングが行われる部分）は赤で示されている。これは、電源スイッチの状態によって、全電流が流れるか、電流が流れないかの接続線です。これらの経路はできるだけ短くする必要があります。降圧コンバーターの場合、入力コンデンサーはスイッチング・レギュレーターICのVINピンとGNDピンのできるだけ近くに配置する必要がある。

昇圧トポロジー：

ここでは、低電圧が高電圧に変換される。ここでも、パワー・スイッチの切り替えによって電流の流れが変化する電流経路が赤で示されている。興味深いことに、入力コンデンサーの配置はまったく重要ではない。最も重要なのは出力コンデンサーの配置である。出力コンデンサは、フライバックダイオード（またはハイサイドスイッチ）だけでなく、ローサイドスイッチのグラウンド接続にもできるだけ近づけなければならない。

スイッチング・レギュレータのレイアウトに関する１０の簡単な設計上のヒント：

1. 電流経路の設計

・ 降圧コンバータでは、スイッチング素子のON/OFF状態によって電流経路が変化する。

・ 電流が急激に変化する部分は高調波が発生し、ノイズの原因となるため、十分な注意が必要です。

2. PCB レイアウト手順

・入力コンデンサやフリーホイールダイオードなどの重要な部品は、同じプリント基板上のICの近くに配置してください。

・ 必要であれば、放熱を高めるためにサーマルビアを使用してください。

・ 放射ノイズを低減するために、スイッチングノードの銅面積を最小にしてください。

3. 入力コンデンサとフリーホイールダイオードの配置

・ ノイズ抑制のため、ICの近くに高周波バイパスコンデンサ(例えば0.1µF～0.47µFのセラミック)を使用する。

・ 大きな入力コンデンサは少し離して配置してもよいが、バイパスコンデンサが近くにあることを確認する。

・ コンデンサやダイオードをビアを通して下層に配置することは、リップル電圧やノイズを増加させるので避けてください。

4. サーマルビア実装

・ ICのサーマルパッド下のサーマルビアは、反対側のPCB層への効率的な放熱に役立つ。

・導電性を高めるため、はんだを充填した小口径のビア（例えば0.3mm）が好ましい。

5. インダクタの配置

・ インダクタはICの近くに配置するが、EMIアンテナとして機能するのを防ぐため、特大の銅部分は避ける。

・渦電流損失を減らすため、インダクタの真下にグランドや高感度信号線を配置することは避けてください。

6. 出力コンデンサの配置

・ 電流をスムーズに流すために、出力コンデンサをインダクタの近くに配置してください。

・高周波ノイズのカップリングを防ぐため、入力コンデンサと出力コンデンサの間に1～2cmの距離を保ってください。

7. フィードバック経路の配線

・フィードバック配線は、短く、直接的で、スイッチングノードやインダクタのようなノイズ源から離してください。

・ノイズカップリングを最小にするために、フィードバック配線を大電流経路の直下または平行に配線することは避ける。

・多層基板の場合、必要であれば、ビアを使用してフィードバックトレースを別の層に配線する。

8. グランド設計

・アナログ（信号）グランドプレーンとパワーグランドプレーンを分離し、ノイズの干渉を最小限に抑える。

・複数のビアを使用して、最上層のグランドを内層のグランドプレーンに接続し、インピーダンスを下げる。

9. 銅トレースの抵抗とインダクタンス

・ 適切な電流処理を保証するために、トレース寸法の抵抗とインダクタンスを計算してください。

・ 大電流経路には幅の広いトレースを使用してください（例：銅厚35µmの場合、1Aあたり1mm幅）。

10. コーナー配線

・EMIや信号の反射が増加するため、トレースの鋭角な直角曲げは避けてください。

・インピーダンス・マッチングを良くし、ノイズを低減するために、45°曲げまたは丸みを帯びたトレースを使用してください。

結論：

これらのガイドラインに従うことで、スイッチング・レギュレータ用の堅牢でノイズのないPCBを設計し、最も要求の厳しいアプリケーションでも確実に動作させることができます。よく設計されたレイアウトは、電気的性能を向上させるだけでなく、熱効率とEMIコンプライアンスも保証します。JLCPCB工場でどのようにPCBが製造されているか、ぜひお問い合わせください。

経験の浅い回路設計者は、スイッチング・レギュレータの基板レイアウトを黒魔術のように考えることが多い。最も重要なルールは、スイッチの遷移によって電流の流れが変化するトレースをできるだけ短くコンパクトに設計することである。これは簡単に説明でき、論理的な関係に従うものであり、スイッチング電源設計における最適化された基板レイアウトの基本である。