電源スイッチの問題を迅速に特定するにはどうすればよいですか?
いわゆるスイッチング電源とは、最新の電子電源技術を使用してスイッチ管の開口部と管セクションの時間比率を制御し、安定した出力電圧を維持する電源を指します。 スイッチング電源は一般的にパルス幅変調制御ICとMOSFETで構成されます。 パワーエレクトロニクス技術の発展と革新に伴い、スイッチング電源の技術も常に革新を続けています。 次に、スイッチング電源の設計における注意点と、スイッチング電源に問題が発生した場合に、スイッチング電源の問題を迅速に発見する方法を紹介します。
スイッチング電源のレイアウト
スイッチング電源は、最新のパワーエレクトロニクス技術を使用してスイッチのオンとオフの時間比率を制御し、安定した出力電圧を維持する一種の電源です。 スイッチング電源は一般的にパルス幅変調(PWM)制御ICとMOSFETで構成されます。
高周波スイッチング電源を設計する場合、レイアウトは非常に重要です。 適切なレイアウトにより、このタイプの電源に関する多くの問題を解決できます。 レイアウトに起因する問題は通常、大電流で発生し、入力電圧と出力電圧間の電圧差が大きい場合により顕著になります。 主な問題のいくつかは、大きな出力電流および/または大きな入力/出力電圧差でのレギュレーションの低下、出力および開始波形上の余分なノイズ、および不安定性です。 このような問題は、以下のいくつかの簡単な原則を適用することで最小限に抑えることができます。
インダクタ
スイッチング電源は、クローズドフェライトコアを備えた低EMI（電磁干渉）インダクタを使用します。 円形または閉じた E コアなど。 オープンコアは、EMI 特性が低く、低電力のワイヤやコンポーネントから遠く離れて配置されている場合にも使用できます。 オープンコアを使用する場合は、コアの極を PCB に対して垂直にすることもお勧めします。 ロッドコア (スティックコア) は通常、不要なノイズのほとんどを除去するために使用されます。
フィードバック
フィードバック ループをインダクタやノイズ源から遠ざけるようにしてください。 また、フィードバックラインはできるだけ真っ直ぐで太くしてください。 これら 2 つのアプローチの間にはトレードオフが生じる場合がありますが、フィードバック ラインをインダクタの EMI やその他のノイズ源から遠ざけることが、2 つのアプローチのうちより重要です。 フィードバック ラインを PCB 上のインダクタの反対側に配置し、中央のグランド プレーンで分離します。
フィルタコンデンサ
小型のセラミック入力フィルタ コンデンサを使用する場合は、IC の VIN ピンのできるだけ近くに配置する必要があります。 これにより、ラインのインダクタンスの影響が可能な限り除去され、内部 IC ラインにクリーンな電圧源が与えられます。 スイッチング電源の一部の設計では、通常は安定性の理由から、出力からフィードバック ピンに接続されたフィードフォワード コンデンサの使用が必要になります。 この場合、IC のできるだけ近くに配置する必要があります。 表面実装コンデンサを使用すると、リード線の長さも短くなり、スルーホール部品によって引き起こされる有効アンテナ (有効アンテナ) へのノイズ結合が減少します。
補償
安定性のために外部補償部品が必要な場合は、それらもできるだけ IC の近くに配置する必要があります。 フィルタ コンデンサについて説明したのと同じ理由で、ここでも表面実装コンポーネントが推奨されます。 これらのコンポーネントもインダクタに近づきすぎないようにする必要があります。
トレースとグランドプレーン
すべての電源 (大電流) 配線は、できるだけ短く、真っ直ぐで、太くしてください。 標準的な PCB では、アンプあたりの絶対最小幅が 15mil (0.381mm) であることが最適です。 インダクタ、出力コンデンサ、および出力ダイオードは、できるだけ近くに配置する必要があります。 これにより、スイッチング電源トレースに大きなスイッチング電流が流れるときに、スイッチング電源トレースによって引き起こされる EMI を低減することができます。 これにより、リード線のインダクタンスと抵抗も減少し、電圧誤差の原因となるノイズ スパイク、リンギング、抵抗損失が減少します。 IC のグランド、入力コンデンサ、出力コンデンサ、および出力ダイオード (存在する場合) はすべて 1 つのグランド プレーンに直接接続する必要があります。 PCB の両側にグランド プレーンを設けるのが最善です。 これにより、グランドループエラーが減少し、インダクタによって生成されるEMIがより多く吸収されるため、ノイズが減少します。 2 層以上の多層基板の場合、グランド プレーンを使用して電源プレーン (電源トレースとコンポーネントが存在する領域) と信号プレーン (フィードバックと補償コンポーネントが存在する領域) を分離し、パフォーマンスを向上させることができます。 多層基板では、トレースを異なるプレーンに接続するためにビアが必要です。 トレースの一方の側からもう一方の側に大電流を流す必要がある場合は、200mA の電流ごとに 1 つの標準ビアを使用することをお勧めします。
初期電流ループが同じ方向に回転するようにコンポーネントを配置します。 ヘッドレギュレータの動作方法に応じて、2 つの電源状態があります。 １つの状態は開口部が閉じられているときであり、もう１つの状態は開口部が開いているときである。 各状態中に、現在オンになっている電源デバイスによって電流ループが作成されます。 パワーデバイスは、各状態で電流ループが同じ方向に流れるように配置されます。 これにより、2 つのハーフリング間のトレースにおける磁場の反転が防止され、EMI 放射が低減されます。
冷却
表面実装電源 IC または外部電源スイッチを使用する場合、多くの場合、PCB をヒートシンクとして使用できます。 これは、PCB の銅クラッド表面を使用してデバイスの熱の放散を助けるためです。 PCB の熱放散の使用方法については、特定のデバイスのハンドブックを参照してください。 これにより、通常、スイッチング電源によって追加される冷却装置を節約できます。
