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降圧スイッチング電源の設計のポイント

今回のコラムでは、降圧スイッチング電源の設計のポイントを紹介します。設計のポイントをまとめたハンドブックも発行していますので、是非ご確認ください。無料でDL可能です。

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降圧DC/DCスイッチングコンバータの仕組み

スイッチング素子(トランジスタやMOSFET)を用いてON/OFFを繰り返して出力電圧を決めます。このON/OFFの割合を変える事によって出力される電圧が変化します。(デューティー比、デューティーサイクル)。
入力電圧が違ってもデューティー比を変動させる事により出力電圧を一定にする事ができます。

降圧DC/DCスイッチングコンバータのノイズ

スイッチング電源はスイッチング素子によるON/OFFの切り替えが高速に行われる為、高周波ノイズを発生させます。この高周波ノイズを低減する為にON時とOFF時の電源ループをいかに小さくすると共に高周波成分を除去するコンデンサを最適な場所に配置する必要があります。
スイッチング動作時の基本周波数から発生するものとスイッチング動作時のリンギング,及び入力電圧変動から発生します。
外部供給電源からコネクターを通してケーブルへ伝搬する伝導ノイズにディフェンシャルモードノイズやコモンモードノイズが発生します。
DC-DCコンバータの入力部分から電磁波として放射ノイズが発生します。
また、PCBの配線にはL成分や部品の寄生C成分が存在します。
PCBの寄生インピーダンスを下げる為には部品配置と最適配線をする必要があります。スイッチングノイズ(リンギング)を低減するには電源ループを小さくする事(太く短く配線する事)で寄生インダクタンス下げる事ができます。
DC-DCコンバータICの電源ピンの直近に入力コンデンサを配置しGND端子への配線も最短になるようにする。(寄生インダクタンスを低減することができ、リンギングを低減できる。)

降圧DC/DCスイッチングコンバータのPCB設計のポイント

1,入力コンデンサの配置位置と接続方法

・容量の小さい方をICに近づける。
・ICと同一面に配置する。
・入力電源は太く短く配線する。(寄生インダクタンス低減)
・GND間も短く配置、配線する。(電源ループを短くする)

2,フリーホイールダイオードの配置方法

・ICと同一面に配置する。
・ICの出力ピンの近くに配置する。
・GND間も短く配置、配線する。

3,インダクタの配置と配線注意事項

・インダクタ直下のGNDを設けない。(渦電流対策)
・インダクタ直下の配線は避ける。
・インダクタ端子間は近くしない。
・ICの近く配置する。
・接続パターンは必要以上に太くしない。

4,出力コンデンサの配置

・インダクタの近くに配置する。
・入力GNDと出力GNDは近づけない。
・GND間も短く配置、配線する。

5,FB端子配線

・FB抵抗はICの端子の近くに配置する。
・電圧検出線は出力コンデンサの根元から検出する。
・インダクタの近くの配線は避ける。
・検出抵抗のGND側はAGNDへ接続する。場合によっては出力コンデンサの根元から電源と一緒にペアで配線する。
・他の信号や電源からのノイズを受けないように裏面で配線を行う。

6,PGNDとAGNDの接続方法

・PGNDとAGNDは分離して配線し、ICのGNDピンで1点接続する。もしくはコモンGND層に接続する。
・PGNDは分離をしないように同一面で配線する。
・PGNDはコモンGND層に落とす場合は出力コンデンサの付近で落とすようにします。

7,DC/DCコンバータの放熱方法

・サーマルビアを配置する。IC直下と周辺へ配置し、他の層の銅箔へ放熱する。

8,スナバ回路の配置方法

・スナバ回路がある場合、出力端子とGND間のループが短くなるように配置する。(GNDはICのGND端子に近くなるように配置する。
・フリーホイールダイオードよりも優先してICに近づける。

電源基板の設計は当社にお任せください

今回の記事では、降圧スイッチング電源の設計のポイントをご紹介させて頂きました。降圧スイッチング電源では、ノイズ対策が不可欠となりますが、当社では、ノイズ対策を徹底した高品質な電源基板を提供させて頂きます。お気軽におといあわせください。

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