EMCのスイッチノード配置に関する考慮事項
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スイッチングレギュレータまたは電力変換回路のスイッチノードは、PCBレイアウトを設計するときに特別な注意が必要な重要な導電経路です。この回路ノードは、1つまたは複数のパワー半導体スイッチ (MOSFETやダイオードなど) が磁気エネルギー蓄積デバイス (インダクタやトランス巻線など) に接続する場所です。この回路ノードのスイッチング信号には、高速スイッチングdV/dt電圧とdI/dt電流が含まれており、周囲の回路に簡単に結合してノイズの問題を引き起こし、ひいてはPCBそしてシステムがきびしい電磁両立性 (EMC) 要求に適合するのを妨げます。
本稿では、スイッチノードの波形について学び、PCB配線のスイッチング (SW) 配線を適切にサイズ設定し、スイッチノードからのEフィールドとHフィールドの近接場結合効果を理解するための基本的なレビューを提供します。
スイッチノードの波形
スイッチノードの電流と電圧の波形を理解することは、この重要な配線のPCB設計を準備するための最初のステップです。特に、スイッチング電圧、時変電流、スイッチング周波数の波形は、レイアウトを試みる前に確認して理解する必要があります。
MPQ4430のような降圧コンバータで検討します (図1を参照) 。MPSのこのICは、ハイサイドFETとローサイドFETを集積しており、最大3.5Aの負荷電流を供給できます。
図1: MPQ4430 降圧コンバータの例
MPSのDC DC Designer Onlineツールを使用するこの例では、MPQ4430レギュレータは12Vから3.3Vに降圧しながら最大負荷3Aを提供するように設計されています。図1のスイッチノードはVSWと赤でラベル付けされています。この記事では「VSW」と「SWノード」は同じ意味で使用されており、どちらもスイッチノードを表しています。
図2の波形は、スイッチノードで測定されたスイッチング電圧とインダクタ電流を示しています。電圧波形は、12Vと0V以下の間を 500kHzのレートで切り替え、低ナノ秒範囲の非常に高速な立ち上がり / 立ち下がり時間です。この大きなdV/dtは、数十MHzから数百MHzまでの大きなノイズスペクトルをもつ強い電界 (Eフィールド) を生成します。
図2: 降圧コンバータのスイッチノード波形
降圧コンバータは連続電導モードで動作するため、インダクタ電流は常に正であり、0Aに達することはありません。電流は、降圧コンバータのオンサイクル中に約3.4Aまで上昇し、オフサイクル中に約2.6Aまで下降します。電流は負荷に供給する平均値3Aです。インダクタは電流の急速な変化に対抗するため、電流波形にはスイッチング電圧のような鋭い遷移エッジはありません。dI/dtはそれほど大きくありませんが、500kHzのスイッチング周波数で強力な時変磁場 (Hフィールド) によるリップル電流がやはりあります。このHフィールドは、この周波数範囲に敏感な近くの回路にとって潜在的な問題になる可能性があります。
SWノード配線長の最小化
スイッチノード配線は、比較的大きな時間変化電流を短い距離に流すことを目的としています。インダクタは、レギュレータのSWピンのすぐ近くに配置する必要があります。接続を短くすると、高dV/dt波形からの高周波のEフィールドと、インダクタのリップル電流からの低周波Hフィールドの結合が最小限に抑えられます。
図3は、インダクタをレギュレータの近くに配置してスイッチノードを配線する方法を示しています。PCBレイアウトを設計する場合、SWノードに接続する必要がある他の部品 (たとえば、小さなブートストラップコンデンサ) のために、コンバータとインダクタの間に小さな領域を残すことが重要です。これらの部品は、SW配線の長さが最小になるように配置する必要があります。
図3: 4層PCB上の3A降圧コンバータのスイッチノード配置図
図3は、ブートストラップコンデンサの最長寸法がSW配線に垂直になるように配置する必要があることを示しています。これにより、SWピンとインダクタ間の余分な長さが減少します。コンデンサによってインダクタがわずかに押し出されますが、約3mmから4mmの非常に短い距離を実現することは可能です。VSW配線の長さは、アプリケーションと部品のサイズによって異なり、場合によっては、この例に示されている長さよりも長くなる場合があります。
電流のためのSWノードのサイズ設定
レギュレータのSWピンからインダクタの入力側への接続は、通常、PCB上の他の信号配線よりも幅の広い配線です。次の特性を持つ幅の広い配線または銅の注入を作成することをお勧めします。
- 現在の要件を処理するのに十分な銅の厚さと十分な配線幅を使用します。
- 他の回路への近接場結合を最小限に抑えるために、長さをできるだけ短く保ちます。
SWノード配線の幅は、インダクタに供給される必要な電流を処理するために重要です。この降圧コンバータの例では、インダクタに供給される平均電流は平均出力電流 (3A) と同じです。設計エンジニアは、SWノードの幅を見積もるために使用できる最大電流の条件を指定する必要があります。
この設計例では、4層PCBが上層、下層、および内層に1オンスの銅を使用していると仮定します (図4を参照)。スイッチングレギュレータ回路は最上層に配置配線されており、グランド (GND) リターンプレーンは最上層から9.26ミル (約10ミル) 下にあります。使用可能な多くの計算ツール (PCB CADソフトウェアまたはPCB メーカーのウェブサイトにある) のいずれかを使用して、電流の導体のサイズを適切に設定できます。
図4: 3A降圧コンバータに使用される4層積み重ね
3Aの最大負荷を想定して設計し、PCBの温度上昇を 10°Cに制限しようとすると、この4層スタックアップでは50milの幅で 3.5A近くに対応できると計算されます。50milのスイッチノード幅は、3Aの最大負荷を越していくらかのマージンを提供するため、この設計の適切な目標です。PCBの許容温度上昇に基づいて、さまざまなトレードオフを行うことができます。配線のサイズがインダクタパッドと同じになるのが一般的ですが、この場合から、より狭い配線で電流と熱の要件を完全に満たすことができることがわかります。
電流の導体のサイズに使用される計算は、古いIPC2221ではなく、最新のIPC2152標準に従う必要があることに注意してください。これは、多層PCBにとって特に重要です。IPC2152ベースの計算はより正確で、PCBの厚さ、PCBの熱伝導率、配線の厚さ、および配線から銅プレーンまでの距離などの要因を考慮します。
SWノードのEフィールドおよびHフィールド
スイッチノードの配線は、リファレンスプレーン上のPCB配線で構成され、特に高周波では、マイクロストリップラインの大幅に短縮されたバージョンと見なすことができます。制御可能なインピーダンスを持つマイクロストリップラインは、デジタル、高速アナログ、および無線周波数 (RF) 信号の高速伝送ラインアプリケーションで使用されます。スイッチノードとマイクロストリップ伝送ラインのアプリケーションは、それらが伝導する目的の信号によって異なりますが、それらの幾何学的配置は、時間とともに変化する電界と磁界に対して同様の特性を示します。
図5は、SW配線上のスイッチング電圧と時変電流からのEフィールドとHフィールドを示しています。SW配線の幅 (w) は、リターンプレーンの上の高さ (h) に配置されます。磁束の電界線は、SW配線の上部、下部、および側面から伸びています。最も強いEフィールド集中は、特に高周波で、リターンプレーンに近接する配線の底部とエッジに沿って発生します。
図5: スイッチノードのEフィールドとHフィールド
高周波では、Eフィールド線がリターンプレーンで終端する場所に電流が発生します。Eフィールドをより適切に封じ込め、寄生近接場結合を低減するには、リターンプレーンとSW配線間の距離 (h) を最小限に抑え、SW配線と周囲の回路との間の距離をできるだけ大きくすることが最善です。
SW配線のリップル電流は、配線を囲む時間変化するHフィールドを作成します。Hフィールドからの磁束は、回路の相互インダクタンスを介して、近くの敏感な回路に誘導結合する可能性があります。Eフィールドと同様に、Hフィールドを封じ込める最良の方法は、h を最小限に抑えることにより、リターンプレーンをSW配線にできるだけ近づけると同時に、SW配線と周囲の回路との間の距離を大きくすることです。SWノードの近くに配置された専用の GNDリターンプレーンは、非常に優れたフィールド封じ込めを提供するための優れたアプローチです。
結論
スイッチングレギュレータや電源変圧器の回路では、SWノードのレイアウトを慎重に検討する必要があります。SWノードの波形を理解し、適切なSW配線 サイズを決定し、近接場結合を最小限に抑える戦略を利用することが重要です。
最初のステップは、スイッチング電圧波形、電流波形、およびスイッチング周波数を完全に理解することです。次に、最大電流要件に基づいてSW配線幅を決定し、SW配線長を最小化します。最後に、近接場結合を最小限に抑えるために、SWノード、周囲のIC、および回路の間に十分な間隔を空けてください。多層PCBスタックアップを使用する場合は、常に SW 配線の真下に GNDリターンプレーンを配置し、配線がGNDプレーンにできるだけ近いことを確認してください。これにより、SWノードからのEフィールドとHフィールドの近接場結合がさらに最小化されます。
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