低EMI DC/DCコンバータ用のPCBデザイン
By イェンス・ヘドリッチ
すべてのスイッチモード電源は、広帯域ノイズ源を提供します。 車載の基板配線でオートモーディブコントロールユニットにDC / DCコンバーターを統合し、オートモーティブOEMのEMC要件を満たすことは困難な作業です。
通常、DC / DCコンバータやその他の高速回路からのノイズは、効果的なアンテナパスを提供する接続されたケーブルを介して放射されます。 この潜在的な放射経路を遮断するには、各ケーブル接続ポイントにフィルター回路が必要です。 このフィルタリングは、ノイズ源からのHフィールドまたはEフィールドがフィルターコンポーネントまたはケーブルに結合しない場合にのみ有効です。
近接フィールド環境では、フィールドの振幅は距離の2乗分の1（1 / d2）で減少します。 したがって、ノイズ源、フィルタコンポーネント、およびコネクタの間には、一定の最小距離が必要です。
残念ながら、ケーブルのPCBサイズとコネクタ位置は、通常、機械的な制約によって事前に定義されています。 さらに、PCBの特定の領域では、コンポーネントの最大高さが非常に制限されている場合があり、両面アセンブリが不可能な場合があります。 これらの条件では、特にオートモーティブ製造などの規制の厳しい業界で作業する場合は、コンポーネントの配置とPCBレイアウトを慎重に行う必要があります。
リアルエステート計画
DC / DCコンバータのEフィールドとHフィールドがコネクタやケーブルに直接結合しないようにするため、回路をPCB接続ポイントからできるだけ離して配置する必要があります（図1）。
図1：コネクタとケーブルからのノイズ源の最大距離の配置
距離または追加のシールドのみが、EMCフィルタ、コネクタ、およびケーブルの電界強度を必要な低レベルに低下させることができます。 シールドは距離を置き換えることができます！
DC / DC回路とフィルターコンポーネントがボードの反対側に配置されて、少なくとも4層の両面組み立てPCBを使用するのがベストです。 ノイズ源からフィルタ回路へのクロスカップリングを最小限に抑えるために、少なくとも1つの内層はソリッドGNDである必要があります。
DC / DC回路をコネクタの非常に近くに配置する必要があるシステムでは、デザインプロセスの早い段階で効果的なシールドを検討する必要があります。 熱的に必要なヒートシンクをシールドに利用できる場合があります。 理想的には、インダクタ、パワーMOSFETを備えたDC / DC IC、およびそのデカップリングコンデンサはすべてシールドの下に配置されます。
PCBレイアウトガイドライン
降圧コンバータでは、主なフィールドソースは次のとおりです：
- 2つの電源スイッチと広帯域磁場を放射するCINによって形成される高di / dtループ（ホットループ）
- 強力な電界放射を伴う、パワーFETとインダクタ間のSWノード
- E場とH場を放射するインダクタ
AC磁場は、渦電流の誘導を可能にする固体金属領域によってシールドされています。 銅は導電率が高いため、非常に効果的です。 PCBの固定電位に戻る電位差の経路にある導体は、電界放射を効果的にシールドします。
高di / dtループは、ループ面積と電流振幅に比例するH場を放射します。アンテナループ領域を最小限に抑えるために、入力コンデンサを低インピーダンス接続の2つの電源スイッチの近くに配置します。
このループからの磁場をさらに減らすには、2セットのコンデンサを電源スイッチに対称的に配置します。理想的には、両方のループのピーク電流が元の半分になり、H場が6dB減少します。 2つのループの方向が反対であるため、放射されたH場がさらに減少します[1]。
DC / DC回路の下の層には、100µm未満の距離でしっかりとしたGND領域が必要です。この銅の領域では、回路コンポーネントとPCBトレースを流れる高いdi / dt電流が渦電流を誘導します。渦電流はコンポーネント側の元の電流と反対に流れ、それらの磁場は元の磁場をキャンセルします。これは、渦電流が最小距離でコンポーネント側からの高di / dtループ電流を鏡像化できる場合に最適に機能します。これにより、PCBのコンポーネント側からのH場放射が減少します。理想的なケース（超伝導、ゼロ距離、および両方のループ形状の完全な一致）では、渦電流からのHフィールドによってキャンセルされます。
DC / DC回路の下のGND銅領域にはインピーダンスがあるため、高いdi / dt渦電流により電位差が生じ、領域にノイズが発生します。 このノイズの多いGND領域は、システムのGND領域、特にフィルタとコネクタのGNDリファレンスから分離する必要があります。 多層PCBでは、これらは個々の層を成形し、それらの間の接続ビアのインピーダンスによって分離されます。
多層PCBの3Dビューは、この概念を示しています（図2）。
図２三次元PCBPCBビューーレイアウトは回路の一部です
最上層では、入力コンデンサ（CIN）と2つのパワーFETが、ビアを介して内層に接続されているVIN領域とPGND領域（赤で表示）に結合しています。 VINパスの場合、ビアの後のコンポーネントは誘導素子（1µHから2µHのコイルなど）である必要があります。 次に、スイッチ遷移からの高いdi / dt電流は、PCB全体ではなく、CINのみに流れるように強制されます。
PGND領域は、コンポーネント側の他のGNDに直接接続されておらず、DC / DCブロック（青で表示）の下のPGND領域へのビアを介してのみ接続されています。 目標は、コンポーネント側で高周波電流を維持し、ノイズを「外界」から分離することです。 低インピーダンスのシステムリファレンスを提供するために、PCBのフルサイズに対して少なくとも1つの層がソリッドGNDである必要があります。 レイアウトは回路の一部であることを忘れないでください。
インダクタの下に銅を配置する必要がありますか？
一部のPCBレイアウトツールには、インダクタコアの下に銅を使用できないように事前設定されています。 このトピックに関する見解は、銅がまったくないものから、PCBのコンポーネント側のコイル直下の銅までさまざまです。
図3コイルの下に銅がない4層PCB
図3は、4層PCBのどの層でもコイルの下に銅がない場合のコイル周辺の磁場のスケッチを示しています。 コイルからの強い磁力線はPCBの下側に存在し、PCBの周囲を閉じて、接続されているケーブルに効果的に結合します。 PCB上のフィルターコンポーネントは空中をバイパスされます。 これにより、オートモーティブOEM EMCレベルを満たすことは、もし不可能ではなくれば、非常に困難になります。
図4は、コンポーネント側のコイルの真下に銅を配置したPCBレイアウトを示しています。
図4：PCBのコイル下の銅の影響
これは、PCBの外側にすでにある磁場をキャンセルするための渦電流のための領域を提供します。 内層2と下層はクリーンです。 EMCフィルタコンポーネントは、効果的に底面に配置できます。 渦電流の磁場により、コイルの実効インダクタンスがいくらか減少します（通常は5％未満）。 渦電流はまた、GND銅にいくらかの損失を生じさせます。 インダクタコア直下の銅のもう1つの小さな欠点は、巻線からGNDへの寄生容量の増加です。 ただし、ほとんどのデザインでは、静電容量が非常に小さいため、この効果は支配的ではありません。
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