このトピックでは、PI デバイスに固有のスイッチング電源の基板 (PCB) レイアウトを最適化するための一般的なガイドラインと手法を紹介します。例示されている回路はすべて、コストを最小限に抑えるため、片面基板レイアウトとして設計されています。これらのレイアウト手法によって、低コストかつ製造を容易にするという目標を達成することができます。優れた基板レイアウトの目標は次の 2 つです。
回路配線全体に存在する浮遊寄生成分の大きさと影響を最小限に抑えます。これらの浮遊「部品」とは、分散した抵抗、容量、インダクタンスや、望ましくない磁気結合のことです。電源部品、I/O コネクタ、及びヒートシンクの配置と配列、つまり、基板全体の物理的なレイアウトは、これらの寄生成分の大きさと影響に直接関係します。優れたレイアウトでは、望ましくない電磁干渉 (EMI) と全体的な製品コストを削減し、電源の性能と効率を高めることができます。
最も大量の熱を放出する部品からの熱放散を最大にします。基板の配線、電源面、グラウンド面はすべて、部品から熱を伝導して外部に放出できます。この方法は通常、消費電力が 5 W 未満 (デバイス タイプとパッケージによって異なる) の部品にのみ効果的です。基板銅箔部からの熱の伝導は、回路配線の長さ、幅、及び厚み (通常 30 mm または 60 mm/1 オンスまたは 2 オンス) と基板の材料の熱抵抗よって制限されます。基板レイアウトを作成する際の目標として、高温部品をシステムのエアフローの近くに配置することや、熱の影響を受けやすい部品を高温部品から離すことも必要になります。
安全スペーシングも基板レイアウトの際に決めます。安全規定の遵守、及びその基板レイアウトへの影響の詳細については、アプリケーション ノート「AN-15」を参照してください。最終製品への要求事項の詳細については、安全管理者にお問い合わせください。
下記の一般的なレイアウトのガイドラインは、必ずこの付録の後半に提示されている個別の PI 部品のガイドラインと組み合わせて使用してください。
PI デバイス周囲の電源の設計には、次の手法を適用してください。各手法の例は、これ以降のセクションで提示されます。
接続された高電流ノード間の距離を最短にして、ノード間を接続する回路配線の幅と厚みを最大にします。これにより、配線の寄生抵抗及びインダクタンスが最小限に抑えられます。パスはできるだけ短く、直線的になるようにします。特に、高電流の二次側の配線の寄生インダクタンスは最小限に抑える必要があります。ただし、スイッチング ノード間の接続 (たとえば、トランスとドレイン ノードの接続や、トランスと二次側ダイオードとの接続など) には、過度に太い配線は使用しないでください (EMI の性能が低下する可能性があるため)。これらの配線は、できるだけ短くします。
AC カレント ループのパス長を最短にします。これにより、寄生インダクタンスを低くしたまま、回路成分と基板の配線間の磁気結合を最小限に抑えることができます。
PI デバイスとスイッチング ノードを AC 入力と DC 出力 (I/O) からできるだけ離します。これにより、部品の放射 EMI ノイズとこれらの I/O ポートの近くの配線との直接結合が最小限に抑えられ、伝導 EMI を軽減することができます。
必要に応じて、同一の並列接続の出力コンデンサを使用します。これにより、二次側の AC 電流パスのインピーダンスが等しくなり、一般的には、コンデンサ間でリップル電流がより均等に共有されるようになり、全体的な信頼性が向上します。このため、すべての並列出力コンデンサでは、基板の出力ダイオードからコンデンサへの配線と、コンデンサからトランスに戻る配線の長さを等しくする必要があります。長さが等しくない場合、配線長が最も短いコンデンサが最も多くのリップル電流を伝導し、他のコンデンサより多くの電力を消費するため、寿命が短くなる可能性があります。
整流コンデンサは、整流コンデンサ、トランス、及び PI デバイスで構成されるループ面積が最小になるように配置します。
一次側の高電圧ノードと、それより電圧が低い他のすべてのノードとの間に、適切な間隔を空けます。これは、アーク放電の防止に役立ちます (アーク放電により、電源部品が損傷して機能しなくなる場合があります)。
グラウンド面の電力面において、隣接するパターンを接続する場合、スルーホール部品を使用します。これにより、ジャンパーの使用数を最小限に抑え、基板レイアウトが簡素化されます。
熱の影響を受けやすい部品を、大量の熱を放出する部品から離します。たとえば、高温のヒートシンクが、電解コンデンサや他の熱の影響を受けやすい部品に物理的に接触しないようにします。設計が対流冷却式の場合は、想定されるエアフローのパターンに注意してください。熱の影響を受けやすい部品は、高温部品の熱影部に配置しないでください。また、エア領域が必要な部品をエアフローがほとんどない領域に配置しないでください。
SOURCE ピンの入力フィルタ コンデンサのマイナス端子を、単一 (ケルビン) 接続します。これにより、ドレイン電流がデバイスの動作に干渉することを防止できます。
PI デバイスのピンに接続されている全部品のパス長を最短にします。CONTROL (C)、MULTI-FUNCTION (M)、EXTERNAL CURRENT LIMIT (X)、VOLTAGE MONITOR (V) などの入力インピーダンスが比較的高いピンは、ノイズに影響されやすい傾向があります。これらのピンと、ピンに接続されるすべての外部部品との距離を最短にします。V ピンは、インピーダンスが非常に高いため、特に注意が必要です。詳細については、TOPSwitch-HX のデータ シートのレイアウトに関する考慮事項を参照してください。
コモンモードの入力サージ電流が PI デバイスの SOURCE ピンに流れないようにします。バイアス回路のリターンの経路は、一次側の (整流) 入力コンデンサに接続し、デバイスの SOURCE ピンとの間に安全な距離を確保してください。
Y タイプの EMI コンデンサは、一次側の正極 (+ 整流) DC バス入力と二次帰線との間に接続します。どちらの接続も、トランス ピンにできるだけ近くしてください。Y コンデンサを一次帰線 (整流) に接続する必要がある場合は、別の配線を追加して整流コンデンサに直接終端させます (ケルビン接続)。
Y パッケージ内の PI デバイス上のタブ (ヒートシンク) は、一次帰線ノードに電気的に接続しないでください。部品タブは、SOURCE ピンに内部で接続されるものであり、他の電源回路には接続しないままにする必要があります。ヒートシンクと SOURCE ピンが電気的に接触すると、ソースとヒートシンク間で電流が流れる場合があります。
P 及び G パッケージのすべての SOURCE ピンを基板の一次リターン面に接続し、基板への熱伝導を最大限に高めます。
レイアウト例については、各デバイスのデータ シートを参照してください。