電源基板の設計方法

7月 6, 2023

Ryan は MOKO のシニア電子エンジニアです。, この業界で10年以上の経験を持つ. PCBレイアウト設計を専門としています, 電子設計, および組み込み設計, 彼は、さまざまな分野の顧客に電子設計および開発サービスを提供しています, IoTから, 導いた, 家電に, 医療など.

電源 PCB は、電子システムの信頼性と効率的な動作において重要な役割を果たします。. 単純な回路用の電源を設計している場合でも、複雑なアプリケーション用の電源を設計している場合でも, 適切に設計された電源 PCB が不可欠です. この包括的なガイドでは, 必要な仕様を満たし、最適なパフォーマンスを保証する電源回路基板の設計に関わる重要な考慮事項と手順を検討します。. それでは、プロのように電源 PCB を設計する方法を学びましょう!

電源基板とは?

電源 PCB は、電子デバイス内のさまざまなコンポーネントまたはサブシステムに電力を調整および分配するように設計された特殊な回路基板です。. その主な機能は、外部電源からの入力電力を変換することです。, ACコンセントやバッテリーなど, 電子機器に必要な適切な電圧および電流レベルに調整します。. 電源 PCB は、ほぼすべての電子機器に不可欠な部品です, スマートフォンからまで, ラップトップ, コンピュータから家電製品まで, 産業機械, および自動車システム. これらのデバイス内の電子コンポーネントが安定した信頼性の高い電力を確実に受け取ることができるようにします。, 適切に機能するために不可欠な

電源 PCB 設計の考慮事項

電源の設計には細心の注意が必要です PCBレイアウト効率的な配電ネットワークの確立. 設計者にとって、電源動作の重要性とそれが全体の成功に与える影響を認識することが重要です。. これを達成するために, ノイズの多いデジタル回路と重要なアナログ回路の間で電源と回路を慎重に分離することを考慮しながら、PCB レイアウトを細心の注意を払って実行することが重要です。. 以下に、設計プロセス中の主な考慮事項を示します。:

適切なレギュレータの選択

電源用のレギュレータを選択する場合, 主に 2 つの選択肢があります: リニアレギュレータとスイッチモードレギュレータ. リニアレギュレータは低ノイズ出力を提供しますが、より高い熱放散を実現します。, 冷却システムが必要な場合. また、電圧ドロップアウトのため、必要な出力電圧よりも高い入力電圧も必要となります。. リニアレギュレータはシンプルですが、, 手頃な価格, ノイズのない出力を提供します, 大幅な電力損失と効率の低下に悩まされます。. PCB 設計でリニアレギュレータを選択する場合, 電圧ドロップアウトが低いものを選択し、製造前に熱解析を実行します。.

一方, スイッチモードレギュレータは、インダクタにエネルギーを蓄積および放出することによって電圧を変換します. 彼らは高速スイッチングを使用します MOSFET 非常に効率的な制御を提供します. 出力電圧は、パルス幅変調のデューティサイクルを変更することで変更できます。 (PWM). スイッチングレギュレータは高価であり、追加の受動部品が必要です, しかし、熱放散は低くなります.

適切なコンポーネントの選択

電源 PCB の設計を成功させるには、適切なコンポーネントを選択することが重要です. アプリケーションの電圧と電流のニーズを考慮する, 指定された電力レベルを処理できるコンポーネントを選択します. コンポーネントの種類などの要素に注意する, パッケージ, と足跡, 設計および製造上の制約との互換性を確保する. 信頼できる評判の高いコンポーネントサプライヤーを選択することで、電源設計の品質と寿命が保証されます。.

熱管理

電源の有効性は、その熱放散能力に直接影響されます。. 電子部品に電流が流れると, それらは熱を発生します, その量は彼らのパワーレベルに依存します, 特徴, とインピーダンス. 温度が低いほど、電子回路のパフォーマンスが向上し、寿命が長くなります。. したがって, 設計者は、デバイスが望ましい周囲温度範囲内で確実に動作するように、適切な冷却方法を組み込むことが重要です。.

リニアレギュレータを使用する場合, ヒートシンクまたはその他の冷却機構を使用することをお勧めします。, システムがそれを許可する限り. ファンを組み込むことで強制冷却が容易になります, 特に特定のデバイスからの高い熱放散に対処する場合.

PCB 全体の熱放散が均一でない可能性がある. 電力定格が高いコンポーネントはより多くの熱を発生する傾向があります, その結果、周囲にホットスポットが発生します. この問題に対処するには, サーマルビアをこれらのコンポーネントの近くに戦略的に配置して、影響を受ける領域から熱を効率的に逃がすことができます。. 効果的な放熱技術と適切な冷却方法を組み合わせることで、, 設計者は、最適なパフォーマンスと信頼性を促進する高効率の電源設計を実現できます。.

トレースルーティング

トレースルーティングに関しては, さまざまなアプローチがあります, 配置中または配置完了後の配線など. どの方法を選択しても, 短く直線的な配線を使用して、配線がコンポーネントの配置と確実に一致するようにすることが重要です。. 現在の要件に対応できる十分な幅の配線を使用し、信号の整合性の問題を最小限に抑えるために、直角ではなく 45 度または丸い角を選択してください。.

インダクタンスの発生を防ぐために、電源配線にビアを使用しないことをお勧めします。. さらに, 干渉を防ぎ、信号の完全性を維持するには、電源コンポーネントの下に他の信号トレースを配線しないようにすることが重要です。.

接地

電源の最適な接地を確保するには, 電源コンポーネント用に別のグランドプレーンを作成することをお勧めします。. トレースによる配線の代わりに固体のグランドプレーンを利用すると、いくつかの利点があります。. まず第一に, 電源に効率的な接地ソリューションを提供します。. さらに, 電流リターンパスによって生成されるノイズを効果的に専用プレーンに分離します。, 共通のグランドプレーン上の敏感な信号のリターンパスからそれらを分離する. PCB レイアウトの場合, 2 つのグランドプレーンは、最終的に特定の接続点で接続を確立します。, 一般にグランドとして指定される. このグランドビアは通常、電源ICの下のサーマルパッド内に配置されます。. この接続は、2 つのプレーンを結合する目的で使用されます。, 同時に電源からの熱放散の経路も提供します。. これはリニア電源設計において特に重要です。. さらに, リニア電源を設計する場合, 特に高利得デバイスの場合は、グランドプレーンに空隙を作成することをお勧めします。. そうすることによって, 潜在的なノイズ干渉が最小限に抑えられます, これらの繊細なコンポーネントのパフォーマンスを向上させることができます。.

電源トレースと銅線の注入

過度の電圧降下や過熱を発生させずに必要な電流を流すには、トレース幅を計算し、適切な銅の厚さを確保することが不可欠です。. 配線幅計算ツールと PCB 設計ソフトウェアを利用して、電流容量に基づいて適切な配線幅を決定します。. さらに, 放熱を強化し、電源 PCB の全体的な熱性能を向上させるために、銅注入技術の導入を検討してください。. グランドプレーンを効果的に利用してノイズを最小限に抑え、信号の完全性を向上させることができます。.

電力の完全性

電力の完全性とは、回路に供給される電力の品質を指します, システム内の電源から負荷に電力がどの程度効率的に伝達されるかを測定する. すべての回路とデバイスが、望ましいパフォーマンスを達成するために必要な電力を確実に受け取ることができます。.

電源の完全性を維持するための重要な側面の 1 つは、電源内のノイズを最小限に抑えることです。. 低ノイズレベルの電源は、より高い電力整合性を実現します。. 電源の完全性を考慮した設計には、電源ノイズを効果的に管理することが含まれます. 回路内の電力品質を推定するためにアクセスできるさまざまなシミュレーションツールがあります。. これらのツールは電圧降下を予測するのに役立ちます, デカップリングコンデンサの配置を推奨します, 高電流が流れる領域を特定します, ホットスポットとして知られる, 回路内で.