初学者が作るDCDCコンバーター〈レイアウト設計〉
今回は前回作成した回路のプリント基板レイアウトをします。
レイアウトするにあたって、気を付ける部分や要点はROHMのTechWebの「降圧DC/DCコンバータ 基板レイアウトの基礎と事例」を参考にしています。
では早速始めましょう
回路図と基板レイアウトです。
まず前提として、次の３点は常に頭に入れるようにしてください。
配線はできるだけ短くする
銅箔パターン面積は必要以上に大きくしない
コーナー配線は丸める
簡単に説明すると、配線は長くすると寄生容量・寄生インダクタが大きくなりノイズの原因になります。銅箔は広く設けるほど放熱面では有利ですが、場所によってはノイズを拾ってしまうので、「とりあえず広く」という考えは避けたいです。コーナー配線に関しては、曲げ半径が大きいほど良いです。
ここからは、場所ごとに分けて要点を解説していきます。
入力コンデンサ
入力コンデンサにはCin:10uFとCbypass:0.1uFがあります。高周波デカップリングコンデンサCbypassは電源ICにできるだけ近づけるようにしましょう。ESR、ESLをできるだけ小さくするため、MLCCで素子のサイズも小さいものが望ましいです。
CinのGNDには数百MHzの高周波が発生するため、CoutのGNDとは1~2cm離した方がよいです。
スイッチングノード
スイッチングノード（SW）は、数nsの立ち上がり、立ち下がりで数Aの電流変化が起こる最も過酷なノードです。
ここに基板の寄生容量Cと寄生インダクタLが存在するとLとCが共振してリンギングが発生します。この回路だと、SWノード1cmで2Vのスパイクが発生します。リンギング周波数は100MHz~200MHzであり高周波なのでアンテナになりやすく、放射ノイズの主犯です。
つまりどうすればいいかというと、とにかく短く、できればビアも通さず配線してください。
インダクタ
インダクタに電流が流れると磁力線が発生します。この磁力線が導体を通過すると渦電流が発生し、問題が生じます。また、インダクタの近くの銅箔が信号線の場合、渦電流によってノイズが伝播することがあります。なので、インダクタ直下のGND箔や配線はとにかく避けます。
インダクタは発熱する素子なので銅箔面積を広く取りたいところですが、必要最低限を意識しましょう。
出力コンデンサ
Coutは出力電圧を中心に出力リップル電圧と連動した滑らかな充放電を繰り返します。なるべくインダクタの近くに配置し、CinのGNDと1~2cm離してノイズ対策をします。
帰還経路（FB）
出力電圧が分圧され、ICのFBピン=エラーアンプの入力に帰還されます。
ノイズや変動がエラーアンプに送られると正確な出力安定化ができないばかりか、条件によっては発振など動作が不安定になってしまうので、帰還回路はクリーンな信号を帰還できるように配慮が必要です。
注意点をまとめると次のようになります
帰還信号配線でノイズを拾うと出力電圧に誤差が生じ、場合によっては動作が不安定になる
ICのFBピンはインピーダンスが高いので、ピンと分圧ノードは短く結ぶ
出力電圧を検出する場所は、出力コンデンサより先にする
出力から抵抗分圧器までの配線は平行かつ近接させた方がノイズを拾いにくい
スイッチングノードやインダクタと遠ざけて配線
インダクタやICの直下、パワースイッチ系配線と平行は避ける
配線は「できるだけ短く」が基本ではありますが、帰還に関してはノイズを避けるために配線を長くしました。この辺はうまく妥協点を見つけるのが重要です。
これでレイアウトは終わりです。ここまで見てくださりありがとうございます。次回は届いた素子と基板をはんだ付けして完成させます。
余談
一昨日基盤を完成させたのですが、はんだ付けは中学生の技術の授業ぶりなので大分苦戦しました。表面実装の素子は目を離せばいなくなるし、ピンセットの先端にヤニがついて素子がくっつくしで、、、
一番怖かったのは、はんだごてをスポンジできれいにしようとしたら顔にハンダが飛んできたことですね笑。やけどはしましたが目じゃなくてよかったです。保護メガネ必須ですね
次回の記事は、手本ではなく初心者の悪戦苦闘だと思ってください笑
