スイッチング電源の効率を最適化できますか？もちろんです。PCBホットループのESRとESLを最小化することは、効率を最適化するための重要な方法です。PCBホットループの改善で、電力効率を大幅に改善し、リンギング電圧を低減し、電磁干渉（EMI）を低減することができます。
ホットループとPCBレイアウトの寄生パラメータ
スイッチングレギュレータでは通常、電流は比較的大きく、急速に切り替わります。このため、ある種の寄生トレースインダクタンスにオフセット電圧が生じます。また、電流は隣接する回路部品に容量結合し、電源のノイズ輻射を増加させます。
スイッチングレギュレータのホットループは、急速にスイッチングする電流を含み、高周波コンデンサと隣接するパワーFETによって形成されるクリティカルな高周波電流ループとして定義されます。設計が不十分なホットループのレイアウトでは、ESL、ESR、および等価並列キャパシタンス（EPC）などのPCBの寄生パラメータが大きくなり、スイッチングレギュレータの効率、スイッチング性能、およびEMI性能に大きな影響を及ぼします。
図1. ホットループのESRとESLを持つ降圧コンバータ（出典： Analog Devices）
降圧型DC-DCコンバータの例 LTM4638
図1は、同期降圧型DC/DCコンバータの回路図です。
ホットループは、MOSFETのM1とM2、およびデカップリングコンデンサCINによって形成されます。M1とM2のスイッチング動作は、高周波のdi/dtとdv/dtノイズの原因となります。CINは高周波ノイズ成分をバイパスする低インピーダンスの経路を提供します。しかし、寄生インピーダンス（ESR、ESL）が部品パッケージ内やPCBホットループのトレース上に存在します。
ホットループのESRとESLを正確に抽出することは、スイッチング性能の予測とホットループの設計の改善に役立ちます。PCB寄生パラメータを抽出するツールには、Ansys Q3D、FastHenry/FastCap、StarRCなどがあります。Ansys Q3Dのような市販ツールは正確なシミュレーションが可能ですが、通常は高価です。FastHenry/FastCapは、部分要素等価回路法（PEEC）の数値モデリングに基づく無償ツールで、追加のコーディングが必要ですが、プログラミングにより柔軟なシミュレーションを行い、さまざまなレイアウト設計を検討することができます。
PCBホットループのESRとESLとデカップリングコンデンサの位置関係
LTM4638は、6.25mm × 6.25mm × 5.02mmの小型BGAパッケージに20VIN、15Aの降圧コンバータを集積したモジュールで、高い電力密度、高速過渡応答、高効率を実現します。このモジュールには高周波セラミックコンデンサCinが内蔵されていますが、基板上のさまざまな位置に外付けでCinに並列に実装できるため、ホットループ用に3種類の構成が可能です。
最初のものは垂直ホットループ1（図2）で、CIN1はμModuleレギュレータのすぐ下の最下層に配置されています。μModuleのVINピンとGNDのBGAピンは、ビアを介してCIN1に直接接続されています。これらの接続は、デモボード上で最短のホットループ経路を提供します。
2番目のホットループは垂直ホットループ2（図3）で、CIN2が最下層に配置されていることに変わりはありませんが、μModuleレギュレータの側面領域に移動しています。その結果、ホットループに余分なPCBトレースが追加され、垂直ホットループ1と比較してより大きなESLとESRが予想されます。
3番目のホットループのオプションは水平ホットループで（図4）、CIN3は最上層のμModuleレギュレータに近い位置に配置されます。μModuleのVINピンとGNDピンは、ビアを介さずに最上層の銅箔を介してCIN3に接続されます。そのため、ループインピーダンスは縦型ホットループ1よりも高くなります。
異なるホットループにおけるESRとESLを実験的に検証するため、12Vから1Vの電流連続（CCM）動作におけるデモボードの効率とVINのACリップルをテストしました。理論的には、ESRが低いほど効率が高くなり、ESLが小さいほどVSWのリンギング周波数が高くなり、VINリップルの振幅が小さくなります。図5aに効率の測定値を示します。
縦型ホットループ1の効率が最も高く、これはESRが最も小さいことに対応します。水平ホットループと垂直ホットループ1の損失差も、抽出されたESRに基づいて計算されており、図5bに示すように試験結果と一致しています。図5cにはCINに現れるVINのHFリップル波形が示されています。横型ホットループはVINリップルの振幅が大きく、リンギング周波数が低いため、縦型ホットループ1に比べてループESLが高いことが検証されました。また、ホットループのESRが高いため、水平ホットループのVINリップルは垂直ホットループ1よりも早く減衰します。さらに、VINリップルが小さいほどEMIが減少し、EMIフィルタのサイズを小さくすることができます。
PCBホットループのESRとESL対MOSFETのサイズと位置の関係
ディスクリート設計の場合、パワーFETの配置とパッケージサイズも、ホットループのESRとESLに大きな影響を与えます。ケース（a）～（c）は、5mm × 6mmのMOSFETを使用した一般的なパワーFETの配置を3つ示しています。ホットループの物理的な長さが寄生インピーダンスを決定します。したがって、ケース（b）の90˚配置とケース（c）の180˚のデバイス配置では、ケース（a）の配置に比べてループ経路が短いため、ESRが60%低減し、ESLが80%低減します。90˚回転の配置が有効であることから、ループESRとESLをさらに低減するために、ケース（b）をベースにさらにいくつかのケースを検討しました。
図6. PCBのホットループモデル：（a）5mm × 6mm MOSFETストレートに配置；（b） 5mm × 6mm MOSFET 90˚ に配置；（c）5mm × 6mm MOSFET 180˚に配置
ケース（d）では、5mm × 6mmのMOSFETを3.3mm × 3.3mmのMOSFETの2個並列に置き換えています。MOSFETのフットプリントが小さくなったため、ループ長はさらに短くなり、ループインピーダンスは7%低下しました。ケース（e）では、グランド層をホットループ層の下に配置した場合、ホットループのESRとESLはケース（d）に比べてさらに2%減少します。これは、グランド層で渦電流が発生し、逆方向の磁界が誘起され、ループインピーダンスが等価的に低下するためです。ケース（f）では、もう1つのホットループがボトム層に構成されています。2つの並列MOSFETをトップ層とボトム層に対称に配置し、ビアを介して接続した場合、並列インピーダンスのため、PCBのホットループのESRとESLの低減はより顕著になります。したがって、トップ層とボトム層に対称で且つ90˚配置と180˚配置したより小さなデバイスを配置することで、PCBのESRとESLを最小化することができます。
図6（d）3.3mm × 3.3mmのMOSFETを2組並列接続し90°に配置した場合、（e）3.3mm × 3.3mmのMOSFETを 2組並列接続し90°で配置し、グランド層を設けた場合、（f）3.3mm × 3.3mmのMOSFETの2組をトップ層とボトム層に対称接続して90°で配置した場合
図7. （a）MOSFETをストレートに配置したLT8390/DC2825Aのホットループ、（b）MOSFETを90°配置したLT8392/DC2626Aのホットループ、（ｃ）M1ターンオン時のVINリップル波形
図8. （a）CINとM2の近くに5本のGNDビアを配置したPCBのホットループモデル、（b）CINとM2の間に14本のGNDビアを配置したPCBのホットループモデル、（ｃ）（ｂ）をベースにしてGND上に6本のビアを追加配置したPCBのホットループモデル、（ｄ）（ｃ）をベースにしてGNDエリアに9本のビアを追加配置したPCBのホットループモデル
PCBのホットループのESRとESL対ビアの配置の関係
PCBのホットループのESRとESL対ビアの配置についてです。ホットループ内のビア配置も、ループESR と ESLに重大な影響を与えます。図8に示すように、2層PCB構造でパワーFETをストレートに配置したホットループをモデル化しています。FETは1層目に配置され、2層目はグランドプレーンです。CINのGNDパッドとM2ソースパッド間の寄生インピーダンスZ2はホットループの一部であり、例として検討しています。Z2はFastHenryで解析したものです。表3は、ビアの配置を変えた場合のESR2とESL2のシミュレーション結果をまとめたものです。
一般に、ビアを増やすとPCBの寄生インピーダンスは低下します。しかし、ESR2とESL2の減少は、ビアの数に直線的に比例するわけではありません。端子パッドに近いビアは、PCBのESRとESLを最も顕著に低減します。したがって、ホットループのレイアウト設計では、高周波のループインピーダンスを最小化するために、CINとMOSFETのパッドの近くにいくつかの重要なビアを配置する必要があります。
まとめ
ホットループの寄生パラメータを低減することで、電力効率の向上、リンギング電圧の低減、EMIの低減が可能になります。PCB寄生パラメータを最小化するために、デカップリングコンデンサの位置、MOSFET のサイズと位置、およびビアの配置を変えたホットループのレイアウト設計を 検討し、比較しました。より短いホットループ経路、より小さなサイズのMOSFET、対称的な90°形状および180°形状のMOSFETの配置、および主要部品に近いビアは、PCBのホットループのESRとESLを最小化するのに貢献します。