技術記事
スイッチング電源の基板レイアウトの黄金律
Frederik Dostal氏；ADIのパワーマネジメント・エキスパート
スイッチング電源の設計で重要となる、最適な基板レイアウトを実現するための基礎について解説します。良いレイアウトは、スイッチングレギュレータの安定した機能を保証し、放射妨害や伝導電磁妨害（EMI）を最小にします。このことは、電子機器設計者の間では広く知られていることです。しかし、一般に知られていないのは、スイッチング電源に最適化された基板レイアウトがどのようなものであるべきかということです。
図1．スイッチングレギュレータLT8640Sの基板は部品間隔が狭く、コンパクトな基板レイアウトとなっています。
図1にLT8640Sを搭載した評価基板DC2530Aの回路を示します。
最大42Vの入力電圧に対応し、最大6Aの出力電流に対応する降圧型（バック）スイッチングレギュレータです。
すべての部品を非常にコンパクトに配置しています。
基板上に部品をできるだけ近づけて配置することは、一般的に推奨されていることです。この言葉は間違いではありませんが、最適な基板レイアウトを得ることが目的であれば、特に適しているとは言えません。図1において、スイッチングレギュレータICの周囲にはかなりの数（11個）の受動部品があります。
これらの受動部品のうち、どの部品が優先的に配置されるのでしょうか？そして、その理由は何でしょうか？
スイッチングレギュレータのPCB設計では、スイッチングされた大電流を流すトレースをできるだけ短く配線することが最も重要なルールとなります。このルールどおりうまく実装できれば、スイッチングレギュレータの基板レイアウトの大部分は適切に対処できるようになります。
図2．降圧型スイッチングレギュレータの回路図と、赤色で示した電流が急激に変化するパス
この黄金律を基板レイアウトに反映させる最も簡単な方法は何でしょうか？
最初のステップは、スイッチングレギュレータトポロジのどのパスがクリティカルかを見つけることです。これらのパスでは、スイッチの遷移に伴って電流の流れが変化します。
図2に降圧型コンバータ（降圧トポロジ）の代表的な回路を示します。
クリティカルパスは赤色で表示されています。パワースイッチの状態によって、全電流が流れたり、電流が流れなくなる経路を示しています。
これらのパスはできるだけ短く配線してください。降圧型コンバータの場合、入力コンデンサはスイッチングレギュレータICのVIN端子とGND端子のできるだけ近くに配置する必要があります。
図3．昇圧型スイッチングレギュレータの回路図と、赤色で示した電流が急激に変化するパス
図3は、昇圧トポロジを持つ回路の基本回路図です。ここでは、低電圧を高電圧に変換しています。ここでも、パワースイッチの切り替えによって電流の流れが変化する電流パスを赤で示しました。興味深いのは、入力コンデンサの配置が全く重要でないことです。
最も重要なのは、出力コンデンサの配置です。フライバックダイオード（またはハイサイドスイッチ）およびローサイドスイッチのグランド接続にできるだけ近づけなければなりません。
この後は、他のどんなスイッチングレギュレータのトポロジであっても、パワースイッチを切り替えたときに電流の流れがどのように変化するかを検討し、情報を得ることができます。
古典的な方法は、回路をプリントアウトし、3色のペンを使って電流の流れを描くというものです。1色でオン時、つまりパワースイッチが電流を流しているときの電流を示します。
2色目はオフ時、つまりパワースイッチがオフのときの電流の流れを示しています。そして最後に、3番目の色は、1番目の色のみ、または2番目の色のみでマークされたすべてのパスに使用されます。これにより、パワースイッチの切り替えによって電流の流れが変化するクリティカルパスを明確に特定することができます。
経験の浅い回路設計者は、スイッチングレギュレータの基板レイアウトを魔術のように考えてしまうことがあります。最も重要なルールは、スイッチの遷移によって電流の流れが変化するトレースを、できるだけ短くコンパクトに設計することです。これは簡単に説明でき、論理的であり、スイッチング電源の設計において最適な基板レイアウトの基礎となるものです。
著者紹介
Frederik Dostalは、この業界で20年以上の経験を持つパワーマネージメントの専門家です。ドイツのErlangen大学でマイクロエレクトロニクスを学んだ後、2001年にNational Semiconductorに入社し、フィールドアプリケーションエンジニアとして、顧客プロジェクトにおけるパワーマネージメントソリューションの実装で多くの経験を積みました。また、National Semiconductorに在籍していたうちの4年間は、アリゾナ州フェニックス（米国）で、アプリケーションエンジニアとしてスイッチング電源の開発に携わりました。2009年にAnalog Devicesに入社し、以来、製品ラインやヨーロッパのテクニカルサポートを担当する様々なポジションを経験し、現在はパワーマネジメントのエキスパートとして幅広い設計とアプリケーションの知識を活かしています。Frederikは、現在ドイツ・ミュンヘンのADI（Analog Devices International）オフィスに勤務しています。
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