AC-DC｜설계편

기판 레이아웃 예

2020.05.13

키 포인트

・스위칭 전원 설계에서는 기판 레이아웃이 전원 성능 및 EMC에 크게 영향을 미친다.

・기본적으로 대전류가 흐르는 라인은 두껍고 짧게, 루프는 작게 한다.

・제어 신호 라인은, 노이즈가 많은 라인과는 별도로 분리하고, 트랜스 바로 밑에도 배선해서는 안된다.

회로 도면이 완성되면, 실장 기판의 레이아웃을 실시합니다. 본 편에서는 기판 레이아웃의 예를 들어, 레이아웃의 원칙 및 포인트에 대해 설명하겠습니다.

기판 레이아웃의 포인트

스위칭 전원은 스위치의 ON / OFF를 통해 전압을 제어하지만, 순전히 아날로그 회로입니다. 극단적으로 표현하자면, 자체적으로 고주파 노이즈를 발생시키지만, 귀환 루프가 있기 때문에 노이즈에 민감합니다. 즉, 스위칭 전원 회로의 경로에는, 대전류가 ON / OFF하여 노이즈를 발생시키는 경로와, 노이즈에 민감한 제어 신호 경로가 있다는 점을 고려해야 합니다. 기판 배선 레이아웃은, 대전류 경로의 경우 되도록 노이즈를 발생시키지 않도록 하며, 제어 신호 경로의 경우 되도록 노이즈의 영향을 받지 않도록 해야 합니다. 물론 노이즈는 방사 노이즈로서 EMC에도 영향을 미치므로, 가능한 노이즈를 발생시키지 않도록 레이아웃하는 것이 중요합니다.

바람직한 레이아웃을 위해서는 상당한 경험이 필요합니다. 적절하지 못한 레이아웃으로 인해, 전원이 정상적으로 동작하지 않거나 시스템 전체의 S/N 비를 악화시키거나, 최악의 경우 구성 부품이나 전원 IC가 파괴되는 경우도 있습니다. 경험치가 매우 중요한 작업이기는 하지만, 대부분의 경우 전원 IC의 데이터 시트나 보충 자료를 통해 기본적인 기판 배선 레이아웃이 제공됩니다. 경우에 따라서는 Gerber File과 같이, 그대로 이용 가능한 데이터가 제공되기도 합니다.

이러한 제공 자료는 경험이 풍부한 엔지니어가 작성한 베스트 사례이므로 적극 활용하는 것이 좋습니다.

하기는 기판 레이아웃의 일례와 주의점에 대한 설명입니다.

15A_graf

상기 그림은 일부 간략화한 회로 도면에 대전류 경로와 제어 신호 경로를 표시한 것입니다.

  1. 1.적색 라인은 대전류 경로이며, 링잉이나 손실의 발생 요인이 되므로, 가능한 굵고 짧게 배선한다.
  2. 2.적색 라인의 루프는 가능한 작아지도록 한다.
  3. 3.2차측의 주황색 라인도 적색 라인과 마찬가지로 굵고 짧게 배선하고, 루프가 작아지도록 한다.
  4. 4.갈색 라인은 VCC 단자에 흐르는 전류의 경로이며, 스위칭 시에 전류가 흐르므로 별도로 배선한다.
  5. 5.트랜스의 바로 밑은 자속의 영향을 받으므로, IC의 제어 신호 라인을 배선해서는 안된다.
  6. 6.적색 라인, 갈색 라인, 청색 라인, 녹색 라인의 GND는 1포인트 접지가 바람직하다.
  7. 7.녹색 라인은 2차측의 서지를 1차측으로 방출하는 경로가 되며, 순간적으로 큰 전류가 흐르므로, 적색 라인이나 청색 라인과는 별도로 배선한다.
  8. 8.청색 라인은 IC 제어 신호용 GND 라인이므로 대전류는 흐르지 않지만, 노이즈의 영향을 받기 쉬우므로, 적색 라인, 녹색 라인, 갈색 라인과는 별도로 배선한다.

하기는 이러한 주의 사항을 고려한 기판 레이아웃의 예입니다. 상기 그림의 적색, 주황색, 갈색 루프를 나타내고 있습니다.

15A_graf02

하기 사진은 실장 후의 이미지입니다. 상기 회로와는 약간 다르지만, 동일한 전원 IC를 사용하였으며 부품 구성도 거의 동일합니다. 도면과 실제 기판이 어떤 이미지인지 이해할 수 있을 것입니다.

15A_graf03

실제 설계 시에는, 이용 가능한 기판의 종횡 치수 등 물리적, 기계적인 이유로 인해 이상적인 레이이웃이 불가능한 경우가 있습니다. 이러한 경우, 앞서 설명한 바와 같이 전원으로서의 성능뿐만 아니라, 시스템 전체에 악영향을 미칠 가능성이 있습니다. 또한, 프로토타입 기판이라고 해도 대폭적인 수정은 다시 작업하는 것과 마찬가지이므로, 가능한 처음부터 최선을 다하는 것이 나중에 시간과 비용을 절약할 수 있는 방법입니다.

전원 설계는, 대략적인 시스템 사양이 결정된 후, 프로젝트 후반에 들어서서 시작하는 경우가 적지 않습니다. 적절하게 조정하여 완성도가 높게 설계하는 것이 중요합니다.

【자료 다운로드】 PWM 방식 플라이백 컨버터 설계 방법

실제 전원용 IC를 예로 들어 설계 방법에 대해 정리한 자료입니다. 전원 사양의 결정에서 전원 IC의 선택, 레이아웃 설계에 관한 내용 이외에도, 일반적으로 자세한 설명이 제공되지 않는 트랜스의 수치 산출 방법과 구조 설계의 구체적인 예도 게재되어 있습니다.

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