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2020.05.27 DC/DC

정리

DC/DC 컨버터의 기판 레이아웃

DC/DC 컨버터 : 설계편 「DC/DC 컨버터의 기판 레이아웃」에서는 하기 항목에 대해 설명했습니다. 이제 마지막으로 각 항목의 키 포인트를 정리하겠습니다.

먼저, 「PCB 레이아웃의 포인트」로서, 전체적인 요점에 대해 정리하겠습니다.

PCB 레이아웃의 포인트 (전체)

  • 입력 콘덴서와 다이오드를 IC 단자와 동일한 면에, 가능한 IC에 가깝게 배치한다.
  • 필요에 따라 서멀 비아를 배치한다.
  • 인덕터는 스위칭 노드로부터의 복사 노이즈를 최소한으로 억제하기 위해, 입력 콘덴서만큼은 아니더라도 IC에 가깝게 배치한다.
  • 동박 패턴 면적을 필요 이상으로 넓게 하지 않는다.
  • 출력 콘덴서를 인덕터에 가깝게 배치한다.
  • 귀환 경로는 인덕터 및 다이오드 등의 노이즈원으로부터 거리를 두고 배선한다.
  • 코너 배선은 둥글게 만든다.
  1. 강압 컨버터 동작 시의 전류 경로

    키 포인트

    ・기판 레이아웃 (설계)에 있어서, 강압 컨버터의 전류 경로를 이해하는 것은 중요하다.

    ・스위칭 레귤레이터의 스위칭 동작으로 인한 전류의 급격한 ON / OFF는, 적절한 레이아웃을 통해 대처하지 않으면 회로 동작 및 기타 부분에 있어서 악영향을 초래하게 된다.

  2. 스위칭 노드의 링잉 (ringing)

    키 포인트

    ・실제의 프린트 기판에는, 회로도에 나타나지 않는 기생 용량 및 인덕턴스가 존재한다.

    ・기생 성분으로 인해, 링잉 등 문제의 원인이 되는 현상이 발생한다.

    ・기판 레이아웃에서는 이러한 부분을 염두에 두고, 최적의 레이아웃을 작성한다.

  3. 입력 콘덴서와 다이오드의 배치

    키 포인트

    ・먼저 입력 콘덴서와 다이오드의 배치부터 시작한다.

    ・입력 콘덴서와 다이오드를 IC 단자와 동일한 면에, 가능한 IC에 가깝게 배치하는 것이 철칙이다.

    ・기생 인덕턴스는 노이즈의 원인이 되므로, 비아 (Via)의 사용은 충분히 검토한다. 전류가 스위칭하는 부분은 특히 주의해야 한다.

  4. 서멀 비아 (Thermal via)의 배치

    키 포인트

    ・서멀 비아는 기판을 관통하는 통로 (hole)를 통해 반대면으로도 열을 전달하여 방열시키는 방법이다.

    ・서멀 비아는 발열체의 바로 아래에 배치하거나, 되도록 가깝게 배치한다.

  5. 인덕터의 배치

    키 포인트

    ・인덕터는 가능한 IC에 가깝게 배치한다.

    ・동박 면적을 필요 이상으로 넓게 배치하지 않는다.

    ・인덕터 바로 밑에 GND 층을 배치해서는 안된다. 신호선의 배치도 최대한 피한다.

    ・인덕터 단자의 배선을 너무 가깝게 배치하지 않는다.

  6. 출력 콘덴서의 배치

    키 포인트

    ・출력 콘덴서는 가능한 인덕터에 가깝게 배치한다.

    ・고주파 노이즈의 전도를 저감하기 위해, CIN의 GND와 CO의 GND는 1~2cm 거리를 두고 배치한다.

  7. 귀환 경로의 배선

    키 포인트

    ・출력으로부터의 귀환 신호 라인은 스위칭 노드로부터 거리를 두고 배치한다. 노이즈의 영향을 받게 되면 오차나 오동작이 발생한다.

    ・비아를 통해 기판 이면에 배선하는 방법도 있다.

  8. 그라운드

    키 포인트

    ・AGND와 PGND는 분리해야 하며, PGND는 분리하지 말고 Top Layer에 레이아웃하는 것이 기본이다.

    ・PGND를 분리하여 비아를 통해 이면으로 접속하면, 비아의 저항 및 인덕터의 영향으로 인해 손실 및 노이즈가 악화된다.

    ・커먼 그라운드나 신호 그라운드와 PGND의 접속은 스위칭 노이즈가 적은 출력 콘덴서 부근의 PGND에서 실시한다.

  9. 동박의 저항과 인덕턴스

    키 포인트

    ・기판의 기본 구조를 알아 둔다.

    ・동박의 저항은 전압 강하로 나타나며, 온도 의존성이 있다.

    ・동박의 인덕턴스는, 경우에 따라 고전압을 발생시키므로 주의가 필요하다.

    ・인덕턴스 저감을 위해서는 배선을 짧게 하는 방법이 유효하다.

  10. 노이즈 대책 : 코너 배선, 전도성 노이즈, 방사 노이즈

    키 포인트

    ・코너 배선은 원호와 같은 형태로 하여, 배선 임피던스의 변화를 저감함으로써 노이즈가 발생하지 않도록 한다.

    ・노이즈 단자 전압 (전도성 에미션) 대책으로는, 노이즈 주파수에 따라 비즈 및 π형 필터를 사용한다.

    ・노이즈 전계 강도 (방사 노이즈)는 입력 콘덴서 배치의 최적화와 스위칭 파형을 완만하게 하여 조정한다.

  11. 노이즈 대책 : 스너버 회로, Bootstrap 저항, 게이트 저항

    키 포인트

    ・스너버는 스위칭의 링잉을 저감할 수 있지만, 효과와 손실은 트레이드 오프 관계에 있다.

    ・Bootstrap에 저항을 추가하면 Turn-on 노이즈를 저감할 수 있지만, MOSFET의 스위칭 손실이 증가한다.

    ・게이트에 저항을 삽입하면 Turn-on / Turn-off 노이즈를 모두 저감할 수 있지만, MOSFET의 손실이 증가한다. 또한, MOSFET 내장 타입의 IC에는 저항을 삽입할 수 없다.

이것으로 「DC/DC 컨버터의 기판 레이아웃」에 대한 설명을 마치겠습니다.

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