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DC-DC｜설계편
입력 콘덴서와 다이오드의 배치
2020.02.05
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.
이제부터는 구체적인 부품의 배치에 대해 설명하겠습니다. 먼저 하기 3번째 항목인 「입력 콘덴서와 다이오드의 배치」입니다.
입력 콘덴서와 다이오드의 배치
이제부터 다루고자 하는 기판 레이아웃은 전류 경로 설명에서 사용한 우측 회로도를 바탕으로 설명하겠습니다. 이 회로를 염두에 두고, 기판 레이아웃 그림을 봐 주십시오.
우선 먼저, 가장 중요한 부품으로서 입력 콘덴서와 다이오드를 배치합니다.
지난 「DC-DC 컨버터의 기판 레이아웃 개요」 편에서 설명한 「PCB 레이아웃의 포인트」에서는 입력 콘덴서와 다이오드를 IC 단자와 동일한 면에, 가능한 IC에 가깝게 배치한다고 했습니다. 이는 단적이기는 하지만 매우 중요한 포인트이므로, 항상 염두에 두어야 합니다.
입력 콘덴서는 전류 용량이 작은 전원 (IO≤1A)일 경우에는 용량치도 작아지므로, 세라믹 콘덴서 1개로 CIN과 CBYPASS를 겸하는 경우가 있습니다. 이는 세라믹 콘덴서의 경우 용량치가 작아짐에 따라 주파수 특성이 우수해지기 때문입니다. 단, 세라믹 콘덴서에 따라 주파수 특성이 달라지므로, 실제로 사용하는 부품의 주파수 특성을 확인해 두어야 합니다.
CIN에 사용하는 대용량 콘덴서의 경우, 하기와 같이 일반적으로는 주파수 특성이 특별하게 우수한 제품이 아니므로, CIN에 병렬로 주파수 특성이 우수한 고주파용 디커플링 콘덴서 CBYPASS를 배치할 필요가 있습니다.
CBYPASS에는 표면 실장 타입의 적층 세라믹 콘덴서를 사용하여 주십시오.
Figure 2. 세라믹 콘덴서의 주파수 특성
Figure 3-a. 바람직한 입력 콘덴서의 배치
그럼, 실제의 레이아웃을 참고로, 바람직한 예와 그렇지 못한 예를 들어 설명하겠습니다.
Figure 3-a는 바람직한 입력 콘덴서의 레이아웃 예입니다.
CBYPASS를 IC 단자와 동일한 면에서 가깝게 배치하였습니다.
반면에, Figure 3-b는 타협점을 선택한 예입니다.
CBYPASS가 펄스 상태의 전류 대부분을 공급하므로, 대용량 콘덴서 CIN은 Figure 3-b와 같이 2cm 정도 거리를 두어도 문제는 발생하지 않을 것이지만, 서두에 기재한 바와 같이 「가능한 IC에 가깝게 배치」하여 주십시오.
Figure 3-b. CBYPASS가 IC와 동일한 면에서 가깝게 배치되어 있는 경우,
CIN은 2cm 정도 거리를 두어도 문제없다.
Figure 3-c. CIN을 이면에 배치한 경우,
리플 전압의 증가가 우려된다.
스페이스의 문제로, IC와 동일한 면에 CIN을 배치할 수 없는 경우에는, CBYPASS가 바르게 배치되어 있다는 조건 하에, Figure3-c와 같이 비아 (Via)를 통해 이면에 배치할 수 있습니다.
단, 이러한 경우 노이즈에 관한 리스크는 회피할 수 있겠지만, 비아 저항의 영향으로 인해 대전류 시에 리플 전압이 증가할 가능성이 있으므로, 실제 상태에서의 확인이 필요합니다.
Figure 3-d. 허용할 수 없는 입력 콘덴서의
배치 – 비아 인덕턴스로 인해 노이즈가 증가
Figure 3-d는 CBYPASS와 CIN을 이면에 배치한 레이아웃입니다.
이러한 레이아웃은 비아의 인덕턴스 성분으로 인해 전압 노이즈가 증가하므로, 절대 이러한 레이아웃을 해서는 안됩니다.
Figure 3-e. 바람직한 프리휠 다이오드의 배치
Figure 3-e는 CBYPASS, CIN 및 다이오드 D1의 바람직한 레이아웃입니다.
CBYPASS는 IC의 VIN 단자 및 GND 단자에 가깝게 배치하는 것이 중요합니다.
단, 강압 컨버터의 경우 CBYPASS를 IC에 가깝게 배치해도, CIN의 그라운드에 수백 MHz의 고주파가 존재합니다. 따라서, CIN의 그라운드와 출력 콘덴서 CO의 그라운드는 1cm~2cm 정도 거리를 두고 배치할 것을 권장합니다.
다이오드 D1도 IC 단자와 동일한 면에서 가깝게 배치합니다. 다이오드는 폭넓은 배선을 사용하여 가장 짧게, IC의 스위칭 단자와 GND 단자에 직접 접속할 필요가 있습니다.
비아를 통해 이면에 배치하면, 비아의 인덕턴스로 인해 노이즈가 증가하므로, 절대 비아를 통해서는 안됩니다.
Figure 3-f. 바람직하지 않은 다이오드의 레이아웃
Figure 3-f는 바람직하지 않은 다이오드의 레이아웃 예입니다.
CBYPASS와 IC의 VIN 단자 및 GND 단자와의 거리가 떨어져 있으므로, 배선 인덕턴스로 인해 전압 노이즈 / 링잉이 발생합니다.
다이오드와, IC의 스위칭 단자 및 GND 단자와의 거리가 떨어져 있으므로, 배선 인덕턴스가 증가하여 스파이크 노이즈가 커집니다.
CBYPASS의 배치가 부적절한 경우, 즉 가깝게 배치되어 있지 않은 경우는, 배선 길이 및 비아로 인해 기생 인덕턴스가 증가하고, 스위칭에 따라 큰 링잉이 발생합니다.
또한, 입력 콘덴서까지의 루프가 안테나 역할을 하여, 주변으로 노이즈가 방사됩니다.
하기 파형은 CBYPASS를, 2mm 간격을 두고 배치한 경우와 10mm 간격을 두고 배치한 경우의 파형입니다. 링잉이 커지는 것을 분명하게 알 수 있습니다.
레이아웃의 영향은, 어떻게 배치했느냐에 따라 그대로 결과로 이어지게 됩니다. 실제로 레이아웃 작성 시에는 타협할 수 밖에 없는 경우가 있을 것입니다. 그러나, 타협점을 최저한으로 억제하여, 어디까지나 이상적인 레이아웃을 목표로 하여 주십시오.
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