プリント基板設計法およびプリント基板
【課題】スイッチング電源を実装するプリント基板において、部品点数を増加させることなくリンギングノイズを低減させる。
【解決手段】スイッチング電源のリンギングノイズが伝達するループ１を決定し、そのループ１の中で、寄生インダクタンスおよび寄生キャパシタンスを大きくできるプリントパターンｐ１０を決定し、そのラインインダクタンスを調整する。そのときのリンギングノイズの周波数はそのループ１の固有周波数から求める。部品点数を増やすことなくプリントパターンｐ１０のラインインダクタンスを大きくするよう調節するだけで、リンギングノイズの周波数を低減できるので、高周波リンギングが抑制されたプリント基板および安価なスイッチング電源を構成できる。
【解決手段】スイッチング電源のリンギングノイズが伝達するループ１を決定し、そのループ１の中で、寄生インダクタンスおよび寄生キャパシタンスを大きくできるプリントパターンｐ１０を決定し、そのラインインダクタンスを調整する。そのときのリンギングノイズの周波数はそのループ１の固有周波数から求める。部品点数を増やすことなくプリントパターンｐ１０のラインインダクタンスを大きくするよう調節するだけで、リンギングノイズの周波数を低減できるので、高周波リンギングが抑制されたプリント基板および安価なスイッチング電源を構成できる。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スイッチング電源を実装するプリント基板設計法およびプリント基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
スイッチング電源は、直流電圧を高周波スイッチングして整流することにより所望の直流電圧を得る構造であるため、原理的にスイッチング時のノイズが発生する。そのため、スイッチング電源には、そのようなノイズを抑制するための回路を備えている。
【０００３】
図１０は従来のノイズ抑制方法を例示したスイッチング電源の第１の回路図、図１１は従来のノイズ抑制方法を例示したスイッチング電源の第２の回路図である。
【０００４】
これらのスイッチング電源において、入力電圧ＶＩＮを受けるコンバータ入力に入力コンデンサＣｉｎが並列に接続され、この入力コンデンサＣｉｎには主スイッチＱ１および同期整流スイッチＱ２の直列回路が並列に接続されている。主スイッチＱ１と同期整流スイッチＱ２との接続点にはチョークコイルＣＨを介して出力コンデンサＣｏｕｔが接続されている。チョークコイルＣＨと出力コンデンサＣｏｕｔとの接続点は、図１０の回路では、フィルタＦを介して負荷抵抗Ｒに接続され、図１１の回路では、低ドロップアウトレギュレータＬＤＯを介して負荷抵抗Ｒに接続されている。
【０００５】
これらのスイッチング電源の回路は、主スイッチＱ１および同期整流スイッチＱ２がスイッチング動作することにより出力コンデンサＣｏｕｔの両端に入力電圧ＶＩＮより低い直流電圧を出力する降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータを構成している。
【０００６】
以上の構成のスイッチング電源は、主スイッチＱ１および同期整流スイッチＱ２のオン／オフ動作に起因するリンギングノイズが出力コンデンサＣｏｕｔの両端に生じるので、図１０の回路では、受動素子を用いたフィルタＦによってスイッチング電源の出力ノイズの負荷への伝達を回避し、図１１の回路では、低ドロップアウトレギュレータＬＤＯを用いて整流することによりスイッチング電源の出力ノイズの負荷への伝達を回避している。
【０００７】
また、リンギングノイズをプリント基板の材料で低減させる技術も知られている（たとえば、特許文献１参照。）。この技術は、プリント基板の材料に関し誘電損失が大きいもの、すなわち基板に関するインピーダンスのうち抵抗成分が大きいものを用い、わざと伝送損失を大きくして高周波成分を減衰させて波形をなまらせ、リンギングノイズを低減させるようにしている。
【０００８】
【特許文献１】
特開平６−１７７６１２号公報（段落番号〔００２１〕〜〔００３２〕，図４）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、出力コンデンサの両端に生じるリンギングノイズはその周波数が１００ＭＨｚ〜数１００ＭＨｚであり、この周波数帯域のノイズを低減するには、受動素子を用いたフィルタでは、その素子の寄生インピーダンスの影響によりフィルタの効果が低減する。また、低ドロップアウトレギュレータを用いた場合では、一般に低ドロップアウトレギュレータのフィルタ効果は、最大数ＭＨｚ程度であり、リンギングノイズの低減には効果がない。しかも、出力ノイズの低減のためにフィルタや低ドロップアウトレギュレータを用いることは、スイッチング電源回路以外の部品点数が増加することになり、外付け部品を増加させないためには、スイッチング電源のグランドを理想グランドにすることが望ましいが、これは高周波になるに従い困難となる。
【００１０】
また、誘電損失が大きい材料のプリント基板を使用してリンギングノイズを低減させる方法は、伝送損失を大きくして高周波を減衰させて波形をなまらせる方式であるので、高周波化とは逆行し、速い応答が欲しいライン信号までなまってしまい、さらには、プリント基板の材料が限定されてしまうという問題点があった。
【００１１】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、部品点数を増加させることなく、また、伝送損失を大きくすることなくリンギングノイズを低減させるようにしたプリント基板設計法およびプリント基板を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明では上記問題を解決するために、スイッチング電源を実装するプリント基板のプリント基板設計法において、前記スイッチング電源によって出力されるリンギングノイズの周波数を、前記リンギングノイズが伝達するループ内のプリントパターンのラインのインダクタンスおよび寄生キャパシタンスから算出したループの固有周波数から求める手法を用い、前記ラインのインダクタンスを調整することによって、前記リンギングノイズを所望の周波数に設定していくことを特徴とするプリント基板設計法が提供される。
【００１３】
このようなプリント基板設計法によれば、リンギングノイズが伝達するループ内のプリントパターンのラインのインダクタンスを、ループの固有周波数から求めたリンギングノイズの周波数を見ながら調節することにより、リンギングノイズが所望の周波数まで抑制されたプリント基板を設計することができる。このリンギングノイズの周波数は、プリントパターンのラインのインダクタンスの調整で行うため、部品点数を増やすことなくリンギングノイズを低減させることができる。
【００１４】
また、本発明では、スイッチング電源を実装するプリント基板において、前記スイッチング電源のグランド端子と出力コンデンサとを接続する配線パターンが、その寄生インダクタンスと寄生キャパシタンスとによりローパスフィルタを構成していることを特徴とするプリント基板が提供される。
【００１５】
このプリント基板によれば、配線パターンの寄生インダクタンスと寄生キャパシタンスとによりローパスフィルタを構成したので、ノイズ低減用の部品点数を設けることなくリンギングノイズを低減させることができ、安価なスイッチング電源を構成することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータに適用した場合を例にしてリンギングを低減するためのプリント基板設計について説明する。
【００１７】
図１はプリント基板の各部ラインを想定して示した降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータの主回路を示す図である。
降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータの主回路は、基本的に入力コンデンサＣｉｎと、主スイッチＱ１と、同期整流スイッチＱ２と、チョークコイルＣＨと、出力コンデンサＣｏｕｔと、負荷抵抗Ｒの要素で構成される。
【００１８】
ここで、コンバータ入力と入力コンデンサＣｉｎとの間のプリントパターンはｐ１で示し、入力コンデンサＣｉｎの配線パターンはｐ２およびｐ３で示している。主スイッチＱ１のソース端子と入力コンデンサＣｉｎ間のプリントパターンはｐ４で示し、主スイッチＱ１および同期整流スイッチＱ２の配線パターン、モールド内の配線およびボンディングワイヤを含む配線パターンはそれぞれｐ５，ｐ６，ｐ７で示している。チョークコイルＣＨの配線パターンはｐ８およびｐ９で示している。同期整流スイッチＱ２のソース端子と出力コンデンサＣｏｕｔとの間のプリントパターンはｐ１０、出力コンデンサＣｏｕｔの配線パターンはｐ１１およびｐ１２で示している。プリントパターンｐ１０および配線パターンｐ１２とべたグランドＧＮＤとの間のプリントパターンはｐ１３、負荷抵抗Ｒの配線パターンはｐ１４およびｐ１５で示している。
【００１９】
プリント基板の設計において、まず、図１の回路よりリンギングノイズを生じるループを決定する。ここで、リンギングノイズは出力コンデンサＣｏｕｔの両端で生じるため、この出力コンデンサＣｏｕｔを含むループを考える。バッテリなどの大容量素子、チョークコイルＣＨなどの高インダクタンス素子を含むループの固有周波数は低く、たとえばチョークコイルＣＨと出力コンデンサＣｏｕｔを含むループでは、仮にループ内の他の要素を無視すると、チョークコイルＣＨが１μＨ、出力コンデンサＣｏｕｔが１μＦの場合に、固有周波数ｆは、
【００２０】
【数１】
ｆ＝１／２π√（ＬＣ）＝１５９ｋＨｚ・・・（１）
であり、リンギングノイズのＭＨｚオーダーの周波数には至らない。よって、バッテリ、チョークコイルＣＨを含まないループを考える。
【００２１】
図２はリンギングノイズの通過するループを示す図である。
以上の説明により、図１の回路において、リンギングノイズが通過するループとして、チョークコイルＣＨを含まないループ１が決定され、このループ１がリンギングノイズに関与する最も重要なループとなる。
【００２２】
次に、このループ１の固有周波数の見積もりを行う。このループ１の固有周波数を低減したいノイズ周波数より低く設定することにより、固有周波数を超える周波数のリンギングを抑制することが可能となる。
【００２３】
図３は図１の回路の各部ラインをインダクタンスと想定した場合の回路を示す図である。
この図において、プリントパターンｐ１，ｐ４，ｐ１０およびｐ１３のインダクタンスをそれぞれＬ１，Ｌ４，Ｌ１０およびＬ１３で示し，配線パターンｐ２，ｐ３，ｐ５，ｐ６，ｐ７，ｐ８，ｐ９，ｐ１１，ｐ１２，ｐ１４およびｐ１５のインダクタンスをそれぞれＬ２，Ｌ３，Ｌ５，Ｌ６，Ｌ７，Ｌ８，Ｌ９，Ｌ１１，Ｌ１２，Ｌ１４およびＬ１５で示している。
【００２４】
ここで、主スイッチＱ１および同期整流スイッチＱ２は、いずれもオンの場合に短絡、オフの場合にコンデンサとみなすことができるので、主スイッチＱ１がオン、同期整流スイッチＱ２がオフの場合と、主スイッチＱ１がオフ、同期整流スイッチＱ２がオンの場合との等価回路を図４および図５に示す。
【００２５】
図４は主スイッチがオン、同期整流スイッチがオフの場合の等価回路図、図５は主スイッチがオフ、同期整流スイッチがオンの場合の等価回路図である。
ここでは、主スイッチＱ１、同期整流スイッチＱ２のオン抵抗を無視している。また、これらの等価回路において、オフ時における主スイッチＱ１の出力キャパシタンスをＣＤＳ１、同期整流スイッチＱ２の出力キャパシタンスをＣＤＳ２で示している。
【００２６】
この回路において、図２に示すループ１の固有周波数ｆは、
【００２７】
【数２】
ｆ＝１／２π√（ＬＣ）・・・（２）
で求められる。ここで、ループ１のインダクタンスＬは、
【００２８】
【数３】
Ｌ＝Ｌ２＋Ｌ３＋Ｌ４＋Ｌ５＋Ｌ７＋Ｌ１０＋Ｌ１１＋Ｌ１２＋Ｌ１４＋Ｌ１５・・・（３）
で求められ、キャパシタンスＣは、図４に示した主スイッチＱ１がオン、同期整流スイッチＱ２がオフの場合、
【００２９】
【数４】
【００３０】
で求められ、図５に示した主スイッチＱ１がオフ、同期整流スイッチＱ２がオンの場合には、
【００３１】
【数５】
【００３２】
で求められる。なお、式４および式５において、Ｃｉは入力コンデンサＣｉｎのキャパシタンス、Ｃｏは出力コンデンサＣｏｕｔのキャパシタンスである。
次に、プリントパターンのインダクタンスを決定する。上記の固有周波数ｆを低周波化するためには、式４および式５のＬ，Ｃを大きくすればよい。しかし、Ｃの値は、それを構成するキャパシタンスの内、最も小さいものによって制限される。通常、入力コンデンサＣｉｎのキャパシタンスＣｉおよび出力コンデンサＣｏｕｔのキャパシタンスＣｏは数μＦ以上、主スイッチＱ１および同期整流スイッチＱ２の出力キャパシタンスＣＤＳ１，ＣＤＳ２は数ｎＦ以下であり、したがって、Ｃは実質的に主スイッチＱ１または同期整流スイッチＱ２の出力キャパシタンスＣＤＳ１，ＣＤＳ２で決まり、入力コンデンサＣｉｎおよび出力コンデンサＣｏｕｔを大きくしても、Ｃを大きくすることは困難である。これに対し、Ｌは、プリントパターンのインダクタンスにより構成されており、プリントパターンの幅および長さにより容易に増加することが可能である。
【００３３】
ここで、リンギングノイズは、出力コンデンサＣｏｕｔに流れる電流をＩｃｏとすると、（Ｌ１１＋Ｌ１２）ｄＩｃｏ／ｄｔ［Ｖ］で表される。よって、出力コンデンサＣｏｕｔの配線パターンｐ１１，ｐ１２のインダクタンスＬ１１，Ｌ１２は大きくはできない。また、入力コンデンサＣｉｎに流れる電流をＩｃｉとすると、入力帰還ノイズとして（Ｌ２＋Ｌ３）ｄＩｃｉ／ｄｔ［Ｖ］のノイズが発生する。よって、入力コンデンサＣｉｎの配線パターンｐ２，ｐ３のインダクタンスＬ２，Ｌ３も大きくはできない。したがって、Ｌの設定は、プリントパターンｐ４，ｐ１０および配線パターンｐ５，ｐ７，ｐ１４，ｐ１５のインダクタンスＬ４，Ｌ１０，Ｌ５，Ｌ７，Ｌ１４，Ｌ１５で行うことになる。
【００３４】
図６はＬを調節することによるリンギング波形の比較を示す図である。
ここで、主スイッチＱ１がオン、同期整流スイッチＱ２がオフの場合、Ｃ＝３４ｐＦ、主スイッチＱ１がオフ、同期整流スイッチＱ２がオンの場合、Ｃ＝９１ｐＦ、ＤＣ／ＤＣコンバータの入力電圧ＶＩＮ＝４Ｖ、出力電圧＝２Ｖ、スイッチング周波数＝２ＭＨｚ、チョークコイルＣＨのインダクタンス＝１μＨ、Ｃｉ＝Ｃｏ＝１μＦとしている。
【００３５】
たとえば、プリントパターンｐ４，ｐ１０および配線パターンｐ５，ｐ７，ｐ１４，ｐ１５のインダクタンスＬ４，Ｌ１０，Ｌ５，Ｌ７，Ｌ１４，Ｌ１５を調整しないときのＬがＬ＝２５ｎＨである場合、上記計算では、主スイッチＱ１がオン、同期整流スイッチＱ２がオフの場合、ループ１の固有周波数ｆ＝１７３ＭＨｚであり、主スイッチＱ１がオフ、同期整流スイッチＱ２がオンの場合、ループ１の固有周波数ｆ＝１０６ＭＨｚである。
【００３６】
この条件での測定では、主スイッチＱ１がオン、同期整流スイッチＱ２がオフの場合、リンギングノイズの周波数ｆは約１７０ＭＨｚ、リンギングノイズの電圧幅Ｖｐｐは４０ｍＶであった。一方、主スイッチＱ１がオフ、同期整流スイッチＱ２がオンの場合には、リンギングノイズの周波数ｆは約１００ＭＨｚ、リンギングノイズの電圧幅Ｖｐｐは５０ｍＶであった。
【００３７】
ここで、９０ＭＨｚ以上のリンギングノイズを抑制するために、上記計算を用いて、Ｌ＝１００ｎＨに調整すると、主スイッチＱ１がオン、同期整流スイッチＱ２がオフの場合、ループ１の固有周波数ｆ＝８６ＭＨｚであり、主スイッチＱ１がオフ、同期整流スイッチＱ２がオンの場合、ループ１の固有周波数ｆ＝５３ＭＨｚである。
【００３８】
この条件による測定では、主スイッチＱ１がオン、同期整流スイッチＱ２がオフの場合、リンギングノイズの周波数ｆは約８０ＭＨｚ、リンギングノイズの電圧幅Ｖｐｐは２０ｍＶであった。一方、主スイッチＱ１がオフ、同期整流スイッチＱ２がオンの場合には、リンギングノイズの周波数ｆは約５０ＭＨｚ、リンギングノイズの電圧幅Ｖｐｐは２０ｍＶであった。
【００３９】
図７はＬの調節によるリンギングの低減効果を示す図である。
この図において、横軸にループ１のインダクタンス、縦軸にリンギングノイズの電圧幅を示している。この図７によれば、ループ１のインダクタンスＬがＬ＝２５ｎＨの場合、リンギングノイズの電圧幅が最大５０ｍＶであったが、プリントパターンのインダクタンスを上記計算により算出し、調節することにより、Ｌ＝１００ｎＨにおいては、約２０ｍＶと、半分以下に抑制されていることがわかる。
【００４０】
上記計算法は、昇圧型コンバータや昇降圧型コンバータにおいても、バッテリとチョークコイルを含まないループにおいて、その固有周波数を計算し、調節することにより、各部プリントパターンのラインインダクタンスを最適値に決定することが可能である。
【００４１】
次に、リンギングノイズを低減するラインパターンの具体例について説明する。
図８はラインのインダクタンスとキャパシタンスによりローパスフィルタを構成した回路を示す図である。
【００４２】
リンギングノイズは主スイッチＱ１、同期整流スイッチＱ２のスイッチング動作により図１の配線パターンｐ７およびプリントパターンｐ１０のラインを介して出力コンデンサＣｏｕｔに到達する。そこで、この回路では、プリントパターンｐ１０のインダクタンスＬ１０と、インダクタンスＬ１０とべたグランドＧＮＤとの間の寄生キャパシタンスＣｐとを大きくし、インダクタンスＬ１０とべたグランドＧＮＤとの間の交流インピーダンスを小さくすることにより、ローパスフィルタが構成され、リンギングノイズの低減を図っている。
【００４３】
図９はローパスフィルタの基板上の構成例を示す図である。
プリント基板２上には、コンバータ出力を構成するプリントパターン３、チョークコイルＣＨと主スイッチＱ１および同期整流スイッチＱ２の接続点との間を接続するプリントパターン４と、同期整流スイッチＱ２のソース端子と出力コンデンサＣｏｕｔとの間を接続するプリントパターン５とが形成され、主スイッチＱ１および同期整流スイッチＱ２を有する集積回路ＩＣ、チョークコイルＣＨおよび出力コンデンサＣｏｕｔが実装されている。
【００４４】
ここで、プリントパターン５はスパイラル構造を有し、その一端はボンディングワイヤ６によって集積回路ＩＣと接続され、他端はポイント７にてべたグランドＧＮＤに接続されている。スパイラル構造にすることで、プリントパターン５の長さが長くなって同期整流スイッチＱ２のソース端子と出力コンデンサＣｏｕｔとの間の寄生インダクタンスを大きくし、べたグランドＧＮＤとの間の寄生キャパシタンスＣｐを大きくして、ローパスフィルタを構成している。このローパスフィルタにより、リンギングノイズを低減している。具体的には、図６の場合と同じ動作条件で測定して、リンギングノイズを１／３まで低減できた。
【００４５】
なお、以上の説明では、スイッチング電源として、降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータを例に説明したが、昇圧型、昇降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータにおいても、同じように適用できることは言うまでもない。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、スイッチング電源においてそれを実装するプリント基板のリンギングノイズに寄与するループの固有周波数をプリントパターンのインダクタンスにより調節すること、またはリンギングノイズ成分が通過するラインの寄生インダクタンスと寄生キャパシタンスによりローパスフィルタを構成するようにした。これにより、スイッチング電源より出力されるリンギングノイズを低減することができる。
【００４７】
また、本発明によれば、リンギングノイズに寄与するループの固有周波数をプリントパターンのインダクタンスにより調節するようにしたことで、プリント基板の材料に制約がなく、配線パターンで対策したので、特別な部品を付加する必要がなく、しかもリンギングに特化した対策が施せるので、入力帰還ノイズ等の他のパラメータに悪影響を与えることがない。
【図面の簡単な説明】
【図１】プリント基板の各部ラインを想定して示した降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータの主回路を示す図である。
【図２】リンギングノイズの通過するループを示す図である。
【図３】図１の回路の各部ラインをインダクタンスと想定した場合の回路を示す図である。
【図４】主スイッチがオン、同期整流スイッチがオフの場合の等価回路図である。
【図５】主スイッチがオフ、同期整流スイッチがオンの場合の等価回路図である。
【図６】Ｌを調節することによるリンギング波形の比較を示す図である。
【図７】Ｌの調節によるリンギングの低減効果を示す図である。
【図８】ラインのインダクタンスとキャパシタンスによりローパスフィルタを構成した回路を示す図である。
【図９】ローパスフィルタの基板上の構成例を示す図である。
【図１０】従来のノイズ抑制方法を例示したスイッチング電源の第１の回路図である。
【図１１】従来のノイズ抑制方法を例示したスイッチング電源の第２の回路図である。
【符号の説明】
１ ループ
２ プリント基板
３ プリントパターン
４ プリントパターン
５ プリントパターン
６ ボンディングワイヤ
７ グランドＧＮＤに接続されるポイント
Ｑ１ 主スイッチ
Ｑ２ 同期整流スイッチ
Ｃｉｎ 入力コンデンサ
Ｃｏｕｔ 出力コンデンサ
ＣＨ チョークコイル
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スイッチング電源を実装するプリント基板設計法およびプリント基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
スイッチング電源は、直流電圧を高周波スイッチングして整流することにより所望の直流電圧を得る構造であるため、原理的にスイッチング時のノイズが発生する。そのため、スイッチング電源には、そのようなノイズを抑制するための回路を備えている。
【０００３】
図１０は従来のノイズ抑制方法を例示したスイッチング電源の第１の回路図、図１１は従来のノイズ抑制方法を例示したスイッチング電源の第２の回路図である。
【０００４】
これらのスイッチング電源において、入力電圧ＶＩＮを受けるコンバータ入力に入力コンデンサＣｉｎが並列に接続され、この入力コンデンサＣｉｎには主スイッチＱ１および同期整流スイッチＱ２の直列回路が並列に接続されている。主スイッチＱ１と同期整流スイッチＱ２との接続点にはチョークコイルＣＨを介して出力コンデンサＣｏｕｔが接続されている。チョークコイルＣＨと出力コンデンサＣｏｕｔとの接続点は、図１０の回路では、フィルタＦを介して負荷抵抗Ｒに接続され、図１１の回路では、低ドロップアウトレギュレータＬＤＯを介して負荷抵抗Ｒに接続されている。
【０００５】
これらのスイッチング電源の回路は、主スイッチＱ１および同期整流スイッチＱ２がスイッチング動作することにより出力コンデンサＣｏｕｔの両端に入力電圧ＶＩＮより低い直流電圧を出力する降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータを構成している。
【０００６】
以上の構成のスイッチング電源は、主スイッチＱ１および同期整流スイッチＱ２のオン／オフ動作に起因するリンギングノイズが出力コンデンサＣｏｕｔの両端に生じるので、図１０の回路では、受動素子を用いたフィルタＦによってスイッチング電源の出力ノイズの負荷への伝達を回避し、図１１の回路では、低ドロップアウトレギュレータＬＤＯを用いて整流することによりスイッチング電源の出力ノイズの負荷への伝達を回避している。
【０００７】
また、リンギングノイズをプリント基板の材料で低減させる技術も知られている（たとえば、特許文献１参照。）。この技術は、プリント基板の材料に関し誘電損失が大きいもの、すなわち基板に関するインピーダンスのうち抵抗成分が大きいものを用い、わざと伝送損失を大きくして高周波成分を減衰させて波形をなまらせ、リンギングノイズを低減させるようにしている。
【０００８】
【特許文献１】
特開平６−１７７６１２号公報（段落番号〔００２１〕〜〔００３２〕，図４）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、出力コンデンサの両端に生じるリンギングノイズはその周波数が１００ＭＨｚ〜数１００ＭＨｚであり、この周波数帯域のノイズを低減するには、受動素子を用いたフィルタでは、その素子の寄生インピーダンスの影響によりフィルタの効果が低減する。また、低ドロップアウトレギュレータを用いた場合では、一般に低ドロップアウトレギュレータのフィルタ効果は、最大数ＭＨｚ程度であり、リンギングノイズの低減には効果がない。しかも、出力ノイズの低減のためにフィルタや低ドロップアウトレギュレータを用いることは、スイッチング電源回路以外の部品点数が増加することになり、外付け部品を増加させないためには、スイッチング電源のグランドを理想グランドにすることが望ましいが、これは高周波になるに従い困難となる。
【００１０】
また、誘電損失が大きい材料のプリント基板を使用してリンギングノイズを低減させる方法は、伝送損失を大きくして高周波を減衰させて波形をなまらせる方式であるので、高周波化とは逆行し、速い応答が欲しいライン信号までなまってしまい、さらには、プリント基板の材料が限定されてしまうという問題点があった。
【００１１】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、部品点数を増加させることなく、また、伝送損失を大きくすることなくリンギングノイズを低減させるようにしたプリント基板設計法およびプリント基板を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明では上記問題を解決するために、スイッチング電源を実装するプリント基板のプリント基板設計法において、前記スイッチング電源によって出力されるリンギングノイズの周波数を、前記リンギングノイズが伝達するループ内のプリントパターンのラインのインダクタンスおよび寄生キャパシタンスから算出したループの固有周波数から求める手法を用い、前記ラインのインダクタンスを調整することによって、前記リンギングノイズを所望の周波数に設定していくことを特徴とするプリント基板設計法が提供される。
【００１３】
このようなプリント基板設計法によれば、リンギングノイズが伝達するループ内のプリントパターンのラインのインダクタンスを、ループの固有周波数から求めたリンギングノイズの周波数を見ながら調節することにより、リンギングノイズが所望の周波数まで抑制されたプリント基板を設計することができる。このリンギングノイズの周波数は、プリントパターンのラインのインダクタンスの調整で行うため、部品点数を増やすことなくリンギングノイズを低減させることができる。
【００１４】
また、本発明では、スイッチング電源を実装するプリント基板において、前記スイッチング電源のグランド端子と出力コンデンサとを接続する配線パターンが、その寄生インダクタンスと寄生キャパシタンスとによりローパスフィルタを構成していることを特徴とするプリント基板が提供される。
【００１５】
このプリント基板によれば、配線パターンの寄生インダクタンスと寄生キャパシタンスとによりローパスフィルタを構成したので、ノイズ低減用の部品点数を設けることなくリンギングノイズを低減させることができ、安価なスイッチング電源を構成することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータに適用した場合を例にしてリンギングを低減するためのプリント基板設計について説明する。
【００１７】
図１はプリント基板の各部ラインを想定して示した降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータの主回路を示す図である。
降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータの主回路は、基本的に入力コンデンサＣｉｎと、主スイッチＱ１と、同期整流スイッチＱ２と、チョークコイルＣＨと、出力コンデンサＣｏｕｔと、負荷抵抗Ｒの要素で構成される。
【００１８】
ここで、コンバータ入力と入力コンデンサＣｉｎとの間のプリントパターンはｐ１で示し、入力コンデンサＣｉｎの配線パターンはｐ２およびｐ３で示している。主スイッチＱ１のソース端子と入力コンデンサＣｉｎ間のプリントパターンはｐ４で示し、主スイッチＱ１および同期整流スイッチＱ２の配線パターン、モールド内の配線およびボンディングワイヤを含む配線パターンはそれぞれｐ５，ｐ６，ｐ７で示している。チョークコイルＣＨの配線パターンはｐ８およびｐ９で示している。同期整流スイッチＱ２のソース端子と出力コンデンサＣｏｕｔとの間のプリントパターンはｐ１０、出力コンデンサＣｏｕｔの配線パターンはｐ１１およびｐ１２で示している。プリントパターンｐ１０および配線パターンｐ１２とべたグランドＧＮＤとの間のプリントパターンはｐ１３、負荷抵抗Ｒの配線パターンはｐ１４およびｐ１５で示している。
【００１９】
プリント基板の設計において、まず、図１の回路よりリンギングノイズを生じるループを決定する。ここで、リンギングノイズは出力コンデンサＣｏｕｔの両端で生じるため、この出力コンデンサＣｏｕｔを含むループを考える。バッテリなどの大容量素子、チョークコイルＣＨなどの高インダクタンス素子を含むループの固有周波数は低く、たとえばチョークコイルＣＨと出力コンデンサＣｏｕｔを含むループでは、仮にループ内の他の要素を無視すると、チョークコイルＣＨが１μＨ、出力コンデンサＣｏｕｔが１μＦの場合に、固有周波数ｆは、
【００２０】
【数１】
ｆ＝１／２π√（ＬＣ）＝１５９ｋＨｚ・・・（１）
であり、リンギングノイズのＭＨｚオーダーの周波数には至らない。よって、バッテリ、チョークコイルＣＨを含まないループを考える。
【００２１】
図２はリンギングノイズの通過するループを示す図である。
以上の説明により、図１の回路において、リンギングノイズが通過するループとして、チョークコイルＣＨを含まないループ１が決定され、このループ１がリンギングノイズに関与する最も重要なループとなる。
【００２２】
次に、このループ１の固有周波数の見積もりを行う。このループ１の固有周波数を低減したいノイズ周波数より低く設定することにより、固有周波数を超える周波数のリンギングを抑制することが可能となる。
【００２３】
図３は図１の回路の各部ラインをインダクタンスと想定した場合の回路を示す図である。
この図において、プリントパターンｐ１，ｐ４，ｐ１０およびｐ１３のインダクタンスをそれぞれＬ１，Ｌ４，Ｌ１０およびＬ１３で示し，配線パターンｐ２，ｐ３，ｐ５，ｐ６，ｐ７，ｐ８，ｐ９，ｐ１１，ｐ１２，ｐ１４およびｐ１５のインダクタンスをそれぞれＬ２，Ｌ３，Ｌ５，Ｌ６，Ｌ７，Ｌ８，Ｌ９，Ｌ１１，Ｌ１２，Ｌ１４およびＬ１５で示している。
【００２４】
ここで、主スイッチＱ１および同期整流スイッチＱ２は、いずれもオンの場合に短絡、オフの場合にコンデンサとみなすことができるので、主スイッチＱ１がオン、同期整流スイッチＱ２がオフの場合と、主スイッチＱ１がオフ、同期整流スイッチＱ２がオンの場合との等価回路を図４および図５に示す。
【００２５】
図４は主スイッチがオン、同期整流スイッチがオフの場合の等価回路図、図５は主スイッチがオフ、同期整流スイッチがオンの場合の等価回路図である。
ここでは、主スイッチＱ１、同期整流スイッチＱ２のオン抵抗を無視している。また、これらの等価回路において、オフ時における主スイッチＱ１の出力キャパシタンスをＣＤＳ１、同期整流スイッチＱ２の出力キャパシタンスをＣＤＳ２で示している。
【００２６】
この回路において、図２に示すループ１の固有周波数ｆは、
【００２７】
【数２】
ｆ＝１／２π√（ＬＣ）・・・（２）
で求められる。ここで、ループ１のインダクタンスＬは、
【００２８】
【数３】
Ｌ＝Ｌ２＋Ｌ３＋Ｌ４＋Ｌ５＋Ｌ７＋Ｌ１０＋Ｌ１１＋Ｌ１２＋Ｌ１４＋Ｌ１５・・・（３）
で求められ、キャパシタンスＣは、図４に示した主スイッチＱ１がオン、同期整流スイッチＱ２がオフの場合、
【００２９】
【数４】
【００３０】
で求められ、図５に示した主スイッチＱ１がオフ、同期整流スイッチＱ２がオンの場合には、
【００３１】
【数５】
【００３２】
で求められる。なお、式４および式５において、Ｃｉは入力コンデンサＣｉｎのキャパシタンス、Ｃｏは出力コンデンサＣｏｕｔのキャパシタンスである。
次に、プリントパターンのインダクタンスを決定する。上記の固有周波数ｆを低周波化するためには、式４および式５のＬ，Ｃを大きくすればよい。しかし、Ｃの値は、それを構成するキャパシタンスの内、最も小さいものによって制限される。通常、入力コンデンサＣｉｎのキャパシタンスＣｉおよび出力コンデンサＣｏｕｔのキャパシタンスＣｏは数μＦ以上、主スイッチＱ１および同期整流スイッチＱ２の出力キャパシタンスＣＤＳ１，ＣＤＳ２は数ｎＦ以下であり、したがって、Ｃは実質的に主スイッチＱ１または同期整流スイッチＱ２の出力キャパシタンスＣＤＳ１，ＣＤＳ２で決まり、入力コンデンサＣｉｎおよび出力コンデンサＣｏｕｔを大きくしても、Ｃを大きくすることは困難である。これに対し、Ｌは、プリントパターンのインダクタンスにより構成されており、プリントパターンの幅および長さにより容易に増加することが可能である。
【００３３】
ここで、リンギングノイズは、出力コンデンサＣｏｕｔに流れる電流をＩｃｏとすると、（Ｌ１１＋Ｌ１２）ｄＩｃｏ／ｄｔ［Ｖ］で表される。よって、出力コンデンサＣｏｕｔの配線パターンｐ１１，ｐ１２のインダクタンスＬ１１，Ｌ１２は大きくはできない。また、入力コンデンサＣｉｎに流れる電流をＩｃｉとすると、入力帰還ノイズとして（Ｌ２＋Ｌ３）ｄＩｃｉ／ｄｔ［Ｖ］のノイズが発生する。よって、入力コンデンサＣｉｎの配線パターンｐ２，ｐ３のインダクタンスＬ２，Ｌ３も大きくはできない。したがって、Ｌの設定は、プリントパターンｐ４，ｐ１０および配線パターンｐ５，ｐ７，ｐ１４，ｐ１５のインダクタンスＬ４，Ｌ１０，Ｌ５，Ｌ７，Ｌ１４，Ｌ１５で行うことになる。
【００３４】
図６はＬを調節することによるリンギング波形の比較を示す図である。
ここで、主スイッチＱ１がオン、同期整流スイッチＱ２がオフの場合、Ｃ＝３４ｐＦ、主スイッチＱ１がオフ、同期整流スイッチＱ２がオンの場合、Ｃ＝９１ｐＦ、ＤＣ／ＤＣコンバータの入力電圧ＶＩＮ＝４Ｖ、出力電圧＝２Ｖ、スイッチング周波数＝２ＭＨｚ、チョークコイルＣＨのインダクタンス＝１μＨ、Ｃｉ＝Ｃｏ＝１μＦとしている。
【００３５】
たとえば、プリントパターンｐ４，ｐ１０および配線パターンｐ５，ｐ７，ｐ１４，ｐ１５のインダクタンスＬ４，Ｌ１０，Ｌ５，Ｌ７，Ｌ１４，Ｌ１５を調整しないときのＬがＬ＝２５ｎＨである場合、上記計算では、主スイッチＱ１がオン、同期整流スイッチＱ２がオフの場合、ループ１の固有周波数ｆ＝１７３ＭＨｚであり、主スイッチＱ１がオフ、同期整流スイッチＱ２がオンの場合、ループ１の固有周波数ｆ＝１０６ＭＨｚである。
【００３６】
この条件での測定では、主スイッチＱ１がオン、同期整流スイッチＱ２がオフの場合、リンギングノイズの周波数ｆは約１７０ＭＨｚ、リンギングノイズの電圧幅Ｖｐｐは４０ｍＶであった。一方、主スイッチＱ１がオフ、同期整流スイッチＱ２がオンの場合には、リンギングノイズの周波数ｆは約１００ＭＨｚ、リンギングノイズの電圧幅Ｖｐｐは５０ｍＶであった。
【００３７】
ここで、９０ＭＨｚ以上のリンギングノイズを抑制するために、上記計算を用いて、Ｌ＝１００ｎＨに調整すると、主スイッチＱ１がオン、同期整流スイッチＱ２がオフの場合、ループ１の固有周波数ｆ＝８６ＭＨｚであり、主スイッチＱ１がオフ、同期整流スイッチＱ２がオンの場合、ループ１の固有周波数ｆ＝５３ＭＨｚである。
【００３８】
この条件による測定では、主スイッチＱ１がオン、同期整流スイッチＱ２がオフの場合、リンギングノイズの周波数ｆは約８０ＭＨｚ、リンギングノイズの電圧幅Ｖｐｐは２０ｍＶであった。一方、主スイッチＱ１がオフ、同期整流スイッチＱ２がオンの場合には、リンギングノイズの周波数ｆは約５０ＭＨｚ、リンギングノイズの電圧幅Ｖｐｐは２０ｍＶであった。
【００３９】
図７はＬの調節によるリンギングの低減効果を示す図である。
この図において、横軸にループ１のインダクタンス、縦軸にリンギングノイズの電圧幅を示している。この図７によれば、ループ１のインダクタンスＬがＬ＝２５ｎＨの場合、リンギングノイズの電圧幅が最大５０ｍＶであったが、プリントパターンのインダクタンスを上記計算により算出し、調節することにより、Ｌ＝１００ｎＨにおいては、約２０ｍＶと、半分以下に抑制されていることがわかる。
【００４０】
上記計算法は、昇圧型コンバータや昇降圧型コンバータにおいても、バッテリとチョークコイルを含まないループにおいて、その固有周波数を計算し、調節することにより、各部プリントパターンのラインインダクタンスを最適値に決定することが可能である。
【００４１】
次に、リンギングノイズを低減するラインパターンの具体例について説明する。
図８はラインのインダクタンスとキャパシタンスによりローパスフィルタを構成した回路を示す図である。
【００４２】
リンギングノイズは主スイッチＱ１、同期整流スイッチＱ２のスイッチング動作により図１の配線パターンｐ７およびプリントパターンｐ１０のラインを介して出力コンデンサＣｏｕｔに到達する。そこで、この回路では、プリントパターンｐ１０のインダクタンスＬ１０と、インダクタンスＬ１０とべたグランドＧＮＤとの間の寄生キャパシタンスＣｐとを大きくし、インダクタンスＬ１０とべたグランドＧＮＤとの間の交流インピーダンスを小さくすることにより、ローパスフィルタが構成され、リンギングノイズの低減を図っている。
【００４３】
図９はローパスフィルタの基板上の構成例を示す図である。
プリント基板２上には、コンバータ出力を構成するプリントパターン３、チョークコイルＣＨと主スイッチＱ１および同期整流スイッチＱ２の接続点との間を接続するプリントパターン４と、同期整流スイッチＱ２のソース端子と出力コンデンサＣｏｕｔとの間を接続するプリントパターン５とが形成され、主スイッチＱ１および同期整流スイッチＱ２を有する集積回路ＩＣ、チョークコイルＣＨおよび出力コンデンサＣｏｕｔが実装されている。
【００４４】
ここで、プリントパターン５はスパイラル構造を有し、その一端はボンディングワイヤ６によって集積回路ＩＣと接続され、他端はポイント７にてべたグランドＧＮＤに接続されている。スパイラル構造にすることで、プリントパターン５の長さが長くなって同期整流スイッチＱ２のソース端子と出力コンデンサＣｏｕｔとの間の寄生インダクタンスを大きくし、べたグランドＧＮＤとの間の寄生キャパシタンスＣｐを大きくして、ローパスフィルタを構成している。このローパスフィルタにより、リンギングノイズを低減している。具体的には、図６の場合と同じ動作条件で測定して、リンギングノイズを１／３まで低減できた。
【００４５】
なお、以上の説明では、スイッチング電源として、降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータを例に説明したが、昇圧型、昇降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータにおいても、同じように適用できることは言うまでもない。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、スイッチング電源においてそれを実装するプリント基板のリンギングノイズに寄与するループの固有周波数をプリントパターンのインダクタンスにより調節すること、またはリンギングノイズ成分が通過するラインの寄生インダクタンスと寄生キャパシタンスによりローパスフィルタを構成するようにした。これにより、スイッチング電源より出力されるリンギングノイズを低減することができる。
【００４７】
また、本発明によれば、リンギングノイズに寄与するループの固有周波数をプリントパターンのインダクタンスにより調節するようにしたことで、プリント基板の材料に制約がなく、配線パターンで対策したので、特別な部品を付加する必要がなく、しかもリンギングに特化した対策が施せるので、入力帰還ノイズ等の他のパラメータに悪影響を与えることがない。
【図面の簡単な説明】
【図１】プリント基板の各部ラインを想定して示した降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータの主回路を示す図である。
【図２】リンギングノイズの通過するループを示す図である。
【図３】図１の回路の各部ラインをインダクタンスと想定した場合の回路を示す図である。
【図４】主スイッチがオン、同期整流スイッチがオフの場合の等価回路図である。
【図５】主スイッチがオフ、同期整流スイッチがオンの場合の等価回路図である。
【図６】Ｌを調節することによるリンギング波形の比較を示す図である。
【図７】Ｌの調節によるリンギングの低減効果を示す図である。
【図８】ラインのインダクタンスとキャパシタンスによりローパスフィルタを構成した回路を示す図である。
【図９】ローパスフィルタの基板上の構成例を示す図である。
【図１０】従来のノイズ抑制方法を例示したスイッチング電源の第１の回路図である。
【図１１】従来のノイズ抑制方法を例示したスイッチング電源の第２の回路図である。
【符号の説明】
１ ループ
２ プリント基板
３ プリントパターン
４ プリントパターン
５ プリントパターン
６ ボンディングワイヤ
７ グランドＧＮＤに接続されるポイント
Ｑ１ 主スイッチ
Ｑ２ 同期整流スイッチ
Ｃｉｎ 入力コンデンサ
Ｃｏｕｔ 出力コンデンサ
ＣＨ チョークコイル
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スイッチング電源を実装するプリント基板のプリント基板設計法において、
前記スイッチング電源によって出力されるリンギングノイズの周波数を、前記リンギングノイズが伝達するループ内のプリントパターンのラインのインダクタンスおよび寄生キャパシタンスから算出したループの固有周波数から求める手法を用い、前記ラインのインダクタンスを調整することによって、前記リンギングノイズを所望の周波数に設定していくことを特徴とするプリント基板設計法。
【請求項２】
前記リンギングノイズが伝達するループを、バッテリとチョークコイルを含まない、出力コンデンサを含むループに設定したことを特徴とする請求項１記載の算出方法。
【請求項３】
前記ラインのインダクタンスを、前記リンギングノイズの抑制したい周波数よりも前記ループの固有周波数が低くなる値に設定したことを特徴とする請求項２記載のプリント基板設計法。
【請求項４】
前記インダクタンスを、前記ループを構成するラインの中で、入力コンデンサおよび出力コンデンサの配線ラインを含まないラインとしたことを特徴とする請求項３記載のプリント基板設計法。
【請求項５】
前記ラインを、前記スイッチング電源のグランド端子と出力コンデンサとを接続する配線パターンとしたことを特徴とする請求項４記載のプリント基板設計法。
【請求項６】
スイッチング電源を実装するプリント基板において、
前記スイッチング電源のグランド端子と出力コンデンサとを接続する配線パターンが、その寄生インダクタンスと寄生キャパシタンスとによりローパスフィルタを構成していることを特徴とするプリント基板。
【請求項７】
前記配線パターンは、スパイラル構造になっていることを特徴とする請求項６記載のプリント基板。
【請求項１】
スイッチング電源を実装するプリント基板のプリント基板設計法において、
前記スイッチング電源によって出力されるリンギングノイズの周波数を、前記リンギングノイズが伝達するループ内のプリントパターンのラインのインダクタンスおよび寄生キャパシタンスから算出したループの固有周波数から求める手法を用い、前記ラインのインダクタンスを調整することによって、前記リンギングノイズを所望の周波数に設定していくことを特徴とするプリント基板設計法。
【請求項２】
前記リンギングノイズが伝達するループを、バッテリとチョークコイルを含まない、出力コンデンサを含むループに設定したことを特徴とする請求項１記載の算出方法。
【請求項３】
前記ラインのインダクタンスを、前記リンギングノイズの抑制したい周波数よりも前記ループの固有周波数が低くなる値に設定したことを特徴とする請求項２記載のプリント基板設計法。
【請求項４】
前記インダクタンスを、前記ループを構成するラインの中で、入力コンデンサおよび出力コンデンサの配線ラインを含まないラインとしたことを特徴とする請求項３記載のプリント基板設計法。
【請求項５】
前記ラインを、前記スイッチング電源のグランド端子と出力コンデンサとを接続する配線パターンとしたことを特徴とする請求項４記載のプリント基板設計法。
【請求項６】
スイッチング電源を実装するプリント基板において、
前記スイッチング電源のグランド端子と出力コンデンサとを接続する配線パターンが、その寄生インダクタンスと寄生キャパシタンスとによりローパスフィルタを構成していることを特徴とするプリント基板。
【請求項７】
前記配線パターンは、スパイラル構造になっていることを特徴とする請求項６記載のプリント基板。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００４−２６６２３３（Ｐ２００４−２６６２３３Ａ）
【公開日】平成１６年９月２４日（２００４．９．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００３−５７７０４（Ｐ２００３−５７７０４）
【出願日】平成１５年３月４日（２００３．３．４）
【出願人】（５０３３６１２４８）富士電機デバイステクノロジー株式会社 (1,023)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１６年９月２４日（２００４．９．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１５年３月４日（２００３．３．４）
【出願人】（５０３３６１２４８）富士電機デバイステクノロジー株式会社 (1,023)
【Ｆターム（参考）】
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