ノイズ・熱の協調解析適用によるスイッチング電源基板の最適化
庄林 雅了† , 東 正登† , 高橋 成正††
†近畿職業能力開発大学校††株式会社トータス
電 源ノイ ズ シ ミ ュレー シ ョ ン の 適用 は , 最 新 CPU や FPGA の 半 導 体 が 搭 載 さ れ た 低 電 圧 ・ 大 電 流 向 け の 電 子 製 品 で はパワーインテグリティ ( PI ) として既に確立された技術である. しかし, インバータなどのパワー回路基板では定着していない.
そこで, 産学連携の共同研究テーマとして, トランスを用いたフォワード型スイッチング電源回路をモチーフにパターン設計・電源評価
基板を製作し, 電圧・電流の実測波形, 近傍ノイズの測定結果に基づくノイズ評価手法の構築をテーマに2016年から着手した.
回路図は同じでパターン設計が異なる二種類の電源基板の測定データからノイズの根本原因を考察してきた. 本研究では同基板の別箇所から発生した熱・サージ・放射ノイズに対して,その原因を再考察し, ノイズ・熱問題の対策手法に関して具体的事例で示す.

4. 電源基板-A のノイズ測定結果

1. はじめに(1) パワー回路基板 の シミュレーション適用事例が少ない(2) パワー回路の パワーインテグリティ解析 の定着は ? ?
(3) 熱, サージ, 放射ノイズ の リスク 回避が必要不可欠

約 6 MHz のリンギング

6 MHz の近傍電磁界分布★ シミュレーション・解析・実験に基づいたノウハウの蓄積
産学連携の共同研究テーマとして, 2016年から着手☛ 『 実測ベースモデリングによる SW 電源回路のノイズ解析』

68V※ 電源 IC の最大定格値 41Vをオーバー

ピーク

12V
Vout

【本研究テーマ】
👉 評価基板は昨年度と同じ DC100V ➡ 16V の FW 型 SW 電源☛ 熱・サージ・放射ノイズ対策 に関する ノウハウ蓄積 と 公開 を主目的

12V Vin2. フォワード型 SW 電源

100 : 32100V

D1ノイズ発生源 ①【 ノイズ対策 前 】
電源基板-Achoke coil

電圧波形

12V

D2電源基板-B64 V

68 V

L1

ほぼ同じ電圧・電流波形, 基板による差は小さい

Rload

2次側

基板全体と電源ケーブルからノイズが発生

5. ノイズ対策(サージ) 前後の比較※ T1 の漏れインダクタンスとD1/D2 との反共振 (昨年度)
Vin = 100V から
Vout = 12V を出力 ノイズ発生源 ①

1次側100V
VinC

T1
Q
3:1

【 ノイズ対策 (1) : ツェナーダイオード(ZD1) 追加 後 】
Feed Back

T2

12V
電源 IC (TL494)
ノイズ
ErrorAmp
発生源
Cmp
②
Tr
Vref

対策部品 → ZD1★ 本研究でのフォーカスポイント
ノイズ発生源 ②

Triangle wave

PWM 制御※ ソース: 長谷川 彰, "スイッチング・レギュレータ設計ノウハウ", CQ出版社

3. 評価基板【電源基板-A】※ 基板の回路図は同じ, パターン設計が異なる【電源基板-B】

26 V

電圧波形33 Vツェナーダイオードの電流波形

ZD1 が降伏電圧以上になると, Zオンし,ピーク電圧は約30V に低減, 定格値をクリア
しかし,サージ抑制のため, ZD1 に電流が流れる.

6. ノイズ対策(1) 後の基板温度分布比較【 ノイズ対策 (1) ツェナーダイオード 追加 後 】【サーモグラフィ】 電源基板-A電源基板-B
放射率 0.9
距離 0.5m
環境 19℃

・ 4層基板・ サイズ: 110×140mm( 32% 減 )ノイズ対策部品の実装位置
・基板厚:1.6mm(ノイズ発生源②に対して)・ 基板サイズの小型化
・ 2層基板・ ベタプレーン・ サイズ: 150×150 mm
・ リード短い・ 基板厚: 1.6mm
・ 電源・GND 配線 (配線幅: 1.8mm ) ・ ソケット無し
・ パターン短い・ 信号配線 (配線幅 : 1mm )

ZD1 の温度 = 133℃
ZD1 の温度 = 63℃
両基板とも熱のホットスポットは 2箇所
左下 : ZD1
上側 : 出力電圧用スイッチングダイオード D1,D2 による発熱
A基板 は細い電源ラインによる配線のため, 十分な放熱ができず最高温度は 133℃
(ZD1最大定格値 Tj = 175℃)
B基板はベタプレーンがヒートシンクとして機能し最高温度は 63℃

7. ノイズ対策 (ノーマルモード)

10. 適用可能なノイズ対策の検討

ノイズ対策(2): 12V 電源への電解コンデンサ330uF 追加① 対策部品: EMI 除去フィルタ 追加
S21 (挿入損失)

330uF

改造 箇所

【 ノイズ対策(2) 前 】
電源基板-A等価回路

ノイズ低減効果なし. フィルタ等価回路はノーマルモードノイズ対策部品のみで構成.
したがって, コモンモードノイズが原因

12V 入力PWM 制御電源基板-B②対策部品: コモンモードフィルタ &330uF 追加

１２V 電源 電圧波形

330uF

330uF

12V 電源の電流波形適用可能, 効果ありのノイズ対策回路【ノイズ対策(2) 後】

12V 入力ケーブルからのノイズ漏れは消えた.

１２V 電源 電圧波形

△ 2箇所追加

12V 出力対策部品(2)

12V 電源の電流波形

１２V 電源のリップルは低減, リップル電流は要改善.

【 ノイズ対策(2) 後 の近傍電磁界分布】
電源基板-A
電源基板-B

12V 入力 対策部品(1)12V 出力部に同じ対策部品を追加により同ケーブルからのノイズ漏れは消えた. しかし
100V入力部のノイズが逆に大きくなった.

◎ 3箇所追加
対策部品(2)

12V 出力

100V 入力対策部品(3)ノイズの強度は低減. ノイズの分布は対策前後で変わらず

8. ノイズ対策 (コモンモード)
ノイズ対策(3): 12V 電源へのコモンモードフィルタ 追加
12V_in対策部品(1)
12V 入力耐圧を考慮し電解コンテンサは47uF に変更し, 100V 入力部に追加,全ケーブルでのノイズピークは消え, 電源基板内で ２箇所のピークに限定. ノイズピークは 100V⇒32V に降圧のトランスT1 周囲と, サージ対策で追加したツェナーダイオード周囲のみに.

ノイズ対策完了 !!

11. 電源基板のレイアウト設計
ノイズ発生源 ①330uF

GND1(1次側)

GND_in【ノイズ対策(3) 後】PWM 制御GND2(2次側)【 層構成 】
L1プリプレグ
L2コア

１２V 電源 電圧波形

GND
(負荷側・電源IC)
12V 電源の電流波形

ノイズ発生源 ②【ノイズ対策(3) 後 の近傍電磁界分布】

L3プリプレグ
L40.1mm
1.2mm
0.1mm

L1 層 : 電源プレーン, 信号ライン
L2 層 : GND ベタプレーン
L3 層 : 12V入力 ライン

第2層の L2 はGND ベタプレーンを配置し, 上下の層に信号・電源ネットを配線. L1-L2 間厚は 0.1mm
配線パターンのインダクタンスを最小に. スイッチング電流によるパターンから磁界の乱れ・漏れを最小にして,ノイズ放射を低減する. GND ネットは三つに分け, 1次/2次/電源IC・負荷間でのノイズ伝搬経路を断ち切るためにスリットを追加. GND2 とGND は抵抗を介して接続. GND1 に対してはオープン.

★ 最新CPU/FPGA など低電圧・大電流回路向けパターン設計手法を適用 ★

まとめ
リップル電流・ノイズ低減に効果あり.

9. ノイズ対策後の基板温度分布
電源基板-A電源基板-B

フォワード型スイッチング電源回路の評価基板を設計製作し, 熱・ノイズ測定結果から原因と対策をステップ・バイ・ステップで示した.以下のことが明らかになった.
1. 電源回路基板においてノイズ源の部品と基板温度分布の相関を確認した.
2. 高電圧などプロービングが難しいパワー回路基板のノイズ源の見極めには有効.
3. 大電流経路の電源パターンはなるべく太い配線パターンに, リファレンスになる
GND をベタプレーンにすることでノイズを抑制. また, 放熱効果により 基板の温度上昇が回避できることを確認した.

63℃ → 58℃
133℃ → 120℃
基板温度分布も低減, 温度分布が低い電源基板-B で更なるノイズ対策を検討

4. トランス部品・フィルタ回路など1次・2次側の分離が必須な場合は, ベタプレーン間のカップリングを最小にノイズ伝搬経路を分断するレイアウト設計がポイントになる.

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1. 商用利用を含めて無料で使用制限なし
2. 回路図データ・基板データもテキストデータ
3. SPICE, PADS などの各種ネットリスト出力に対応
4. 階層構造の回路図に対応
5. 基板の 3D 出力 (vrm) ができる

【回路図】

6. ガーバ・ビューアで基板製造データが確認できる
7. 伝送線路などの簡易計算ができる【基板 CAD レイアウト】

8. 自動配線 (オートルータ) 機能あり
9. 等長配線 (ミアンダ配線) に対応
10.参考書籍が増えてきた★ ライセンス制限がないため 教育現場での使用が最適 ★
【参考文献】[1] http://kicad-pcb.org/[2] 一人で始めるプリント基板作り, トランジスタ技術 SPECIAL 2014 Summer No.127, CQ出版社[3] トランジスタ技術 2017年10月号, CQ出版社[4] KiCad×LTspiceで始める本格プリント基板設計, トランジスタ技術 SPECIAL 2018 Spring No.142, CQ出版社