PCB技術 - EMIおよびPCBの設計とスイッチング周波数

電源モジュールはこれまで発展してきたが、エンジニアたちはモジュールをより小型化し、軽量化する方法に着目してきたが、実はスイッチ周波数を上げることで製品の電力密度を高めることができることはよく知られています。しかし、なぜこれまでモジュールの体積に大きな変化がなかったのでしょうか。何がスイッチング周波数の上昇を制限しているのでしょうか。

スイッチング電源製品は市場の応用主導の下で、小型、軽量、高効率、低放射、低コストなどの特徴が各種電子端末装置を満たすことが求められており、現在の電子端末装置のポータブルを満たすためには、スイッチング電源の体積が小さく、軽量である必要があるため、スイッチング電源の動作周波数を高め、設計者がますます注目する問題となっています。しかし、スイッチング電源の周波数上昇を制約する要因は何だろうか。実は主に3つの方面を含んで、それぞれはスイッチ管、変圧器とEMIとPCB設計です。

一、スイッチング管とスイッチング周波数

スイッチングチューブはスイッチング電源モジュールのデバイスとして、そのスイッチング速度とスイッチング損失がスイッチング周波数の限界に直接影響しているので、以下に大まかに分析してみよう。

＊スイッチ速度

チューブの損失は、図1に示すように、オン遅延時間td（on）、立ち上がり時間tr、オフ遅延時間td（off）、立ち下がり時間tfのスイッチング損失と駆動損失からなります。

図1 MOS管スイッチ概略図

FAIRCHILD社のMOSを例に、図2　FDD 8880スイッチング時間特性表のように示します。

このMOS管について、その限界スイッチング周波数は：fs=1/（td（on）＋tr＋td（off）＋tf）Hz=1/（8 ns＋91 ns＋38 ns＋32 ns）＝5.9 MHzであり、実際の設計では、制御スイッチングデューティ比が調圧を実現するため、スイッチング管のオンとオフは瞬間的に完了することはできない、すなわちスイッチングの実際の限界スイッチング周波数は5.9 MHzよりはるかに小さいため、スイッチング管自体のスイッチング速度はスイッチング周波数の向上を制限します。

＊スイッチング損失

スイッチングオン時に対応する波形図は図3（A）、スイッチングオフ時に対応する波形図は図3（B）のように、スイッチング管のオン、オフのたびにスイッチング管VDS電圧とスイッチング管に流れる電流IDとが重なる時間（図中の黄色の影の位置）が見られ、損失P 1が生成されると、スイッチング周波数fsの動作状態では総損失PS＝P 1＊fs、すなわちスイッチング周波数が上昇するとスイッチングオンとオフの回数が多くなり、損失も大きくなり、下図3のように示します。

図３　スイッチング管損失の概略図

二、変圧器の鉄損とスイッチング周波数

変圧器の鉄損は主に変圧器渦電流損失によって発生し、図4のように示します。

コイルに高周波電流を印加すると、導体内と導体外で変化した磁場が電流方向に垂直になります（図中1→2→3と4→5→6を参考してください）。電磁誘導の法則によると、変化する磁場は導体内部に誘導起電力を発生させ、この起電力は導体内の全長方向（L面とN面）全体に渦電流（a→b→c→aとd→e→f→dを参考してください）を発生させると、主電流と渦電流は導体表面で強化され、電流が表面に向かうと、導体線の有効交流断面積が減少し、導体交流抵抗（渦電流損失係数）が増大し、損失が増大します。

図4トランス渦電流の概略図

図5のように、変圧器の鉄損はスイッチング周波数のkf二乗に比例し、また磁性温度の制限と関係があるため、スイッチング周波数の向上に伴い、高周波電流のコイル内の流通は深刻な高周波効果を生じ、それによって変圧器の変換効率を低下させ、変圧器の温度上昇を招き、それによってスイッチング周波数の向上を制限します。

図5変圧器の鉄損とスイッチング周波数の関係図

三、EMI及びPCBの設計とスイッチング周波数

上述の電力デバイスの損失が解決したと仮定して、本当に高周波を実現するには一連の工事問題を解決する必要があります。高周波では、インダクタンスはすでに私たちが熟知しているインダクタンスではなく、容量も私たちが知っている容量ではなく、すべての寄生パラメータは相応の寄生効果を生み、変圧器の元副辺の寄生容量、変圧器の漏れ感、PCB配線間の寄生インダクタンスと寄生容量などの電源の性能に深刻な影響を与え、一連の電圧電流波形振動とEMI問題を引き起こすと同時に、スイッチングチューブの電圧応力も試練です。

四、まとめ

スイッチング電源製品の電力密度を高めるには、まずそのスイッチング周波数を高め、変圧器、フィルタインダクタンス、容量の体積を効果的に減らすことができることを考慮するが、直面するのはスイッチング周波数による損失であり、温度上昇放熱設計が難しく、周波数の向上は駆動、EMIなどの一連の工事問題にもつながります。