JP2004266233A

JP2004266233A - Printed circuit board design method and printed circuit board

Info

Publication number: JP2004266233A
Application number: JP2003057704A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Sugawara; 聡菅原
Original assignee: Fuji Electric Device Technology Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2003-03-04
Filing date: 2003-03-04
Publication date: 2004-09-24
Anticipated expiration: 2023-03-04
Also published as: JP4348969B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce ringing noise without increasing the number of components in a printed circuit board with a switching power source packaged therein. <P>SOLUTION: A loop 1 wherein the ringing noise of the switching power source is transmitted, is determined, a print pattern p10 with which parasitic inductance and parasitic capacitance can be enlarged, is determined within the loop 1 and its line inductance is controlled. A frequency of the ringing noise at that time is determined from a natural frequency of the loop 1. only by control to enlarge the line inductance of the print pattern p10 without increasing the number of components, the frequency of the ringing noise can be reduced, so that the printed circuit board wherein high-frequency ringing is suppressed, and the inexpensive switching power source can be configured. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【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]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a printed circuit board design method for mounting a switching power supply and a printed circuit board.
[0002]
[Prior art]
The switching power supply has a structure in which a desired DC voltage is obtained by rectifying the DC voltage by performing high-frequency switching and generates noise during switching in principle. Therefore, the switching power supply is provided with a circuit for suppressing such noise.
[0003]
FIG. 10 is a first circuit diagram of a switching power supply illustrating a conventional noise suppression method, and FIG. 11 is a second circuit diagram of a switching power supply illustrating a conventional noise suppression method.
[0004]
In these switching power supplies, an input capacitor Cin is connected in parallel to a converter input receiving the input voltage VIN, and a series circuit of a main switch Q1 and a synchronous rectification switch Q2 is connected in parallel to the input capacitor Cin. An output capacitor Cout is connected to a connection point between the main switch Q1 and the synchronous rectification switch Q2 via a choke coil CH. The connection point between the choke coil CH and the output capacitor Cout is connected to the load resistance R via the filter F in the circuit of FIG. 10, and to the load resistance R via the low dropout regulator LDO in the circuit of FIG. Have been.
[0005]
These switching power supply circuits constitute a step-down DC / DC converter that outputs a DC voltage lower than the input voltage VIN across the output capacitor Cout by the switching operation of the main switch Q1 and the synchronous rectification switch Q2.
[0006]
In the switching power supply having the above-described configuration, ringing noise caused by the on / off operation of the main switch Q1 and the synchronous rectification switch Q2 is generated at both ends of the output capacitor Cout. Therefore, in the circuit of FIG. Transmission of the output noise of the switching power supply to the load is avoided, and in the circuit of FIG. 11, transmission of the output noise of the switching power supply to the load is avoided by rectification using the low dropout regulator LDO.
[0007]
Further, a technique for reducing ringing noise by using a material for a printed circuit board is also known (for example, see Patent Document 1). This technology uses printed circuit board materials that have a large dielectric loss, that is, those that have a large resistance component among the board impedances, intentionally increase transmission loss and attenuate high-frequency components to smooth the waveform and reduce ringing noise. I try to reduce it.
[0008]
[Patent Document 1]
JP-A-6-177612 (paragraph numbers [0021] to [0032], FIG. 4)
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, the ringing noise generated at both ends of the output capacitor has a frequency of 100 MHz to several hundred MHz. To reduce the noise in this frequency band, a filter using a passive element is affected by the parasitic impedance of the element. The effect is reduced. In addition, when a low dropout regulator is used, the filter effect of the low dropout regulator is generally up to about several MHz, and there is no effect in reducing ringing noise. Moreover, the use of filters and low dropout regulators to reduce output noise increases the number of components other than the switching power supply circuit. It is desirable to use a ground, but this becomes more difficult as the frequency increases.
[0010]
In addition, the method of reducing ringing noise using a printed circuit board made of a material having a large dielectric loss is a method of increasing transmission loss and attenuating a high frequency to blunt a waveform. There is a problem that a line signal for which a response is desired is dulled, and further, a material of a printed circuit board is limited.
[0011]
The present invention has been made in view of the above points, and provides a printed circuit board design method and a printed circuit board that reduce ringing noise without increasing the number of components and without increasing transmission loss. The purpose is to do.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In the present invention, in order to solve the above-mentioned problem, in a printed circuit board design method of a printed circuit board on which a switching power supply is mounted, a frequency of a ringing noise output by the switching power supply is changed to a print pattern in a loop through which the ringing noise transmits. A method of designing a printed circuit board, wherein the ringing noise is set to a desired frequency by adjusting the line inductance by using a method obtained from a loop natural frequency calculated from a line inductance and a parasitic capacitance. Is provided.
[0013]
According to such a printed circuit board design method, by adjusting the inductance of the line of the printed pattern in the loop to which the ringing noise is transmitted while adjusting the frequency of the ringing noise obtained from the natural frequency of the loop, the ringing noise can be reduced. It is possible to design a printed circuit board in which the frequency is suppressed up to the above frequency. Since the frequency of the ringing noise is adjusted by adjusting the inductance of the line of the print pattern, the ringing noise can be reduced without increasing the number of components.
[0014]
Further, according to the present invention, in a printed circuit board on which a switching power supply is mounted, a wiring pattern for connecting a ground terminal of the switching power supply and an output capacitor forms a low-pass filter by its parasitic inductance and parasitic capacitance. Is provided.
[0015]
According to this printed circuit board, a low-pass filter is formed by the parasitic inductance and the parasitic capacitance of the wiring pattern, so that ringing noise can be reduced without providing a number of components for noise reduction, and an inexpensive switching power supply is formed. be able to.
[0016]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, a printed circuit board design for reducing ringing will be described with reference to an example in which an embodiment of the present invention is applied to a step-down DC / DC converter.
[0017]
FIG. 1 is a diagram showing a main circuit of a step-down DC / DC converter shown assuming each line of a printed circuit board.
The main circuit of the step-down DC / DC converter basically includes an input capacitor Cin, a main switch Q1, a synchronous rectification switch Q2, a choke coil CH, an output capacitor Cout, and a load resistor R.
[0018]
Here, a print pattern between the converter input and the input capacitor Cin is indicated by p1, and a wiring pattern of the input capacitor Cin is indicated by p2 and p3. The printed pattern between the source terminal of the main switch Q1 and the input capacitor Cin is indicated by p4, and the wiring patterns of the main switch Q1 and the synchronous rectification switch Q2, and the wiring patterns including the wiring in the mold and the bonding wires are p5, p6 and p7, respectively. Is shown. The wiring patterns of the choke coil CH are indicated by p8 and p9. The print pattern between the source terminal of the synchronous rectification switch Q2 and the output capacitor Cout is indicated by p10, and the wiring pattern of the output capacitor Cout is indicated by p11 and p12. The printed pattern between the printed pattern p10 and the wiring pattern p12 and the solid ground GND is denoted by p13, and the wiring pattern of the load resistor R is denoted by p14 and p15.
[0019]
In designing a printed circuit board, first, a loop that generates ringing noise is determined from the circuit of FIG. Here, since the ringing noise occurs at both ends of the output capacitor Cout, a loop including the output capacitor Cout is considered. The natural frequency of a loop including a large capacity element such as a battery and a high inductance element such as a choke coil CH is low. For example, in a loop including the choke coil CH and the output capacitor Cout, if the other elements in the loop are ignored, the choke coil When CH is 1 μH and output capacitor Cout is 1 μF, the natural frequency f is
[0020]
(Equation 1)
f = 1 / 2π√ (LC) = 159 kHz (1)
And does not reach the frequency of the order of MHz of the ringing noise. Therefore, a loop that does not include the battery and the choke coil CH is considered.
[0021]
FIG. 2 is a diagram showing a loop through which ringing noise passes.
As described above, in the circuit of FIG. 1, the loop 1 not including the choke coil CH is determined as the loop through which the ringing noise passes, and this loop 1 is the most important loop involved in the ringing noise.
[0022]
Next, the natural frequency of the loop 1 is estimated. By setting the natural frequency of the loop 1 lower than the noise frequency to be reduced, it is possible to suppress the ringing of the frequency exceeding the natural frequency.
[0023]
FIG. 3 is a diagram showing a circuit when each line of the circuit of FIG. 1 is assumed to be an inductance.
In this figure, the inductances of the printed patterns p1, p4, p10 and p13 are indicated by L1, L4, L10 and L13, respectively, and the wiring patterns p2, p3, p5, p6, p7, p8, p9, p11, p12, p14 and p15. Are denoted by L2, L3, L5, L6, L7, L8, L9, L11, L12, L14 and L15, respectively.
[0024]
Here, the main switch Q1 and the synchronous rectification switch Q2 can be regarded as short-circuited when both are on, and as a capacitor when off, so that the main switch Q1 is on and the synchronous rectification switch Q2 is off. FIGS. 4 and 5 show equivalent circuits when the switch Q1 is off and the synchronous rectification switch Q2 is on.
[0025]
FIG. 4 is an equivalent circuit diagram when the main switch is on and the synchronous rectification switch is off, and FIG. 5 is an equivalent circuit diagram when the main switch is off and the synchronous rectification switch is on.
Here, the on-resistances of the main switch Q1 and the synchronous rectification switch Q2 are ignored. In these equivalent circuits, the output capacitance of the main switch Q1 when turned off is indicated by CDS1, and the output capacitance of the synchronous rectification switch Q2 is indicated by CDS2.
[0026]
In this circuit, the natural frequency f of the loop 1 shown in FIG.
[0027]
(Equation 2)
f = 1 / 2π√ (LC) (2)
Is required. Here, the inductance L of the loop 1 is
[0028]
[Equation 3]
L = L2 + L3 + L4 + L5 + L7 + L10 + L11 + L12 + L14 + L15 (3)
When the main switch Q1 shown in FIG. 4 is on and the synchronous rectification switch Q2 is off,
[0029]
(Equation 4)

[0030]
When the main switch Q1 shown in FIG. 5 is off and the synchronous rectification switch Q2 is on,
[0031]
(Equation 5)

[0032]
Is required. In Expressions 4 and 5, Ci is the capacitance of the input capacitor Cin, and Co is the capacitance of the output capacitor Cout.
Next, the inductance of the printed pattern is determined. In order to lower the natural frequency f, L and C in Equations 4 and 5 may be increased. However, the value of C is limited by the smallest of its constituent capacitances. Normally, the capacitance Ci of the input capacitor Cin and the capacitance Co of the output capacitor Cout are several μF or more, and the output capacitances CDS1 and CDS2 of the main switch Q1 and the synchronous rectification switch Q2 are several nF or less. It is determined by Q1 or the output capacitances CDS1 and CDS2 of the synchronous rectification switch Q2, and it is difficult to increase C even if the input capacitor Cin and the output capacitor Cout are increased. On the other hand, L is constituted by the inductance of the printed pattern, and can be easily increased by the width and length of the printed pattern.
[0033]
Here, the ringing noise is represented by (L11 + L12) dIco / dt [V], where Ico is the current flowing through the output capacitor Cout. Therefore, the inductances L11 and L12 of the wiring patterns p11 and p12 of the output capacitor Cout cannot be increased. When the current flowing through the input capacitor Cin is Ici, noise of (L2 + L3) dIci / dt [V] is generated as input feedback noise. Therefore, the inductances L2 and L3 of the wiring patterns p2 and p3 of the input capacitor Cin cannot be increased. Therefore, L is set by the inductances L4, L10, L5, L7, L14, L15 of the print patterns p4, p10 and the wiring patterns p5, p7, p14, p15.
[0034]
FIG. 6 is a diagram showing a comparison of ringing waveforms by adjusting L.
Here, when the main switch Q1 is on and the synchronous rectification switch Q2 is off, C = 34 pF, when the main switch Q1 is off and the synchronous rectification switch Q2 is on, C = 91 pF, and the input voltage VIN of the DC / DC converter = 4 V, output voltage = 2 V, switching frequency = 2 MHz, inductance of the choke coil CH = 1 μH, and Ci = Co = 1 μF.
[0035]
For example, if L when the inductances L4, L10, L5, L7, L14, and L15 of the printed patterns p4, p10 and the wiring patterns p5, p7, p14, and p15 are not adjusted is L = 25 nH, the above calculation will be used. When Q1 is on and the synchronous rectifier switch Q2 is off, the natural frequency f of the loop 1 is 173 MHz. When the main switch Q1 is off and the synchronous rectifier switch Q2 is on, the natural frequency f of the loop 1 is 106 MHz.
[0036]
In the measurement under these conditions, when the main switch Q1 was on and the synchronous rectification switch Q2 was off, the frequency f of the ringing noise was about 170 MHz and the voltage width Vpp of the ringing noise was 40 mV. On the other hand, when the main switch Q1 was off and the synchronous rectification switch Q2 was on, the frequency f of the ringing noise was about 100 MHz, and the voltage width Vpp of the ringing noise was 50 mV.
[0037]
Here, if L is adjusted to 100 nH using the above calculation in order to suppress the ringing noise of 90 MHz or more, when the main switch Q1 is on and the synchronous rectification switch Q2 is off, the natural frequency f of the loop 1 is 86 MHz. When the main switch Q1 is off and the synchronous rectification switch Q2 is on, the natural frequency f of the loop 1 is 53 MHz.
[0038]
In the measurement under these conditions, when the main switch Q1 was on and the synchronous rectification switch Q2 was off, the frequency f of the ringing noise was about 80 MHz, and the voltage width Vpp of the ringing noise was 20 mV. On the other hand, when the main switch Q1 was off and the synchronous rectification switch Q2 was on, the frequency f of the ringing noise was about 50 MHz, and the voltage width Vpp of the ringing noise was 20 mV.
[0039]
FIG. 7 is a diagram showing the effect of reducing ringing by adjusting L.
In this figure, the horizontal axis shows the inductance of the loop 1 and the vertical axis shows the voltage width of the ringing noise. According to FIG. 7, when the inductance L of the loop 1 is L = 25 nH, the voltage width of the ringing noise is 50 mV at the maximum. However, by calculating and adjusting the inductance of the print pattern by the above calculation, L = At 100 nH, it can be seen that it is suppressed to about 20 mV, which is less than half.
[0040]
The above calculation method is to determine the line inductance of the printed pattern of each part to an optimum value by calculating and adjusting the natural frequency in a loop that does not include a battery and a choke coil even in a boost converter or a buck-boost converter. Is possible.
[0041]
Next, a specific example of a line pattern for reducing ringing noise will be described.
FIG. 8 is a diagram showing a circuit in which a low-pass filter is constituted by the inductance and capacitance of a line.
[0042]
The ringing noise reaches the output capacitor Cout via the lines of the wiring pattern p7 and the print pattern p10 in FIG. 1 by the switching operation of the main switch Q1 and the synchronous rectification switch Q2. Therefore, in this circuit, the inductance L10 of the printed pattern p10 and the parasitic capacitance Cp between the inductance L10 and the solid ground GND are increased, and the AC impedance between the inductance L10 and the solid ground GND is reduced. A low-pass filter is configured to reduce ringing noise.
[0043]
FIG. 9 is a diagram illustrating a configuration example of a low-pass filter on a substrate.
On the printed circuit board 2, a printed pattern 3 constituting a converter output, a printed pattern 4 connecting the choke coil CH to a connection point of the main switch Q1 and the synchronous rectifying switch Q2, and a source terminal of the synchronous rectifying switch Q2 are provided. A printed pattern 5 for connection with the output capacitor Cout is formed, and an integrated circuit IC having a main switch Q1 and a synchronous rectification switch Q2, a choke coil CH, and an output capacitor Cout are mounted.
[0044]
Here, the printed pattern 5 has a spiral structure, one end of which is connected to the integrated circuit IC by a bonding wire 6 and the other end is connected to a solid ground GND at a point 7. With the spiral structure, the length of the printed pattern 5 is increased, the parasitic inductance between the source terminal of the synchronous rectification switch Q2 and the output capacitor Cout is increased, and the parasitic capacitance Cp between the solid ground GND and the solid ground is increased. Thus, a low-pass filter is configured. This low-pass filter reduces ringing noise. Specifically, the ringing noise was reduced to 1/3 under the same operating conditions as in FIG.
[0045]
In the above description, a step-down DC / DC converter has been described as an example of a switching power supply. However, it is needless to say that the same can be applied to a step-up type or step-up / step-down DC / DC converter.
[0046]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, in the switching power supply, the natural frequency of the loop contributing to the ringing noise of the printed circuit board on which the switching power supply is mounted is adjusted by the inductance of the printed pattern, or the line passing the ringing noise component is adjusted. A low-pass filter is constituted by the parasitic inductance and the parasitic capacitance. Thereby, ringing noise output from the switching power supply can be reduced.
[0047]
Further, according to the present invention, the natural frequency of the loop contributing to ringing noise is adjusted by the inductance of the printed pattern, so that there is no restriction on the material of the printed circuit board, and measures are taken with the wiring pattern. Need not be added, and a measure specific to ringing can be taken, so that other parameters such as input feedback noise are not adversely affected.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a main circuit of a step-down DC / DC converter shown assuming each line of a printed circuit board.
FIG. 2 is a diagram showing a loop through which ringing noise passes.
FIG. 3 is a diagram showing a circuit when each line of the circuit of FIG. 1 is assumed to be an inductance.
FIG. 4 is an equivalent circuit diagram when a main switch is on and a synchronous rectification switch is off.
FIG. 5 is an equivalent circuit diagram when a main switch is off and a synchronous rectification switch is on.
FIG. 6 is a diagram showing a comparison of ringing waveforms by adjusting L.
FIG. 7 is a diagram showing an effect of reducing ringing by adjusting L.
FIG. 8 is a diagram showing a circuit in which a low-pass filter is configured by the inductance and the capacitance of a line.
FIG. 9 is a diagram illustrating a configuration example of a low-pass filter on a substrate.
FIG. 10 is a first circuit diagram of a switching power supply illustrating a conventional noise suppression method.
FIG. 11 is a second circuit diagram of a switching power supply illustrating a conventional noise suppression method.
[Explanation of symbols]
1 Loop 2 Printed circuit board 3 Print pattern 4 Print pattern 5 Print pattern 6 Bonding wire 7 Point Q1 connected to ground GND Main switch Q2 Synchronous rectifier switch Cin Input capacitor Cout Output capacitor CH Choke coil

Claims

In the printed circuit board design method of the printed circuit board mounting the switching power supply,
The inductance of the line is adjusted by using a method of obtaining the frequency of the ringing noise output from the switching power supply from the natural frequency of the loop calculated from the inductance and the parasitic capacitance of the line of the printed pattern in the loop to which the ringing noise is transmitted. Thereby setting the ringing noise to a desired frequency.

The calculation method according to claim 1, wherein a loop that transmits the ringing noise is set to a loop that does not include a battery and a choke coil but includes an output capacitor.

3. The printed circuit board design method according to claim 2, wherein the inductance of the line is set to a value at which a natural frequency of the loop is lower than a frequency at which the ringing noise is to be suppressed.

4. The printed circuit board design method according to claim 3, wherein the inductance is a line which does not include a wiring line of an input capacitor and an output capacitor among lines constituting the loop.

5. The printed circuit board design method according to claim 4, wherein the line is a wiring pattern for connecting a ground terminal of the switching power supply and an output capacitor.

On a printed circuit board on which a switching power supply is mounted,
A printed circuit board, wherein a wiring pattern for connecting a ground terminal of the switching power supply and an output capacitor forms a low-pass filter by its parasitic inductance and parasitic capacitance.

The printed circuit board according to claim 6, wherein the wiring pattern has a spiral structure.