電源ICの内部回路は3ブロックに分けられる

スイッチング電源ICの基板実装技術

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電源ICの内部回路構成

電源ICは主に以下の3つのブロックで構成されています

1. パワー・ステージ部：ハイ・サイド/ロー・サイドMOSFETによる電力変換を担当
2. 制御回路部：ピーク電流モード制御と誤差増幅器による出力電圧安定化
3. 保護回路部：過電圧，過電流，熱シャットダウン機能を備える

LT8609Aのブロック図に基づき，ハイ・サイドFETとロー・サイドFETが交互に動作することで入力電圧$V_{in}$を出力電圧$V_{out}$に変換します．ハイ・サイドFETがオンの場合，インダクタ$L_r$には$V_{in}-V_{out}$が印加され，インダクタ電流がリニアに上昇します．一方でロー・サイドFETがオンになると逆起電力が作用し，インダクタ電流が減少します．この動作を繰り返すことで出力電圧を安定化します．

スイッチング電源ICの基板実装技術

スイッチング電源ICの基板実装では以下の設計要素が重要です

1. パワー・ループ配線：入力キャパシタとMOSFET間の配線インダクタンスを低減
2. ノイズ耐性設計：制御信号経路をノイズから保護するためのシールドやグラウンド分離
3. 熱設計：MOSFETやインダクタの放熱経路を確保し，効率的な熱管理を実現

基板レイアウトでは，大電流が流れる経路とノイズに敏感な制御信号経路を分離することが推奨されます．スイッチング・ノードの配線長は最小化し，高周波動作時の寄生インダクタンスや放射ノイズを抑える必要があります．多層基板を用いる場合には，パワー層と制御層を物理的に分離する設計が有効です．

MOSFETとインダクタの役割

MOSFETはスイッチング動作による高速なオン/オフ制御を担当します

1. ハイ・サイドMOSFET：入力電圧からエネルギをインダクタへ供給
2. ロー・サイドMOSFET：インダクタから負荷へエネルギを放出

インダクタはエネルギ蓄積と放出を担い，リプル量$\Delta I_L$はスイッチング周波数$f_{sw}$およびインダクタ値$L_r$で決定されます．適切なインダクタ値選択は効率と応答性のバランスを取る上で重要です．

基板実装技術の要点

基板実装技術では以下の設計指針が重要です

1. 高周波動作時のノイズ抑制：グラウンド・プレーンやシールドによる干渉防止
2. 熱管理：サーマル・ビアやヒートシンクによる効率的な放熱設計
3. 配線最適化：寄生インダクタンスや抵抗損失を最小化する配線設計

これらの設計指針は，スイッチング電源ICの性能向上や信頼性確保に寄与します．〈著：ZEPマガジン〉

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著者紹介

• 2003年　パデュー大学大学院を卒業
• 2007年　リニアテクノロジー株式会社にFAEとして入社
• 2017年　アナログ・デバイセズ株式会社 車載ビジネス・デブロップメント・スペシャリスト．主に新製品の企画や開発に携わる

著書

1. ［VOD］小型＆高出力！高効率電源設計のためのSiC/GaNトランジスタ活用 100の要点，ZEPエンジニアリング株式会社．
2. ［VOD］Before After！ハイパフォーマンス基板＆回路設計 100の基本【パワエレ・電源・アナログ編】/【IoT・無線・通信編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
3. ［VOD］Before After！ハイパフォーマンス基板＆回路設計 100の基本【パワエレ・電源・アナログ編】，ZEPエンジニアリング株式会社．

参考文献

1. ［VOD］Before After！ハイパフォーマンス基板＆回路設計 100の基本【パワエレ・電源・アナログ編】/【IoT・無線・通信編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
2. ［VOD］Before After！ハイパフォーマンス基板＆回路設計 100の基本【パワエレ・電源・アナログ編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
3. ［VOD/KIT/data］一緒に作る！LLC絶縁トランス×超高効率・低雑音電源 完全キット，ZEPエンジニアリング株式会社．
4. ［VOD］高速＆エラーレス！5G×EV時代のプリント基板＆回路設計 100の要点，ZEPエンジニアリング株式会社．
5. ［VOD］ Before After！ ハイパフォーマンス基板＆回路設計 100の基本【パワエレ・電源・アナログ編】/【IoT・無線・通信編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
6. ［Book/PDF］デシベルから始めるプリント基板EMC 即答200，ZEPエンジニアリング株式会社．
7. ［VOD/KIT］ポケット・スペアナで手軽に！基板と回路のEMCノイズ対策 10の定石，ZEPエンジニアリング株式会社．
8. ［VOD］事例に学ぶ放熱基板パターン設計 成功への要点，ZEPエンジニアリング株式会社．
9. ［VOD］Pythonで学ぶ マクスウェル方程式 【電場編】＋【磁場編】，ZEPエンジニアリング株式会社．