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スイッチング・レギュレータの設計方法

どのようなシステム開発を行っていても、電源回路設計が必要です。FPGAが搭載されているような、基板設計を行う場合は、5個以上のスイッチング・レギュレータの搭載が必要になる場合があります。

少し難しく感じてしまうスイッチング・レギュレータの設計手順と検証方法について紹介します。

スイッチング・レギュレータの選定と回路図

例えば、入力VIN=12(V) 出力VOUT=3.3(V)  負荷電流IOUT=4(A)が必要な場合を考えてみます。
80%ディレーティングを考慮して、負荷電流は5(A)品 [=4(A)÷80%] を選定します。

要求仕様から、LT8640を選定しました。

使用するスイッチング・レギュレータが決まったら、まず最初に確認して頂きたいのはデーターシートになります。日本語版と英語版があります。日本語版を見て頂いても問題ありませんが、必ず英語版の方で確認を行ってください。

アナログ・デバイセズ社のデーターシートには、参照回路図が多く掲載されています。
データーシートから、要求仕様に合った回路図を選定します(図1)。

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図1: LT8640の回路図

要求仕様の参照回路が無い場合や周辺定数の確認

参照回路図があった場合は、そのまま実際の回路に適用することが可能です。
ただし、念のためデーターシートのアプリケーション・インフォメーションの部分にある、計算式を用いて回路定数に間違いが無いか確認を行ってください。

参照回路図が無い場合には、2通りの設計方法があります。

1つ目の方法は、データーシートのアプリケーション・インフォメーションの部分にある計算式などを用いて、回路設計を行って頂く方法です。

2つ目の方法は、アナログ・デバイセズ社が提供しているLTPowerCADを使用して回路図を作成する方法です。
LTPowerCADを使用することで、補償回路の設計を行うことも可能です。

スイッチング・レギュレータの周辺定数の設計方法などを知りたい方は、電源設計セミナー導入編の受講をお勧めします。

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図2: LTPowerCAD

スイッチング・レギュレータの動作検証

回路図ができても、実際のノイズ性能や効率が期待している特性か確認が必要になります。

推奨は、評価ボードをマクニカマウザーなどから入手して実機で動作確認を行っていただく事です。
参考ですが、LT8640の評価ボードDC2202Aはこちらから購入可能です。

同じコンデンサ容量であっても、使用するメーカーや型番によって得られる電源の特性が変わりますので、念のため実機での検証を推奨しています。

デモボードを入手する前に回路検証する方法

デモボードで検証することが最も良いのですが、入手までに時間がかかる場合や即日回路図を検証したい場合などは困ります。

その様な場合には、アナログ・デバイセズ社が無償提供しているLTspiceを使用して、回路検証を行うことが可能です。

LTspiceのダウンロードは、こちらから

パソコンにLTspiceをインストールして頂ければ、回路検証をシミュレーション上で行うことが可能です。

また、LTspice上でデモボードの回路検証したい場合は、図3の様にアナログ・デバイセズ社の製品ページにデモボードのLTspice回路が掲載されています。有効活用してください。

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図3:デモボードのLTspice用回路リンク

仮に、LTspice上で回路検証した時に、所望のシミュレーション結果が得られない場合には、何か回路上に問題がある可能性が高いです。

その様な場合には、回路図を確認して接続が間違っていないか? 周辺定数の設定に違いが無いか?など確認することが重要です。

パターン設計で全てが決まる!

回路図ができて、LTspice上も期待通りの結果が出たので「設計完了!」と言いたいところですが、最後のパターン設計(アートワーク)が残っています。

スイッチング・レギュレータの性能は、パターン設計で決まります。

アナログ・デバイセズ社推奨の回路図をコピーして使ったとしても、LTspiceで動作した回路図を使ったとしても、パターン設計にミスがあるとノイズが大きくなったり、スイッチング・レギュレータが動作しない(最悪の場合、破損する)などの問題が発生します。

その様な問題が発生しないように、パターン設計を行う際には、次の2つの事を確認してください。

  1. データーシートの推奨レイアウトの注意点を守ること
  2. デモボードのデザインファイル内のパターン・レイアウト情報を元に設計すること

データーシート内のパターン・レイアウトは、簡易的に書いてあることがあるのでデモボードのデザイン情報を必ず確認してください。

LT8640のデザイン情報は、こちらのリンク

また、パターン設計をCAD担当の方に任せきりせず、自分でも再度デモボードと同じ様なパターン設計になっているか確認することが非常に重要です。

ここまで行って問題が無ければ、基板の出来上がりを待ちましょう~

 

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