PCB설계(PCB Design, PCB Artwork) for DCDC Converter.

 

오늘은 PCB설계(PCB Design, PCB Artwork) for DCDC Converter에 대한 고찰을 해 보겠습니다.

 

 

전자 엔지니어로서, PCB Artwork은 실제로 상당히 어려우며, 주어진 공간에, 주어진 부품으로 공간배치를 함에 있어 피할 수 없는 어려움에 많이 부딪힙니다. 

제가 본 글의 원문을 읽고서 기술적으로 내용이 잘 표현되어 있고, 자료의이해 부분과, 내용의 전달에 있어 본자료를 인용하여, 좀 더 자세히 설명함과 공유함은 엔지니어의 순수한 마음입니다.

이 글을보시는 엔지니어분, 그리고, 공부하시는 분께 조금이나마, PCB artwork에 도움이 되었으면 합니다.

이러한 마음을 Rohm Semiconductor에서도 깊은 이해 부탁드립니다.

 

본 자료의 출처는 Rohm Semiconductor입니다.

Rohm Semiconductor의 Switching Regulator Series의 Buck Converter의 PCB Layout Techniques 자료입니다.

 

 

DCDC Converter PCB Layout.

스위칭 전원 공급 장치 IC를 위한 PCB 레이아웃 설계는 회로설계만큼 중요합니다. 

적절한 레이아웃은 Switching 방식의 회로로 인한 다양한 문제를 피할 수 있습니다.

부적절한 레이아웃으로 인해 발생하는 주요 문제는 스위칭 신호에 의해 중첩되는 노이즈 증가, IC의 열 폭주를 유발할 수 있습니다.

아래 내용을 참고하여, 일어날 수 있는 이러한 문제를 사전에 해결할 수 있습니다.

 

 

 

PCB 레이아웃 방법.

 

 

참고로, 아래 회로의 PC Board Layout Checklist는 다음과 같습니다

 

1. The power traces, consisting of the GND, SW and VIN traces, should be kept short, direct and wide.

 

2. Place CIN near IN pin as closely as possible to maintain input voltage steady and filter out the pulsing input current.

 

3. The resistive divider R2 and R4 must be connected directly to FB pin as closely as possible.

 

4. FB is a sensitive node. Please keep it away from switching node SW. A good approach is to route the feedback trace on another layer and have a ground plane between the top and feedback trace routing layer. This reduces EMI radiation on to the DC-DC converter’s own voltage feedback trace.

 

 

 

 

위의 회로도에서, C4 ElectCap은 Ripple제거용이며, C8세라믹 Cap은고주파 Noise제거용입니다.

입력 Ceramic Cap의 경우, 0.1 µF ~ 0.47 µF값을 갖는, X5R 또는 X7R Type인 표면실장형SMD(Surface Mount Device) 적층 세라믹 커패시터를 사용합니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

대부분 아래의 내용을 준수하면, 대체로 결과는 좋습니다.

 

1. IC 단자와 입력 커패시터와 프리휠 다이오드를 동일한 PCB Layer에, 그리고 가능한 IC에 가깝게 배치합니다.

 

2. 필요한 경우 열 방출을 개선하기 위해 큰 Size Via Hole사용할사용 할 수 있습니다. 아래 그림과 같이 잘 배치되어 있습니다.

 

 

 

3. EMI의 방사 노이즈를 최소화 하기위해 전류 Path인 Switching IC, Diode, 인덕터와 출력 커패시터를 가깝게 배치합니다. 아래 그림과 같이, 인덕터 주변에 공간이 있다고 해서 Copper면적은 만들지 마세요. 이러한 Copper는 Noise의안테나로써 Noise의 근원이 됩니다. 인덕터 주변 Copper면적을 증가시키는 것은 Pattern으로 인한 임피던스 개선 및 부품의 냉각을 위해 온도를 내릴 것으로 착각할 수 있습니다. 그러나 넓은 Copper영역은 안테나 역할을 하며, EMI Noise를 증가시킬 수 있습니다.

 

 

 

 

 

 

4. 아래 그림과 같이, 인덕터를 배치할 때, 인덕터 PAD 바로 아래에 Gnd Pattern을 두지 않습니다. Gnd Pattern영향으로 인덕터 값은 감소하고 손실은 증가합니다. 그래서 인덕터 PAD 바로 아래에는 Pattern을 배선하지 않는 것이 좋습니다.

 

 

 

 

 

Feedback Pattern.

 

피드백 신호 경로는 가장주의가 필요한 배선 Pattern입니다.

만약 이 배선에 Noise가 있다면, 계속 증폭되어, 출력 전압에오류 및 가 오동작하여 불안정할 것입니다.

 

 

 

1. 위의 (a)부분과 같이, IC의 Feedback 단자와 Feedback 받는 저항 간의거리는 짧은 Pattern으로 연결되어야 합니다, 즉, 저항 분배 회로를가깝게 배치하면 Noise가 감소합니다.

 

2. 위의 (b)부분과 같이, 출력 전압을 감지하는 Part는 출력 커패시터 양쪽 끝 이후부분에 연결해야 합니다. 정확한출력 전압의 Feedback을 받을 수 있습니다.

 

3. 위의 (c)부분과 같이, 가능한 Feedback Pattern은 +, - 모두 같이 나란히 가는 것이 좋습니다, 오는 중간에다른 곳 (Gnd)에 연결하지 마세요, Noise의 원인이 됩니다.

 

4. 위의 (d)부분과 같이, 그리고, 아래 그림의 왼쪽과 같이, SW Pin, 인덕터와 다이오드의 메인 스위칭 전류가 흐르는 곳으로부터 멀리 떨어진 곳에서 출력 Elect-Cap을 지나서 피드백 신호 Pattern을 뽑으세요.

 

5. 아래 그림의 오른쪽과 같이, 인덕터에서 통하여 Pattern을 만들지 마세요. SW Pin이 Switching 하기 때문에 feedback 신호에 Noise가 같이 반응합니다.

 

 

 

 

 

PCB Pattern.

 

아래 그림과 같이 PCB Pattern을 Artwork 할때 오른쪽으로 갈수록 각이 줄어들고 곡면을 이용하면, Noise의 안테나 역할을 하는 전류가 모서리에 치우침이 없어, EMI에 상당한 도움이 됩니다.

 

 

 

 

 

 

여기서 잠깐 PCB동판 두께에대해 조금만 알고 가겠습니다.

 

 

PCB는 보통 Pattern을 그릴 수 있는 Copper두께를 아래와 같이 3종류를 사용합니다

 

0.5OZ(Ounce), 온스=0.0175mm=17.5uM

1OZ(Ounce), 온스=0.035mm=35uM

2OZ(Ounce), 온스=0.07mm=70uM

 

참고로, PCB원판 제작 시, PCB의 동판 두께를 무게 단위인 온스(OZ ) 단위로사용한답니다.

1온스는 1평방 피트(Feet)에깔린 동판의 무게를 의미한답니다.

 

허용전류 흐름은 Pattern 폭을 결정하는 지침 중 하나입니다.

아래 그림은 발열 및 도체 폭에 어느정도 양의 전류가 흐를 때, 온도 상승에 대한 그래프를 보여줍니다.

예를 들어, 도체(동판) 두께가 인 Pattern을 통해 2A 전류가 흐를 때, 온도 상승허용을 20°C까지 한다면, 0.53mm의 Pattern 너비가 적합함을 보여주는 그래프입니다.

 

Pattern은 주변 부품의 열에 의해 영향을 받을 수 있습니다, 충분한 Margin을 고려한 Pattern폭 사용을 권장합니다.

예를 들어,

1 온스(35 µm) 기판 도체는, 1A 당 1mm 이상의 너비에,

2 온스(70 µm) 기판 도체는, 1A 당 0.7mm 이상의 너비에 사용됩니다.