サンシン電気株式会社
アートワーク設計の基礎知識
サンシン電気株式会社では、小ロット生産やカスタマイズに対応したアートワーク設計を通じて、お客様の多様なニーズにお応えしています。
柔軟な生産体制と高いカスタマイズ性
当社は、少量多品種生産に対応し、特定の用途やお客様の要求に応じた電源装置の特注設計・製作が可能です。
高品質と信頼性の追求
最新の技術と豊富なノウハウを活かし、低ノイズ、高効率、長寿命、小型化など、多様な要望に応えるカスタム電源を提供しています。
トータルサポート体制
要件定義から設計、試作、性能評価、量産、品質管理、納品まで、電源やトランスに関するニーズにワンストップで対応し、お客様の製品開発を支援します。
サンシン電気のカスタム電源に関する詳細は、こちらのページをご覧ください。
はじめに：電源回路設計の重要性とアートワークの役割
電源回路は現代の電子機器において、安定した動作を確保するために欠かせない要素です。電源は、電子機器に必要な電圧と電流を提供し、機器全体の性能や寿命に大きな影響を与えます。そのため、電源回路の設計には高い精度と効率が求められます。
一方で、電源回路を基板上に実装する際の「アートワーク設計」も非常に重要です。アートワーク設計とは、回路図を基に基板上に電子部品を配置し、配線パターンを設計する作業を指します。これには、信号の伝達や電源の安定性を確保するための細かい工夫が必要であり、特に電源回路においては、ノイズ対策や効率的なレイアウトが重要な要素となります。
この記事では、電源回路におけるアートワーク設計の基本的なポイントから、ノイズ対策、効率的なレイアウト設計、使用するツールに至るまで、具体的な設計方法と実例を紹介していきます。
アートワーク設計における基本的なポイント
電源回路のアートワーク設計は、単に部品を基板上に配置するだけではありません。信号の伝達速度や電流の流れ、さらには熱の発生などを考慮しながら設計を進める必要があります。
回路図からPCB設計への移行
回路図は、電源回路の機能を示す設計図であり、回路がどのように動作するかを理解するための基本的な資料です。回路図を基に、どの部品を基板上に配置し、どのように配線するかを決定します。この時点で重要なのは、部品の配置が機能的かつ効率的であることです。部品が配置された後、次はそれらをつなげるための配線が必要です。
図１ スイッチング電源回路図
図２ プリント基板（図１からアートワークした内容）
基板レイアウトの基本原則
基板レイアウトにおいては、次の基本原則を守ることが重要です：
- 部品配置：重要な部品（例えば、電源ICやフィルタコンデンサなど）は、最適な位置に配置し、効率的な信号の流れを実現します。
部品同士の距離を最適化し、配線が無駄に長くならないようにします。 - 配線：信号線と電源線は適切に分けて配置することで、ノイズの影響を最小限に抑えることができます。
また、配線の幅やレイヤーの選択も重要です。 - 電源パターン：電源回路では、安定した電圧を供給するための電源パターン設計が不可欠です。
電源パターンは、できるだけ広い面積で作成し、抵抗を減らすことが求められます。
電源回路のアートワーク設計でのノイズ対策
電源回路において、ノイズ対策は非常に重要です。電源回路は、特に高周波のノイズや電磁波の影響を受けやすいため、適切な設計がなされていない場合、機器全体の性能に悪影響を及ぼします。
電源回路のノイズ源とその影響
電源回路で発生するノイズは、主に以下の原因によります：
- スイッチングノイズ：DC-DCコンバータなどのスイッチング型電源回路は、スイッチング時にノイズを発生させることがあります。
これが他の回路に干渉し、誤動作を引き起こす原因となります。 - 電磁干渉（EMI）：電源回路から放出される電磁波が、他の機器や回路に干渉し、動作不良を引き起こす可能性があります。
ノイズを最小限に抑えるための設計方法
グラウンドプレーンの設計：
ノイズ対策の基本となるのが、グラウンドプレーンの使用です。基板全体に均等なグラウンドプレーンを設けることで、ノイズの発生を抑制します。
デカップリングコンデンサの配置：
デカップリングコンデンサは、電源からのノイズを除去するために使われます。適切な位置に配置することで、ノイズの影響を最小化できます。
図３ デカップリングコンデンサ（青点線部分）
配線の引き方とシールド：
配線を短く、直線的に保つことで、ノイズの伝達を防ぎます。また、必要に応じてシールドを使用することも有効です。
実際の設計事例
例えば、DC-DCコンバータの設計では、スイッチングノイズを抑えるために、グラウンドプレーンを基板の裏面に配置し、電源パターンをできるだけ広く取ることで、ノイズの伝播を防ぎます。
電源回路基板の効率的なレイアウト設計
電源回路のアートワーク設計において、効率的なレイアウト設計は非常に重要です。特に、電源回路は高い電流を流すことが多いため、熱の発生や電力ロスを最小限に抑える設計が求められます。効率的なレイアウト設計を行うことで、回路の安定性や性能を最大化できます。
図４ グラウンドプレーン（赤矢印部分）
高効率化のための設計ポイント
熱管理：
電源回路は高い電流を流すため、熱が発生します。基板設計時には、部品の熱源を適切に配置し、熱を分散させることが必要です。例えば、熱放散効果の高い部品（ヒートシンクを使うなど）を配置することで、過熱を防ぐことができます。また、基板の大きさや銅の厚みを調整することで、熱を効率的に拡散させることが可能です。
過電流防止：
電源回路は過電流が流れると、基板や部品が損傷する原因となります。そのため、設計段階で過電流保護回路（例えば、ヒューズや電流制限回路）を追加することが必要です。また、配線の太さや電流容量も重要なポイントです。配線が細すぎると、過電流時に熱がこもり、基板が損傷する可能性があります。
効率的なコンバータ回路のレイアウト：
DC-DCコンバータやAC-DCコンバータなど、高効率な電源変換回路を設計するためには、コンバータ回路のレイアウトを慎重に設計する必要があります。スイッチング素子とインダクタ、コンデンサの配置が効率に大きく影響を与えるため、適切な配置が求められます。例えば、スイッチング素子の近くにデカップリングコンデンサを配置することで、スイッチング時のノイズを減少させ、効率的なエネルギー変換が可能になります。
効率的な電源設計のための部品配置
部品の配置においては、信号経路の最適化と電源経路の最適化が重要です。以下のような設計が推奨されます：
- 信号経路と電源経路の分離： 高周波の信号経路と低周波の電源経路は、できるだけ分離して配置することが重要です。これにより、信号干渉やノイズの影響を避けることができます。
- パワーパターンの広い設計： 電源パターン（Vcc、GNDなど）は、広い面積で配置することで、電源の効率を向上させ、熱発生を抑えることができます。また、電源パターンを広く取ることで、電圧降下を防ぎ、安定した電力供給が可能になります。
図５ 信号経路（青点線の内側）と電源経路（青点線の外側） ※パワーパターンの広い設計の例
