アナログ回路

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更新日 2016-01-20 | 作成日 2007-12-03


☑アナログ&ミックスド・シグナル回路の設計と
 基板レイアウトで知っておくべき基礎技術

10. 電源回路から発生するノイズをプリント基板レイアウトの視点で対策する

アナログ・デバイセズ株式会社 石井 聡

2011.05.26

■スイッチング・ノイズによる問題かどうかを電源を替えて確認してみる
「低周波しか取り扱わないシステムだから、低周波成分だけ保護・予防すればいいだろう」というのも、場合によると危険な考えです。最近のOPアンプなどのアナログICは、IC内部の動作速度が非常に速いため、高周波ノイズがIC内に混入することで、思いもよらぬトラブルが発生してしまう危険性があります。
スイッチング電源を使用したシステムで、スイッチング・ノイズによる問題が発生しているかどうかを確認する良い手段として、【スイッチング電源を取り外し、電池/バッテリーかロー・ノイズ実験用安定化電源で、システムに電源を供給してみる】ということがあります。
この方法により、スイッチング電源によるシステムの性能低下が生じていないかを調べるとよいでしょう。現実にはシステム性能が低下しているケースがよく見られます。

■スイッチング電源で適切なフィルタを考える
スイッチング電源の出力に生じるノイズは、きわめて短い時間の過渡変動をもつ電圧スパイクのようなものです。このようすを時間軸(オシロスコープ)で実際に測定したようすを図10-5に示します。
この連載の5回に示したようにLinkIcon、電解コンデンサやフィルム・コンデンサなど大容量コンデンサには、かなり大きい寄生インダクタンスがあります。これらのコンデンサでは、高い周波数でインピーダンスが大きくなってしまうので、このような電圧スパイクを十分にデカップリングできません。適切なフィルタを用意することが必要になります。
スイッチング電源用としてベストとも言える出力フィルタは、大容量コンデンサ(低周波ノイズを除去します)とセラミック・コンデンサ(短いリードかチップ部品のもの。高周波で低インピーダンスになります)を併用し、さらに電圧スパイクをブロックするため直列にインダクタを接続した、図10-6のようなπ型フィルタでしょう。さらにこのライン上にフェライト・ビーズを挿入することもできます。
ケース隔壁に取り付ける貫通型EMIフィルタや、基板上に実装するEMIフィルタなど、π型構造になっているものも、この電源フィルタとして使用できます。

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図10-5 スイッチング電源出力のノイズを時間軸(オシロスコープ)で測定した(なおノイズが大きめに出るようにして観測)



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図10-6 スイッチング電源のノイズをブロックできるπ型フィルタ



10-4 スイッチング電源回路の基板上でのレイアウト

スイッチング電源モジュールを別置きで使うケース、プリント基板上にスイッチング電源ICを使ってスイッチング電源回路を作り込むケースなど、実現方法はいろいろあることでしょう。しかし、すべてに共通するレイアウトに関しての考え方があります。ここではそのいくつかを紹介しましょう。

■パターンは太く、分離する
スイッチング電源回路に流れる電流は大きいため、若干のインダクタンスがあるだけで、電源回路の特性が低下してしまいます。これが結果的に余計なノイズを生じさせてしまうことにもなります。
そのため、スイッチング電源回路部分のパターンは太くレイアウトし、また他の回路部分に影響を与えないように分離してください。

■精密アナログ回路からは分離する
この連載の第7回LinkIcon第8回LinkIconで説明してきたように、微小電圧/電流の精密アナログ回路はデジタル回路やパワー(スイッチング)回路からの影響を非常に受けやすいものです。
さきに説明したように、プリント基板上にコンデンサやフィルタをレイアウトして、ノイズを抑えたにしても、実際は(スイッチング電源のコイルなどの誘起による)電磁誘導や静電結合によって、スイッチング電源回路から精密アナログ回路に対して、空間を伝わって影響を与える(ノイズが生じてしまう)ことがあります。
そのため、とにかくこのような精密アナログ回路からは「電源回路を分離して」レイアウトすることが大切です。さらには鉄系(透磁率の高い)素材のシールドケースで精密アナログ回路をシールドしてしまう、という方法もあります。周波数が低いと、透磁率の低い素材(たとえば銅やアルミ)では、きちんと電磁誘導をシールドできませんので、これも注意してください。

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図10-7 鉄系(透磁率の高い)素材のシールドケースで精密アナログ回路をシールドして影響を低減させる


■サージ除去用素子を取り付けてシステム全体を保護しておく
システムのACライン入力には、サージ除去用素子を取り付けておくと間違いありません。
ACライン周波数の2倍/3倍の高調波リップルなどのACライン・ノイズによる、システム性能の低下を防ぐだけなら、おそらくサージ除去用素子や除去回路は必要ありません。
しかし落雷などの突発的かつ大きいサージによって、電源回路やその電源で動作するシステムが損傷してしまうことがあります。これを保護するために、実際にはサージ除去は必要不可欠なものです。

10-5 まとめ

現代の電子回路設計においては、スイッチング電源を使わないということは、実際問題として稀なことではないでしょうか。しかし、スイッチング電源をアナログ回路で使用するには、多くの問題が潜んでいることに十分に注意することが大切です。適切にノイズを除去する回路とレイアウトにより、システム全体での性能が確保できるようにしてください。









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●執筆者プロフィール
石井 聡
1985年第1級無線技術士合格。1986年東京農工大学工学部電気工学科卒業、同年双葉電子工業株式会社入社。
1994年技術士(電気・電子部門)合格。2002年横浜国立大学大学院博士課程後期(電子情報工学専攻・社会人特別選抜)修了。博士(工学)
2009年アナログ・デバイセズ株式会社入社、現在コアマーケット統括部マネージャ。新規ビジネス創生、セミナ・トレーニング、技術サポートなど多岐な業務に従事。

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