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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個以上のレギュレーターの搭載が必要になる場合があります。
レギュレーターには、リニアレギュレーターとスイッチング・レギュレーター（またはDC/DCコンバーター）があります。リニアレギュレーターとスイッチングレギュレーターの違いについては、新人ブログ「どっちが優秀？～リニアとスイッチング～」を参考にしてください。
また、降圧型と昇圧型のレギュレーターがありますが（降圧と昇圧の違いは、新人ブログ「DC-DCコンバーター ～電圧変換の秘密～」を参考）、FPGAが搭載されるボードでは主に降圧型のスイッチング・レギュレーターが使われるので、今回は降圧型のスイッチング・レギュレーター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・レギュレーターの選定と回路図
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・レギュレーターが決まったら、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おこなってください。
アナログ・デバイセズ社のデータシートには、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）。
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おこなってください。
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、回路設計をおこなっていただく方法です。
一般的な降圧型のDC/DCコンバーターの回路設計の手順については、「降圧型DC/DCコンバーターの定数計算と注意事項」にまとめてあります。
参考にして、設計してください。
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、補償回路の設計をおこなうことも可能です。
使用するデバイスが決まっている場合は、「電源仕様を入力するだけで電源回路ができる！？」の記事を参考にLTPowerCADを使って回路設計をおこなってください。もし、使用するデバイスも決まっていない場合は、「便利な設計ツール LTpowerCAD を使ってみよう！」を参考にデバイス選定からLTPowerCADを使用して回路設計をおこなってください。
スイッチング・レギュレーター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。
スイッチング・レギュレーターの動作検証
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ことです。
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、回路検証をおこなうことが可能です。
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おこなうことが可能です。
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。
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・レギュレーターの性能は、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・レギュレーターが動作しない（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。
- データシートの推奨レイアウトの注意点を守ること
- 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～
