高周波PCB技術 - 基板インダクタとは

電子技術の急速な発展に伴い、PCB（プリント基板）は電子機器の基礎的な担体として、その設計複雑度と性能要求は絶えず向上しています。インダクタンスはPCB上の3大受動素子の1つとして、回路の中でフィルタ、エネルギー貯蔵、電圧安定などのコア機能を担っています。特に高周波、高速信号処理の分野では、PCBインダクタンスの設計とレイアウトが回路の安定性と信頼性を直接決定しています。

一、PCBインダクタンスの基礎原理と構造

インダクタンスの動作は電磁誘導の法則に基づいており、電流が巻線を通過すると、その周囲に磁場が発生し、電気エネルギーを磁気エネルギー貯蔵に変換します。構造の違いによって、PCBインダクタンスは巻線型、積層型、薄膜型など多くのタイプに分けることができます。巻線型インダクタンスは磁心を通じて磁場を増強し、大電流シーンに適しています。積層型インダクタンスは多層金属片を用いて積層され、高密度貼付に適しています。薄膜型インダクタンスは薄膜プロセスを利用して微細化を実現し、高周波応用の需要を満たします。

インダクタンスの性能パラメータには、インダクタンス値（L）、品質係数（Q）、飽和電流（Isat）などが含まれます。ここで、インダクタンス値は貯蔵能力を決定し、Q値は損失特性を反映し、Isatは飽和前のインダクタンスの最大電流負荷能力を特徴づけます。これらのパラメータは、回路設計の必要性に応じて正確に一致する必要があります。

図　基板実装（PCBA）

二、PCBインダクタンスの分類と機能

1.パワーインダクタンス

パワーインダクタンスは電力電子機器におけるコア素子であり、AC/DCコンバータ、DC/DCコンバータなどのシーンに広く応用されています。次の機能があります。

フィルタリング：インピーダンスを提供して高低周波信号を分離することにより、電源リップルを低減します。

エネルギー貯蔵：スイッチオン時にエネルギーを貯蔵し、オフ時に放出し、電圧変換を実現します。

暫定応答：電流パルスを抑制し、瞬時の過電流を防止します。

隔離：入出力間の電磁干渉を減らします。

2.信号インダクタンス

信号インダクタンスは主にRFフィルタ、LC発振回路などの高周波信号処理に用いられます。そのコアパラメータは自己共振周波数（SRF）であり、動作周波数がSRFより低いことを確保して性能の安定性を維持する必要があります。

3.特殊インダクタンス

コモンモードインダクタンス：コモンモードノイズを抑制し、信号の清浄度を高めます。

差モードインダクタンス：差モード干渉をフィルタ除去し、敏感回路を保護します。

可変インダクタンス：機械的調節によりインダクタンス値を変更し、動的応用ニーズに適応します。

三、PCBインダクタンスの配置と配線原則

1.レイアウトの原則

位置最適化：誘導はできるだけICに近づき、電流経路を短縮し、寄生インダクタンスを低減します。

磁場隔離：インダクタンス直下にGND層または信号線を配置し、渦電流損失と信号干渉を防止することを避けます。

放熱管理：十分なスペースを確保し、インダクタンス動作温度が定格範囲内であることを確保します。

2.ルーティング戦略

線幅設計：電流サイズに応じて適切な線幅を選択し、例えば2 A電流は0.53 mm線幅（35μm銅箔）に対応します。

熱回路最適化：熱回路面積を減少し、寄生インダクタンスによるEMI問題を低減します。

信号遮蔽：高周波信号線はインダクタンスから遠ざかるか、遮蔽層を用いて結合効果を減らすべきです。

四、PCB基板インダクタンスの電磁干渉（EMI）抑制

インダクタンス動作時に発生する磁界は周囲回路に干渉する可能性があり、以下の対策を講じる必要があります。

銅皮処理：インダクタンス周囲で銅皮の一部を除去し、磁場放射範囲を減少させます。

遮蔽設計：遮蔽型インダクタンスを採用するか、遮蔽カバーを増やし、磁気線を内部に制限します。

接地最適化：接地面の連続性を確保し、磁場による渦の発生を避けます。

補助素子：防振容量、巻線保護スリーブなどを結合し、耐干渉能力をさらに向上させます。

五、PCBインダクタンスの応用例

1.電源回路

スイッチング電源では、電力インダクタンスはエネルギー貯蔵と放出によって電圧変換を実現します。例えば、降圧コンバータでは、インダクタンスはスイッチング管、ダイオードと協働して動作し、出力電圧の安定性を確保します。

2.通信回路

無線周波数の先端では、高周波インダクタンスと容量がフィルタを構成し、高調波干渉を抑制する。例えば、移動通信装置では、インダクタンスは、特定の周波数帯域を選択し、信号品質を向上させるために使用されます。

3.カーエレクトロニクス

車載電源システムでは、インダクタンスは高温、振動などの劣悪な環境に耐える必要があります。例えば、DC/DCコンバータでは、耐高温フェライトインダクタンスを採用し、長期信頼性を確保しています。