- 「ループ面積を小さく」って言われるけど、どこのループ？
- 部品配置の「良い例」「悪い例」がイメージできない
- 入力コンデンサはどれくらい近づければいいの？
- ハイサイドとローサイドのMOSFET、どう配置すればいい？
- 「電流ループ」を「水道管」で直感的にイメージ
- スイッチング時に流れる電流の経路を完全理解
- 入力コンデンサの最適な配置位置
- ハイサイド・ローサイドMOSFETの配置ルール
- NG配置とOK配置の違いを図解で比較
「ループ面積を小さくしろ」
パワエレ設計で100回は聞くこのアドバイス。
でも、「どこのループ？」「どれくらい小さく？」がわからなくて困っていませんか？
この記事では、電流ループの概念を「水道管」のイメージで徹底的にわかりやすく解説します。
読み終わる頃には、「あ、だからこの配置なのか！」と納得できるはずです。
目次
電流ループとは？｜「水道管」で完全理解
まず「ループ」という言葉を理解する
電流は「行って、帰ってくる」ものです。
電源から出発して、回路を通り、また電源に戻ってきます。
この「行き」と「帰り」の経路で囲まれた領域が「ループ面積」です。
水道管でイメージする「電流ループ」
電流を「水の流れ」、配線を「水道管」に例えてみましょう。
| 電気の世界 | 水道管の例え |
|---|---|
| 電源 | ポンプ（水を送り出す） |
| 電流 | 水の流れ |
| 配線 | 水道管 |
| MOSFET（スイッチ） | バルブ（水を止める/流す） |
| ループ面積 | 配管で囲まれた面積 |
ポンプから出た水は、配管を通って各所に届けられ、また別の配管を通ってポンプに戻ってきます。
この「行き」と「帰り」の配管で囲まれた面積がループ面積です。
なぜループ面積が大きいとノイズが出るのか？
ここが最も重要なポイントです。
前回の記事で学んだ「V = L × dI/dt」を思い出してください。
そして、インダクタンス（L）はループ面積に比例します。
つまり、ループ面積を小さくすれば、インダクタンスが減り、ノイズが減るのです。
水道管のイメージで理解する「ウォーターハンマー」
水道管でも同じことが起きます。
↓
大量の水が急停止
↓
「ドン！！」大きなウォーターハンマー
↓
少量の水が急停止
↓
「コツン」小さな衝撃で済む
配管で囲まれた面積が大きい ＝ 中を流れる水の量が多い ＝ 急に止めた時の衝撃が大きい
電気回路でも同じ！
ループ面積が大きい ＝ 電流の「慣性」が大きい ＝ 急に止めた時のノイズが大きい
スイッチング時の電流経路｜「どこを電流が流れるか」を知る
ループ面積を小さくするには、まず「どこを電流が流れるか」を正確に把握する必要があります。
ハーフブリッジ回路の基本構成
パワエレで最も基本的な回路「ハーフブリッジ」を例に説明します。
スイッチング時の電流経路を追跡する
ハイサイドFET（Q1）がONの瞬間、電流はどこを流れるでしょうか？
1ステップずつ追いかけてみましょう。
入力電源（Vin+）から電流がスタート
→ 電源のプラス側から電流が出発します
Q1（ハイサイドFET）を通過
→ ONしているので電流が流れます
負荷（Load）に電力を供給
→ モーターやLEDなどに電力が届きます
Q2のボディダイオードを通過（Q2はOFF）
→ または、Q2がONなら直接通過
入力電源（Vin-）に戻る
→ 電源のマイナス側に帰還して1周完了！
ここが重要！「急変する電流」のループ
さて、ここからが核心です。
スイッチングの瞬間、電流は「ゼロ」から「定格値」に急変します。
この「急変する電流」が流れるループこそが、ノイズの発生源なのです。
Vin+ → Q1 → Q2 → Vin-
このループで囲まれた面積が、ノイズの大きさを決める！
入力コンデンサ（Cin）は、このループに電流を供給する役割があります。
つまり、Vin（入力コンデンサ）・Q1・Q2 で囲まれる面積を最小にすることが、ノイズ対策の鍵なのです。
入力コンデンサの配置｜「直近」が絶対ルール
入力コンデンサの役割を理解する
入力コンデンサ（Cin）は、「電流の供給源」として働きます。
スイッチングは非常に高速（数十ns〜数μs）なので、遠くにある電源からは電流が追いつきません。
そこで、すぐ近くにあるコンデンサから電流を供給するのです。
距離による違いを比較
入力コンデンサがMOSFETからどれくらい離れているかで、ノイズは劇的に変わります。
論外レベルのノイズが発生。
低周波では何とかなるが、高周波では厳しい。
ノイズが大幅に低減。
ループ面積を最小化。これがベスト！
入力コンデンサは「ミリ単位で近づける」のが鉄則。
「近いかな？」と思ったら、もっと近づけられないかを検討しましょう。
ハイサイド・ローサイドの配置｜三角形を小さく！
最小ループを実現する配置の考え方
電流ループは「Cin → Q1 → Q2 → Cin」という経路を通ります。
この3つの部品（Cin、Q1、Q2）で「三角形」が形成されます。
ループ面積を最小にするには、この三角形を可能な限り小さくすることが重要です。
最適配置のパターン
具体的にどう配置すればいいか、パターンを見てみましょう。
パターン①：横一列配置
シンプルで実装しやすい。
パターン②：コの字配置
Cinの両端がQ1・Q2に最短距離で接続できる。
パターン③：三角配置（究極形）
すべての距離が均等で、最小ループ面積を実現。
悪い配置 vs 良い配置｜Before/After で比較
NG配置の例
実際の基板設計でよく見かける「やってはいけない配置」を見てみましょう。
この配線自体が「アンテナ」となってノイズを放射する。
↓
Q2
Vin- ←─────────────────┘
↑ この間が大きなループ面積 ↑
│（他の部品を避けて迂回）
└──────→ Q1
OK配置の例
Vin- ══════════════← Q2
↑ 平行に近接配置 ↑
さらに、磁界が打ち消し合う効果もある。
この島の中でループを閉じることで、ノイズの影響範囲を局所化。
配線の引き方｜「太く・短く・平行に」
配線の3原則
部品配置が決まったら、次は配線です。
ノイズを減らすための配線には3つの原則があります。
太く
インダクタンスが下がる
短く
インダクタンスが下がる
平行に
磁界が打ち消し合う
リターンパスを意識する
電流には必ず「帰り道（リターンパス）」があります。
このリターンパスがどこを通るかを意識することが重要です。
電流は「最もインピーダンスが低い経路」を通って帰ろうとします。
高周波電流は、「行き」の配線の真下を通りたがります。
→ だからベタGND（グランドプレーン）が重要なのです。
GNDプレーンの活用
ベタGND（グランドプレーン）は、リターンパスを最短にする最強の武器です。
████████████████
（ベタGND）
4層基板なら、内層をベタGNDにするのが定石。
2層基板でも、部品面の空きスペースはできるだけGNDで埋めるのが効果的。
実践チェックリスト｜配置・配線の確認ポイント
最後に、実際の設計で使えるチェックリストをまとめます。
部品配置のチェック
| ✓ | チェック項目 | 重要度 |
|---|---|---|
| ☐ | 入力コンデンサはMOSFETの直近に配置されているか？ | ★★★ |
| ☐ | Cin・Q1・Q2で形成される三角形は最小か？ | ★★★ |
| ☐ | パワー段の部品は「島」としてまとまっているか？ | ★★☆ |
| ☐ | ゲートドライバはMOSFETの近くに配置されているか？ | ★★☆ |
配線のチェック
| ✓ | チェック項目 | 重要度 |
|---|---|---|
| ☐ | 大電流配線は太く・短くなっているか？ | ★★★ |
| ☐ | 行きと帰りの配線は平行・近接しているか？ | ★★★ |
| ☐ | ベタGNDは十分に確保されているか？ | ★★★ |
| ☐ | GNDプレーンに不要なスリットはないか？ | ★★☆ |
| ☐ | 配線が迂回せず最短距離で引かれているか？ | ★★☆ |
まとめ｜ループ面積を制する者がノイズを制する
この記事では、ノイズを減らすパターン設計の核心「電流ループ面積の最小化」について解説しました。
- 電流ループ ＝ 電流の「行き」と「帰り」で囲まれた面積
- ループ面積 ∝ L ∝ ノイズ：面積が大きいほどノイズが増える
- 重要なループ ＝ Cin → Q1 → Q2 → Cin の経路
- 入力コンデンサは「直近」配置が絶対ルール
- Cin・Q1・Q2の三角形を最小にする
- 配線は太く・短く・平行に
- ベタGNDでリターンパスを最短に
ノイズ対策は「設計の初期段階」で決まります。
配線を引き始める前に、まず「ループ面積を最小にする配置」を考えましょう。
「配置が7割、配線が3割」と言われるほど、部品配置が重要です。
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