トラック幅対電流容量： 電源配線におけるPCBレイアウトのヒント

　PCB設計の複雑な技術において、電源配線は回路に生命を吹き込む電流を運ぶ縁の下の力持ちです。信号線路がインピーダンス整合やノイズ制御で注目される一方で、電源線路は、それ自身や給電する部品を炒めることなく電流を供給する責任をひっそりと担っています。しかし、これらのトラックはどの程度の幅が必要なのでしょうか？そこで、トラック幅と電流容量の関係が重要になってくる。 0.1mmのトラックで10Aに十分だと考えるなら、それはPCB型のヒューズを設計しているに過ぎません。PCBについて詳しくは、PCB製造に関する究極のガイドをご覧ください。

電源配線でトラック幅が重要な理由

　電源配線は、熱、電圧降下、シグナルインテグリティを管理しながら、電流を効率的に供給することがすべてです。トラック幅を間違えると、発熱や電圧降下、極端な場合にはトレースのメルトダウンを招くことになります。そう、溶融したトレースはSF映画ではかっこよく見えるかもしれませんが、現実には設計上の災難でしかありません。

　IPCは、特定の入力電流に対するPCBトレースの温度上昇をテストおよび計算するための適切な方法論に関する規格を開発しました。これらの規格はIPC-2221とIPC-2152で、どちらもこれらのトピックに関する大量の情報を含んでいます。明らかに、これらの規格はかなり広範囲に渡っており、ほとんどの設計者は、トレース幅対電流表を決定するためにすべてのデータを解析する時間がありません。

回路基板のトレース抵抗とは？

　自然界のあらゆる物質は電流に対して一定の抵抗を持っているため、導体も絶縁体も電流の通過に対して様々な程度の障害を生じます。PCBトラックの製造において、銅は一般的な導体材料ですが、銅自体の組成と特性により、電流に対する抵抗が生じます。

　オーム単位で測定される回路内の抵抗は、電流の流れに対する反対を示します。PCBでは、トレース抵抗は信号伝送損失とパワーハンドリングを評価するために非常に重要です。抵抗はトレースの厚さ、幅、長さに依存し、効率的な電流の流れを可能にするために低いままでなければなりません。抵抗が高いと、電力損失、過熱、導電性の低下につながります。抵抗を最小にするために、設計者はトレース幅を広げたり、銅層を厚くしたり、銅の面積を広げたりします。これらの方法は効果的に熱を管理し、特に厚い銅の設計ではPCBの性能を向上させます。

電流容量に影響する要因

　単層のトレースでは必要な電流をサポートできない場合、ステッチングによってトレースを複数の層にまたが せ、これらの層をつなぐことで、トレースの厚さが層全体で一定であれば、電流容量を高めることができます。2オンスや3オンスといった厚い銅トレースを使用すると、抵抗率が低下するため電流容量が増加しますが、加工コストも上昇します。PCBトレースの電流容量は、その幅だけではありません。いくつかの要因が影響しますが、ここではすべての要因の適切な内訳を示します：

銅の厚さ： 銅の厚さ：銅の厚さは、1平方フィートあたりのオンスで測定され、PCBに積層される銅の量を定義します。

・1oz/ft²（35μm）： ほとんどのPCBの標準。

・2oz/ft²（70μm）： 大電流用途に使用。

・3oz/フィート²以上： 電力消費の多い設計向け。

周囲温度と動作温度： 温度が高くなると、トレースの電流容量が減少する。周囲環境と部品からの熱の両方が重要です。PCBはエアコンの効いたユートピアでは動作しないので、最悪の温度シナリオを想定して設計してください。

トレースの長さ： トレースが長いと抵抗が高くなり、発熱と電圧降下が大きくなります。パワートラックはできるだけ短くしてください。PCBがくねくねした迷路のように見える場合は、やり直しましょう。

　電気自動車やインバーターなど、電流が100Aを超えるような大電力用途では、従来の銅線では不十分なことがよくあります。そのような場合、標準的なトレースよりも太い銅バスバーを使用することができます。これらのバスバーはPCBのパッドにはんだ付けされ、過熱することなく大電流を扱うことができます。

電流容量のためのトラック幅の計算

　オンライン計算機を使用して、トレース温度、最大電流、抵抗、電圧降下、電力損失などのさまざまなトレースコンポーネントを決定することができます。以下の公式をよく理解することで、計算機の結果をよりよく理解することができます。

　オンラインのトレース幅計算機やPCB設計ソフトウェアのツールを使用する。電卓にアウトソーシングできるのに、なぜ数学を暗記するのですか？

PCB設計でパワー配線を最適化する7つのヒント：

　次のPCBを配線する際には、ベストプラクティスに従うようにしてください。そうすれば、PCB製造コスト、回路密度、および全体的な性能のバランスを見つけることができます。

1. 適切なトレース幅の設計：トレースが過熱せずに予想される電流を処理できるようにする。例 1オンス銅プリント基板で2Aの負荷の場合、外部層の幅は約1mm（40ミル）が一般的です。

2. 大電流には広いトレースを使う： 疑問がある場合は、トレースの幅を広くしてください。トレースの幅を広くすることで、抵抗を減らし、通電容量を向上させ、電圧降下を最小限に抑えることができます。

3. パワープレーンを使用する： パワープレーンは、電流を効率的に分配する大きな銅の領域です。消費電力が高い設計では、トレースに頼るのではなく、専用のパワー・プレーンとグランド・プレーンを使用します。

4. 熱管理： 大電流のトレースでは放熱が重要です。サーマルリリーフやビアを追加して、層全体に熱を拡散させます。熱伝導を良くするために厚い銅を使用する。

5. 電圧降下の最小化: トレースに沿った電圧降下は、特に低電圧設計では部品の誤動作につながります。抵抗を減らすため、トレースは短く、広く、直接配線してください。

6. 鋭角な曲げを避ける： 鋭角はホットスポットを作り、インダクタンスを増加させます。パワートレースには、45°または曲線のベンドを使用してください。

7. 大電流用の平行トレース： 極めて大電流の場合は、負荷を並列トレースまたはレイヤーに分割する。パワートレースを異なる層に配線する場合は、複数のビアを使用することを推奨する。1つのビアの通電限界は約500mAです。

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よくある間違いとその回避方法

1. 熱影響の無視： 大電流経路のために内層に細いトレースを使用する。幅の広いトレースやサーマルビアを使用して熱を管理し、電源トレースを上層または下層に配線する。

2. 過密なレイアウト： 一般的に、混雑した場所に電源トレースをルーティングすることは推奨されない。早期にルーティングを計画し、電力経路に優先順位をつけてください。

3. アウターレイヤーへの依存： アウターレイヤーに過負荷をかけ、インナーレイヤーのルーティングを無視する。必要な場合は複数の層に電流を分散させ、大電流はメイン層に通し、信号/デジタル電流は異なる層に分散させる。

電源配線ではんだマスクを除去する理由：

　溶接マスクを除去することで、トラックに大容量の電流を流すことができ、経済的な方法です。ソルダーマスクが基板から取り除かれると、底部の銅材料が露出し、別のはんだ材料で補修して銅の厚みを増し、PCB部品の総抵抗を減らすことができます。この場合、PCBトレース幅を増やすことなく、PCBはより高い耐電力容量に適応することができます。

結論

　電源配線は単に部品を接続するだけではありません。電流を管理し、熱を最小限に抑え、信頼性を確保することです。トラック幅、銅の厚さ、熱管理のバランスを取ることで、汗をかいたり、トレースを壊すことなく電力を供給するPCBを設計することができます。トラック計算を念頭に置いたPCB設計の全工程をご覧ください。

・トレース幅と銅層の厚さは、IPC-2152とIPC-2221によって提供される規格で、PCBの通電容量を管理するために非常に重要です。

・トレースの外部または内部の位置は、その放熱能力に大きく影響し、安全な温度管理のためのトレースの選択に影響を与えます。

・銅の厚さは、しばしばオンス/平方フィートで測定され、重量に直接関連し、必要なトレースの厚さを決定するための簡単な指標を提供します。

　覚えておいてほしいのは、設計段階でのちょっとした努力で、トレースの溶融や部品の焼損を防ぐことができるということです。ですから、幅を広げ、冷静になり、通電の必要性を過小評価することによる燃えるような災難を避けましょう！