高電流分担回路基板の設計の紹介

高電流分担回路基板の設計の紹介

高電流または高電圧で動作するシステムは、小規模なデジタル システムでは見られない一連の固有の課題に直面しています。 オペレーターは危険な環境にさらされる可能性があり、熱や静電放電により設計が失敗する可能性があります。 ただし、正しい PCB 設計の決定は、パワー エレクトロニクス デバイスとの相互作用に伴うリスクを軽減するのに役立ちます。 このガイドでは、大電流回路基板の設計で考慮すべきいくつかの基本的な設計ポイントを紹介します。 場合によっては、特に安全性を考慮する場合、高電流回路基板の設計に関連するレイアウトと安全性の考慮事項が、高電圧設計に関連するものと似ていることがあります。

大電流基板レイアウトの基礎知識

必ずしも高電圧で動作しない高電流 PCB 設計の良い例がいくつかあります。 さらに、「高電圧」と「大電流」の概念はやや恣意的です。 これらのタイプの設計を区別するためのより良い指標は、セキュリティかもしれません。 DC 電流に感電や過熱のリスクがある場合は、安全性と信頼性を確保するために、これらの設計原則のいくつかを適用する必要がある場合があります。

コンポーネントの選択

大電流設計と電源システムは、通常、その信頼性のほとんどをコンポーネントから得ています。 当たり前のように聞こえますが、選択時にはコンポーネントの安全マージンを考慮してください。 一般的に言えば、次の 2 つの仕様を確認することをお勧めします。

定格電流、特に MOSFET と誘導要素

熱抵抗値（あれば）

推定または設計された動作電流を使用して消費電力を決定するか、上記の最初の仕様を使用して最悪の場合の値を取得できます。 どちらも熱管理に貢献し、熱抵抗値を使用して温度を推定する必要があります。 コンポーネントによっては、信頼性を確保するためにラジエーターが必要かどうかを判断できます。

コネクタなどの大電流回路基板にとって重要なその他のコンポーネントは、定格が非常に高く、電源システムで役立ちます。

適切な銅重量を選択する

配線に使用される銅の抵抗により、ある程度の DC 電力損失が発生し、熱の形で失われます。 これは、特にコンポーネント密度が高い場合に、非常に大電流の設計で非常に重要になります。 高電流 PCB の DC 損失を防ぐ方法は、断面積の大きい銅を使用することです。 これは、十分に低いジュール熱と電力損失を維持するために、より重い銅が必要であるか、より広いケーブルが必要であることを意味します。 PCB の配線幅と電流計を使用して、過度の温度上昇を防ぐために必要な銅の重量および/または配線幅を決定します。

大きくなる: トラックの代わりに平面を使用する

電源システムに非常に大きな電流を入力する必要があり、配線が広すぎてニーズを満たすことができない場合は、配線の代わりに電源層を使用してください。 たとえば、過去に作成したユーロカード形式のバックプレーンでは、複数の電源層を使用して、2 つの専用の低電圧 (24 V) 電源から 100 A の電流を供給しました。 極端な電流をサポートする必要がある場合は、他のシステムで同じ戦略を使用できます。

銅被覆冷却孔

空気がよどんだ回路基板の筐体では、伝導または自然対流だけに頼っていると、デバイスから熱を伝達することが困難になります。 サーマル スルー ホールは、一部のコンポーネントから遠ざけるために、プレーン層 (GND) への直接接続を提供することによって追加の熱伝達を提供するために、銅の表面層を備えた回路基板上に配置できます。 これは、熱要素または配線に近い回路に使用して、表面層からの追加の熱伝導を提供できますが、電源トランスの一次巻線と二次巻線の間など、絶縁が必要な場合は使用しないでください。

冷却孔は特定のコンポーネントに役立ちますが、より優れた戦略は、大きなヒートシンクを使用するか、筐体への直接伝導経路を使用して高い熱放散を実現する方法を検討することです。

地面に注意

高電流システムでは、同じタイプの安全障害対策を使用する必要がある場合があります。 適切な接地戦略によって、ある程度の安全性と EMI を実現できます。 一般に、接地を分割するべきではありませんが、大電流および/または高電圧を伴う電源システムは例外です。 接地は、入力 AC、非調整 DC、および調整 DC 部分の間で分離する必要があります。

適切な出発点は、AC システムまたは絶縁電源の接地戦略です。 一般に、高電流電源システムの場合、GND 接続が実際にはグランド接続である 3 線式 DC レイアウト (PWR、COM、GND) を使用します。 回路基板は、出力側が GND から切り離され、入力側が接地されて障害が発生した場合の安全性を確保する絶縁戦略を使用している場合があります。

より厚い回路基板を使用する

一見すると、これは直感に反しているように見えます。 回路基板が薄いほど、コンポーネントからの伝導性が向上すると考えるので、なぜ厚い回路基板を使用する必要があるのでしょうか。 実際、標準外の板厚を使用すると、面内熱抵抗が低くなり、板の熱品質が高くなります。 より厚い回路基板 (2 または 3 mm) は、大電流回路基板の大きなコンポーネント、特に基板に取り付けられた誘導性コンポーネントと大型ラジエータをより強力に機械的にサポートすることもできます。

ESD と安全性

DCのこの部分には、特に電力システム、特に高電圧と大電流で同時に動作する設計において、独自の一連の問題があります。 PCB 設計および PCB 処理メーカーは、高電流回路基板の設計に関連するレイアウトおよび安全上の考慮事項を導入しています。