PCB レイアウトの大電流配線は、ビア縫製を介して

同じ一般的な警告規則が回路基板の設計にも適用されます。高電流は設計の必要条件ですが、PCB レイアウトに十分な注意を払わないと、不快な結果につながる可能性もあります。

電源とグランドは設計で管理し、それらが接続されているさまざまなコンポーネントに正しく割り当てる必要があります。 PCB レイアウトで大電流を管理するために使用される技術の 1 つは、回路基板を介して電流の熱とエネルギーを伝達するのに役立つビアを縫うことです。これは、ビアスティッチングを使用して、次の PCB デザインで高電流ルーティングを処理する方法に関する詳細情報です。

回路基板の高電流問題

多くのシステムは動作中に大量の電力を消費し、これらのシステムの回路基板は大電流を流す必要があります。ただし、回路基板がこの電流レベルに対して正しく設計されていない場合、電気的または構造的に故障する可能性があります。たとえば、回路基板は、その電源層に電流を流すのに十分な金属を使用しておらず、配線が過熱する可能性があります。熱放散が正しくない場合、特別に設計されていないコンポーネントの通常の動作に影響を与えます。最後に、熱がドミノのシーンを生み出し、ますます多くの部品が影響を受け、最終的に回路基板の故障につながります.

回路基板に悪影響を与える可能性のある大電流の別の例は、回路基板構造の物理的な故障です。元の回路基板の製造に使用された材料は、多くの熱に耐えることができますが、ある程度の熱にしか耐えられません. FR-4 は PCB 製造の標準的な材料であり、ガラス転移温度 (Tg) 定格は 130 ℃ です。この時点を超えると、固体の形が不安定になり、溶け始める可能性があります。ただし、この温度に達する前であっても、最終的には熱がボード上の薄い金属トレースを介して燃え、ヒューズが飛んだなどの開回路が発生する可能性があります。

これらおよびその他の大電流の問題を回避するには、PCB レイアウトでこれらの回路を慎重に設計する必要があります。

短くて直接的な電源供給とコンポーネント間のアナログルーティング

大電流回路の電気的および熱的考慮事項

大電流は、特にスイッチング電源に関連する電流で、回路基板に多くのノイズを発生させます。オンとオフの切り替えによって EMI が発生し、EMI の強度はスイッチの立ち上がり時間の増加とともに増加します。この問題は解決できますが、ノイズの低減を目的とした次の PCB レイアウト手法を使用して、この問題を制御することもできます。

circuit board

電源回路内のコンポーネントは、次の製造容易性設計 (DFM) 規則を破ることなく、短く直接配線接続できるように十分に近くに配置する必要があります。

電源コンポーネントはすべてボードの同じ側に配置して、ボード内の配線の必要性を排除します。

電源の大電流部品 (インダクタや IC など) は、最短の接続を実現するために、できるだけ近くに配置する必要があります。

このようにコンポーネントを組み立てると、配線は電源ユニット内で非常に直接的なものになります。低いインダクタンスを維持し、EMI の可能性を減らすために、できるだけ広く配線する必要があります。

この戦略により、電源回路の大電流の電気的および熱的問題をより適切に制御できますが、大電流を回路基板の他のポイントにルーティングするという問題は依然として存在します。このような高電流配線における熱の問題は、より多くの金属を必要とし、複数の層での配線が必要になる場合があります。ここでは、高電流配線で縫合ビアを使用すると便利です。

3つのスルーホールで別の層にステッチされた配線の電源配線

大電流配線はビアスティッチングにより PCB レイアウトに形成可能

大電流ワイヤを配線するときは、熱とインダクタンスを減らすためにできるだけ多くの金属を使用することが常に最善です。ただし、多くの場合、電源コードを必要な幅に収めるのに十分なスペースが基板上にありません。その解決策が基板上の多層配線です。異なるレイヤーのルーティングとビアを一緒にステッチすることにより、電流容量を単一レイヤーの電流容量で効果的に乗算します。上の図では、回路基板の内層に電源配線が見えます。隣接層のマッチング配線と接続できる 3 つの縫製ビアがあります。これにより、ボードの外層にある他の配線や他のコンポーネントのためのスペースが解放されます。

大電流配線では大量の熱が発生することに注意してください。内層の複数の電源コードとビアを縫い合わせることで、より多くの金属が熱を共有する方法を提供しますが、それでも熱放散を行う必要があります。これは、冷却のために基板の外層にある金属パッドに熱を伝達するサーマルビアを介して行うことができます。大電流配線に提供できる熱放散が大きければ大きいほど、回路基板の性能が向上し、熱による損傷を受ける可能性が低くなります。

計画と設計を行うときは、現時点で考慮する必要があるその他のレイアウトの問題にも留意する必要があります。

PCB 製造: 回路基板が高電流下で非常に高温で動作する場合は、より高い動作温度に耐えられる他の材料を検討することをお勧めします。これらの材料はより高価かもしれませんが、熱に関連する問題を回避することで、長期的にはお金を節約できます. また、メーカーと協力して、高電流ボードに最適なレイヤースタッキング構成と電源プレーン戦略を開発する必要があります。

板厚：板厚を厚くすることで、銅の重量を増やすことができるため、配線が太くなります。これにより、配線幅を縮小し、配線とコンポーネント配置のためのスペースを増やすことができます。製造上の問題と同様に、これらの変更は、設計に含める前に製造元と合意する必要があります。

自動組立: これまで見てきたように、電流および電気的な理由により、電流が高くなるとより多くの金属が必要になります。ただし、同時に、動作中に不要な熱を放出する同じ金属が、PCB アセンブリに問題を引き起こす可能性もあります。金属の広い領域は、小さな部品の熱的不均衡につながり、溶接に影響を与えます。これを避けるには、部品を幅の広いワイヤまたは大きな金属領域に直接接続する場合は必ずヒートシンクを使用してください。

コンポーネントの配置: 回避できる場合は、高電流および高温のコンポーネントを回路基板の端に配置する必要があります。これらの部品を回路基板の中央により多く配置することで、回路基板の自然な熱放散のためにより多くのスペースを提供できます。

高電流ケーブルの配線時に PCB 設計ツールを最大限に活用

PCB の配線には、配線するコンテンツに応じて、通常、複数の配線幅とビアが必要です。信号配線にはより細い配線とより小さなスルーホールが必要ですが、電源とグランドの配線は通常その逆です。場合によっては、送電網が運ぶ電流のレベルに応じて、送電網ごとに異なる幅が必要になることがあります。レイアウト設計者がこれらの課題に対処できるように、PCB 設計ツールには通常、線幅と間隔のルールを設定する制約管理システムがあります。

制約マネージャーを使用すると、高速設計トポロジーとトレース長のルールを設定できます。また、PCB アセンブリのルールを作成して、コンポーネント間の間隔や、ファインピッチコンポーネントへのソルダーレジストの適用方法を制御することもできます。信号のタイミングと遅延の値に基づいて設計できるように、電気的ルールを設定できるセクションもあります。 Constraint Manager の汎用性により、PCB 設計で大電流ルーティングを実現するためにビアをステッチすることで、配線に必要な電力が得られます。