PCB設計におけるPCBルーティング電流容量の機能

PCB設計におけるPCBルーティング電流容量の機能

PCB 設計が関係する場合、PCB 配線の電流容量の制限は非常に重要です。 IPC-2221 General design Guide は良い出発点ですが、PCB 配線幅計算機は、回路基板設計に使用できる正確な値を提供します。

基板上の配線の電流容量は、配線の幅、配線の厚み、必要な最大温度上昇、配線が内層か外層か、ソルダーレジストで覆われているかなどによって決まります。

この記事では、次のことについて説明します。

基板配線幅

PCB配線の電流容量

高電流 PCB

高電流 PCB レイアウトのガイドライン

大電流基板の設計技術

PCB配線幅計算機

PCB配線幅とは?

PCB配線またはPCB配線は、PCBボード上の銅導体であり、PCB表面で信号を伝導できます。 エッチング後に残るのは、銅箔の平坦な狭い部分です。 銅配線を流れる電流は大量の熱を発生します。 PCB ルーティングの幅と厚さを正しく調整することで、回路基板の熱の蓄積を最小限に抑えることができます。 トレースが広いほど、電流に対するインピーダンスが低くなり、熱の蓄積が少なくなります。 下の図に示すように、PCB 配線の幅は配線の水平方向の寸法であり、厚さは配線の垂直方向の寸法です。

PCB配線構造

PCB 開発は常にデフォルトの配線幅から始まります。 ただし、このデフォルトの配線幅は、必要な PCB に常に適しているとは限りません。 これは、配線の電流容量を考慮して配線幅を決定する必要があるためです。

正しい配線幅を決定する際には、考慮すべき要素がいくつかあります。

銅層の厚さ – 銅の厚さは、PCB 上の実際の配線の厚さです。 高電流 PCB のデフォルトの銅の厚さは、約 1 オンス (35 ミクロン) から 2 オンス (70 ミクロン) です。

ワイヤの断面積 – PCB の電力要件が高くなると、ワイヤの断面積を大きくする必要があります。 これはワイヤ幅に比例します。

トレースの位置 – 下層または上層または内層

高電流 PCB をどのように設計しますか?

デジタル、RF、および電力回路は、主に低電力信号を処理または送信します。 これらのアプリケーションの銅の重量は 1 ～ 2 オンスで、通電電流は mA ～ 1A または 2A です。 モーター制御などの一部のアプリケーションでは、最大 50A の電流が必要であり、PCB 上のより大きな銅重量と配線幅が必要になります。

高電流需要に対する従来の設計方法は、銅線の幅を広げ、線の厚さを 2 オンスに増やすことです。 これにより、ボード上のスペース要件とボード上のレイヤー数が増加します。

高電流 PCB レイアウトのガイドライン

以下は、高電流 PCB の設計と製造に関するガイドラインです。

大電流配線を短くする

ケーブルが長いほど抵抗値が高くなり、流れる電流も大きくなるため、電力損失が大きくなります。 電力損失による発熱により、基板の寿命が短くなります。 したがって、大電流が流れる配線をできるだけ短くすることが非常に重要です。

適切な温度上昇下での配線幅を計算する

トレース幅は、抵抗やそこを流れる電流、および許容温度上昇などの変数の関数です。 通常、周囲温度が 25 °C を超える場合、10 ° C の温度上昇が許容されます。プレートの材料と設計が許せば、温度は 20 ° C 上昇することさえあります。

敏感なコンポーネントを熱から隔離

電圧リファレンス、A/D コンバータ、オペアンプなどの一部の電子部品は、温度変化に敏感です。 これらのコンポーネントが加熱されると、信号が変化する場合があります。

高電流プレートは熱を発生することが知られているため、上記のコンポーネントは、ホット スポットからある程度熱的に分離する必要があります。 これを行うには、ボードに穴を開けてヒートシンクを設けます。

はんだマスクを取り外します

配線の電流容量を増やすには、はんだマスクを取り外して、下の銅を露出させます。 次に、ワイヤに追加のはんだを追加すると、ワイヤの厚さが増し、抵抗が減少します。 これにより、ワイヤの幅や銅の厚さを増やさずに、より多くの電流をワイヤに流すことができます。

高電流コンポーネントでポリゴン ポアリングを使用する

フィールド プログラマブル ゲート アレイ (FPGA) とプロセッサは、大電流を必要とするボール グリッド アレイ (BGA) とライン グリッド アレイ (LGA) でパッケージ化されています。 大電流を実現するには、チップの真下に正方形のポリゴンを配置し、ビアを引き下げて接続します。 次に、ポリゴン ポアをより太いパワー ランまたはパワー プレーンにリンクできます。

大電流経路には内層を使用

PCB の外層に厚い配線を配置する十分なスペースがない場合は、内層で埋めることができます。 次に、ビアを使用して、外層に存在する高電流デバイスにリンクできます。

大電流用に銅バーを追加

電流が 100A を超える電気自動車や高出力インバーターの場合、銅線は電力と信号を伝送するための最適な方法ではない場合があります。 この場合、PCB パッドにはんだ付けできる銅バス バーを使用できます。 銅製のバスバーは配線よりもはるかに厚く、必要に応じて発熱の問題なしに大電流を流すことができます。

スルー ホール ステッチングを使用して、大電流に耐えられる多層で複数の配線を行います。

配線が 1 つの層で必要な電流を運ぶことができない場合、配線を複数の層に配線し、層をつなぎ合わせることで処理できます。 これにより、2層の配線の厚さが同じ場合、電流容量が増加します。

基板配線幅計算機とは？

トレース幅は、銅層の厚さ、トレースのトレース位置の長さなど、多くの要因に依存するため、正確な値を手動で計算することは困難です。 これが、ほとんどの PCB メーカーが配線幅を計算するツールを提供している理由です。 PCB 配線幅計算ツールは、上記のすべての要因を考慮して、必要な配線幅の正確な値を提供するツールです。

PCB 設計の IPC-2221 一般規格によると、PCB 配線の電流制限は、内部導体と外部導体にさらに分けることができます。

配線の電流容量を決定する際には、複雑な要因が関係しています。 ただし、PCB 設計者は、回路基板を効果的に設計するために、ワイヤ厚計算機の信頼性に頼ることができます。 信頼性の高い高性能 PCB を設計する場合、配線幅とその電流容量を正しく設定するには長い道のりが必要になる場合があります。 PCB アセンブリおよび PCB 処理メーカーは、PCB 設計における PCB 配線電流容量、PCB 配線幅、および PCB 配線電流容量の役割について説明しています。