PCBパワープレーンの電流容量の計算方法
電源プレーンはPCBの不可欠な部分ですが、その大きさはどれくらいであるべきでしょうか？また、大きなプレーンはどれくらいの電流を快適に運べるのでしょうか？実際には、設計者はPCBの電源プレーンでより大きな電流を収容するために、自分の制約を調整する柔軟性を持っていますが、電源プレーンのサイズはPCBの電源プレーンの最大電流容量を制限します。高い信頼性を確保する必要がある場合、IPC基準は電源プレーンのサイズを決定し、ボードが冷却されるようにするための良い出発点です。
PCB電源プレーンの電流容量を理解する
電源プレーンとグラウンドプレーンは、コンポーネントへの電流の供給と回収だけでなく、PCB内で複数の目的を果たします。それらはDCおよびACの電力整合性の不可欠な部分であり、PCBレイアウトの残りの部分と同じくらいの注意を要します。
すべての導体にはある程度のDC抵抗があるため、電流を運ぶときにはいくらかの電力を熱として散逸します。他の導体と同様に、銅プレーンのサイズがそのDC抵抗を決定し、それが電源プレーンで散逸される電力の量を決定します。最小トレース幅を決定しようとするときと同様に、特定の必要なDC電流に対する最小の電源プレーンサイズがあります。または、特定のプレーンサイズに対する最大PCB電源プレーン電流容量があります。
大きなプレーンを使用する理由は何ですか？
直流抵抗と電力損失の観点から、大きな電源プレーンを使用する理由は2つあります：
- 直流抵抗の低下：物理的に大きな電源プレーンは、より広く作ることができ、狭いプレーンよりも直流抵抗が低くなるため、熱を少なく発散します。
- 大きな熱伝達：PCB内の電源プレーンは、裸の基板と比較して、熱いコンポーネントからより多くの熱を遠ざけることができます。
ACおよびEMIの理由から、物理的に大きなプレーンも望ましいとされています。これは、高速ボードでのデカップリングのためのより大きなインタープレーン容量を提供し、EMIへのいくつかの隔離を提供するためです。しかし、多くの電源システムにおけるPCB電源プレーンの主な仕事は、ボード全体に高電流を運ぶことであるため、設計を始める最初のステップは、プレーンが熱くなりすぎずに運ぶことができる最大電流を決定することです。
電源プレーンの電流容量計算
電力プレーンの電流容量を計算するのに最適な出発点は、IPC 2221規格を使用することです。高電圧設計において、この規格は複数の設計信頼性の側面をカバーしていますが、関連するIPC 2152規格よりも保守的でないと言われています。この計算により、与えられたプレーンサイズと電流に対して期待できる温度上昇を知ることができますし、与えられた温度と電流に対するプレーンサイズを決定するために使用することもできます。インターネット上で見つかるほとんどの計算機は、後者のアプローチを取ります。この計算に入力するものは：
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- 外部の周囲温度からの最大許容温度上昇（10-20°Cが一般的な選択肢です）
- 電力プレーンの銅の重さ
- 必要な電流（アンペア単位）
まず、希望する電流と温度上昇の値を使用して、最小限に必要な面積を計算します：
次に、銅の重さを使用して面積からプレーンの断面幅を計算します。1オンス/平方フィートの重さを持つ銅プレーンの厚さは0.35mmなので、これを使用してプレーンの幅を計算することができます。最高の設計ツールは、レイアウト後のシミュレーターを使用して、電流と温度が高すぎる領域を評価するのに役立ちます。
もしご希望であれば、許容温度上昇のための電流制限を逆算することができます。まず、上記の方程式を電流について解く必要があります。次に、プレーンの断面積と指定された温度上昇を取り、解いた方程式にこれらを代入します。これで、電力プレーンの最大電流制限が求まります。
高温度または高電流のための設計
ボードからの極端な熱放散が必要な場合、例えば電力システムや自動車システムなど、セラミックやメタルコア基板がいくつかの選択肢です。これらの基板はボードからより多くの熱を放散するため、システムが運用中により低い定常温度で稼働することが期待できます。ボードが配置される場所によっては、システムから冷却ファンやヒートシンクを取り除くことができるかもしれません。
もう1つの簡単な選択肢は、複数のレイヤーに複数の電源プレーンを使用することです。最近のプロジェクトの例として、私たちは最大100Aを2つのホットスワップ可能な電源から異なるコネクタの複数のドーターボードに供給する必要がある6Uバックプレーンを設計しました。そのようなボードはすでにかなり大きいですが、ボードのあるエリアのプレーンセクションは、ボードの温度を許容不可レベルに上げることなく、約20Aしか運べませんでした。解決策は？異なるレイヤーに複数の電源プレーンを使用することです！並列に電源プレーンを走らせることは、より厚い銅を使用することと同等であり、PCBの電源プレーンの合計電流容量を増加させます。
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下に示されているような類似の例では、異なる電圧の2つの電源プレーンが高電流を運ぶために使用されています。低電圧/低電流プレーンはバーガンディで示され、高電圧/高電流プレーンは緑で示されています。電力分配設計を創造的に行うことで、任意の単一プレーンの温度が高くなりすぎるのを防ぐために、異なるプレーン間で電流を分割することができます。
電源プレーンの電流容量を決定したら、PDNAツールを使用したDCシミュレーションで直流電流分布を調べることができます。Mark Harrisはこれらの記事で2つの素晴らしいチュートリアルを提供しています：
パワーエレクトロニクスを設計していて、次のシステムの信頼性を確保したい場合は、次の設計にAltium Designer®のPCB設計およびレイアウトツールの完全セットを使用してください。Altium Designerの最新バージョンでアップグレードされたDesign Rules Editorを使用すると、IPC標準を設計ルールとして定義し、製造可能なレイアウトを作成するのに役立ちます。また、高電圧設計ツールとPDN Analyzer拡張機能を使用して、PCBレイアウトを作成する際にPCBの電力平面の電流容量を超えていないことを確認できます。
設計が完了し、プロジェクトを共有したい場合、Altium 365™プラットフォームを使用すると、他の設計者と簡単に協力できます。Altium DesignerをAltium 365で使用することの可能性については、ほんの一部を紹介したに過ぎません。製品ページでより詳細な機能説明を確認するか、オンデマンドウェビナーのいずれかをチェックしてください。
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