PCBトレースとパッドのクリアランス：低電圧対高電圧

高電圧/高電流設計は、設計者が満たす必要がある安全要件を伴います。同様に、高速設計では、信号の整合性を保証するためにクロストークを抑制する必要があります。両方の領域に関連する主要な設計要素は、PCBトレースクリアランスとパッドクリアランスの値です。これらの設計選択は、安全性、ノイズ抑制、および製造可能性のバランスをとるために重要です。

IPC 2221電圧および間隔基準は、導体間のESDを防ぐためのガイダンスを提供しますが、すべてのボードがこの基準を満たす必要はありません。PCBトレース間の距離の電圧と信号の頻度（またはデジタル信号のエッジレート）に応じて、PCBトレースクリアランスに異なる値が必要になる場合があります。製造可能性を確保しながら、PCBクリアランスレイアウトのこれら2つの側面をどのようにバランスさせるかについて説明します。

低電圧 (<15 V)

IPC 2221電圧および間隔基準によると、一般用途デバイスの最小PCBクリアランスルール（実際には、任意の2つの導体間のクリアランス）は0.1 mmまたは4ミルです。電力変換デバイスの場合、この最小PCBトレース幅および間隔は0.13 mm、または5.1ミルです。これらのボードは「高電圧」とは考えられず、これらのボードの導体間隔はHDI領域に近づき始めます。

これらの電圧では、デジタル信号、低周波アナログ信号、または単に中程度の電流でのDCを扱っている可能性があります。デジタル信号の場合、典型的なルールは「3W」ルールに従うことです。ここで、トレース間のクリアランスはトレースの幅の3倍です。典型的な50オーム制御インピーダンスのマイクロストリップの場合、トレース幅は約20ミルになるため、推奨されるPCBトレース間隔は60ミルです。IPC 2221の要件内にまだ十分に収まっており、主な焦点は効率的なルーティングとDFMにあるべきです。HDI領域でも、BGAの細かいピッチパッド間をルーティングする必要がある場合でも、一般的に3.3Vまたは約1Vで作業しているため、これらの電圧要件を心配する必要はありません。

高電圧（>15 V）

高DC電圧では、PCBトレースのクリアランス値を選択する際の主な懸念事項は、露出した導体間でのESD（静電気放電）と樹枝状成長を防ぐことです。高AC電圧の場合、または高電流を出力するスイッチングレギュレータを使用する場合、ESDと樹枝状成長だけでなく、クロストークについても心配する必要があります。クロストーク抑制ガイドラインは、非常に高い電圧になるまで、導体間の必要なPCB電圧クリアランスまたは間隔を過剰に規定しています。

IPC 2221とクロストーク抑制のバランスをどのように見つける必要があるかを考えるために、次の仮定の状況を考えてみましょう。制御インピーダンスのマイクロストリップ（幅20ミル）が、高電圧ACラインの近く、または高電流DCレギュレータの出入りするトレースの近くにあるとします。"3W"ルールに従うと、平行なマイクロストリップ間および近くの高電圧ラインとの間隔は1.5 mm、または約60ミルであるべきです。これは、高電圧レベルが電力変換デバイスの場合は180V、その他の高電圧製品の場合は340Vに達するまで、IPC 2221に十分適合するものです。

高電圧では、デジタルエッジの速度というよりは、高電圧ACラインの周波数が問題となります。振動する信号は、トレースが近接している場合、近くのトレースにクロストーク信号を誘導することがあります。これは、高電圧DCレギュレータとその下流の信号線における既知のノイズ問題です。高出力電流では、このようなクロストークが高速デジタル部品の意図しないスイッチングを誘発することがあります。高電圧ACラインと近接するDCまたはデジタルラインの間には、より大きな間隔を取ることが最善です。

要約

一般的に、電圧に基づいてPCBトレース間隔とパッドクリアランスのルールを3つの異なる体制に定義することができます。下の2行では、どの体制で作業するかを決定する際に、IPC 2221標準を使用して必要なPCBトレース間隔を計算することを確認してください。前述の記事で述べられているように、トレースがコーティングされている場合や内層に配置されている場合、PCBトレース間隔を小さくすることができます。

デザインにおいて、クリープ距離とクリアランスの違いを理解することが重要です。また、トレースが十分な電流を運べるほど十分に幅広であること、そして熱くなりすぎないことを確認することも重要です。これはIPC 2152 ノモグラフを使用して確認できます。

ボードに使用する最適なトレースとパッドのクリアランスを把握したら、これらの値をECADソフトウェアの設計ルールとしてエンコードする必要があります。Altium Designer®の統合設計エンジンを使用すると、必要なPCBクリアランスルール（トレースとパッドの両方）と値を定義でき、これらの設計ルールはボードのルーティング時に即座にチェックされます。これにより、Altium Designerは低電圧および高電圧の設計タスク、高速および高周波設計に最適なアプリケーションとなります。

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