高電力設計用のPCBトレース幅と電流の関係表

銅は融点が高く強力な導体ですが、温度を低く保つための工夫が必要です。これは、温度を特定の制限内に保つために、電源レールの幅を適切にサイズ設定する必要がある箇所です。ただし、ここでは、特定のトレースを流れる電流を考慮する必要があります。電源レール、高電圧コンポーネント、および熱に敏感な基板のその他の部分を使用する場合、レイアウトで使用する必要がある電源トレース幅を、PCBトレース幅と電流の関係表を参照して決定できます。

もう1つのオプションは、IPC-2152/IPC-2221規格の計算機を使用することです。また、PCBトレース幅と電流の関係表は必ずしもすべてを網羅しているわけではないため、IPC規格の等価トレース幅と電流のグラフの読み方を知っておくと役立ちます。この記事で必要なリソースを確認します。

高電流設計で低温を保つ

PCB設計と配線においてよく浮かぶ質問の1つは、任意の電流に合わせてデバイスの温度を特定の制限内に維持するため、またはその逆の状況で求められる推奨電源トレース幅を決定することです。典型的な運用上の目標は、基板の導体温度上昇を10～20°C以内に保つことです。また、高電流設計における目標は、温度上昇が必要とされる動作電流の制限内に収まるようにトレース幅と銅箔重量を調整することです。

IPCは、特定の入力電流に対するPCBトレースの温度上昇を適切にテスト・計算するための規格を開発しました。これらの規格がIPC-2221およびIPC-2152であり、どちらにもこれらのトピックに関する大量の情報が含まれています。明らかに、これらの規格が対象としているものは極めて広範で、ほとんどの設計者は、すべてのデータを解析してトレース幅と電流の関係を明確にする時間がありません。そこで、こちらで、電流と温度上昇を関連付けるのに役立ついくつかのリソースをまとめました。

• トレース幅と電流の関係表（下記参照）
• トレース温度上昇用IPC-2221計算機
• トレース温度上昇用IPC-2152計算機

以下の動画では、関連するIPC規格について概説し、予測力と適用性に関してそれらがどのように異なるかを説明しています。また、電流制限を計算するためのリソースや、特定の入力電流に対して予想されるトレース温度の上昇も示しています。

PCBトレース幅と電流の関係表

IPC 2152規格は、トレースとビアのサイズを決定する第一歩となります。これらの規格で指定されている式は、特定の温度上昇に対する電流制限を計算するための簡単なものですが、制御されたインピーダンス配線は考慮されていません。とは言え、PCBトレース幅と電流の関係表を参照することは、PCBトレース幅/断面積を決定する優れた方法です。これにより、トレースで許容される電流の上限を効果的に決定できます。これを使用して、制御されたインピーダンス配線用のトレースのサイズを決定できます。

高電流で動作する基板で温度上昇が非常に大きな値に達すると、基板の電気的特性が高温で対応する変化を示すことがあります。基板の電気的および機械的特性は温度によって変化し、基板は高温で長時間使用すると変色したり壊れやすくなったりします。そのため、私の知り合いである設計者たちは、温度上昇が10°C以内に収まるようにトレースのサイズを決めています。これを行うもう1つの理由は、特定の動作温度を考慮するのではなく、幅広い周囲温度に対応するためです。

以下のPCB電源トレース幅と電流の関係表は、銅箔重量1 オンス/平方フィートで温度上昇を10°Cに制限する多くのトレース幅と対応する電流値を示しています。PCBのトレースサイズの決定方法に関する説明は以上です。

上の表は、標準的な処理で一般的に製造される多くのPCBに適用され、非常に保守的な許容温度上昇（10°C）を対象としています。また、標準の銅箔（1 オンス/平方フィート）を含むほとんどのラミネートにも適しています。

この表から以下の2つのことにお気づきでしょう。

• トレースの厚さ/銅箔重量が異なる。トレースの厚さは、基板内の銅箔重量から計算する必要があります。ここでは、標準の1オンス/平方フィート以上の値のみを含めています。ただし、高電流で動作する基板では、より高い温度上昇に対応するためにより重い銅箔が必要になることがよくあります。

• 代替基質。 上記のデータはFR4用にコンパイルされており、本番環境に送られる広範なPCBを対象としています。しかし、高度なアプリケーションでは、アルミニウムコアPCB、セラミック基板、または代替樹脂システムによる高度な高速ラミネート が必要となる場合があります。熱伝導率の高い基板を使用すると、暖かいトレースからより多くの熱が移動するため、トレースの温度が低くなります。一次近似では、温度上昇率は、目標の基板材料の熱伝導率とFR4の熱伝導率の比によって拡大します。

IPC 2152ノモグラフの使用

内層または外層で異なる銅箔重量を使用する場合に便利な1つのツールは、IPC2152規格のノモグラフです。この表は、特定の電流および温度上昇に合わせて導体のサイズを決定するための簡単なツールを提供します。または、電源PCBトレース幅の電流を既に選択している場合は、特定の温度上昇を生成する電流を決定できます。このツールを使用すると、IPC-2152計算機なしで、トレース設計の電流制限を視覚的に確認できます。

これは、以下のノモグラフの2つの例に示されています。以下に示すグラフは、内部トレースのみに対して定義されているものです。同じグラフの外部トレース版を表示するには、Jeff Loyerによるこちらの記事をご覧ください。

PCB電源トレース幅と電流/温度上昇のIPC 2152ノモグラフ。StackExchangeのユーザーDaniel Grillo氏による図を修正して使用しています。

赤い矢印は、目標の電力トレース幅、銅箔重量 (つまり、トレース断面積)、および温度上昇に対する最大電流を決定する方法を示しています。この例では、最初に導体幅 (140 ミル) を選択し、赤い矢印を水平方向にたどって目標の銅箔重量 (1 オンス/平方フィート) に到達させます。次に、目標の温度上昇（10°C）まで垂直にトレースし、y軸に戻って対応する電流制限（約2.75A） を見つけます。

オレンジ色の矢印は反対方向に進みます。目標の電流（1A）から始めて、目標の温度上昇（30°C）まで水平にトレースします。次に、トレースの寸法を決定するために垂直に下方向にトレースします。この例では、銅箔重量の0.5オンス/平方フィートを指定したとします。この線までトレースした後、y軸まで水平にトレースして、約40milの導体幅を見つけます。仮に、銅箔重量1オンス/平方フィートを使うとします。この場合、必要な電源トレース幅は20milであることがわかります。

Altium Designer^®を使用すると、20°Cの目標温度上昇に対するトレース電流制限を決定するIPC-2221計算機を含む配線ツールにアクセスできます。 Altium Designerが提供している優れたPCBトラック幅レイアウトおよび配線ツールは、設計ルール内で必要なトレースとサイズを指定できる単一の統合設計モデルに基づいて構築されています。設計が完了し、ファイルを製造業者に送るするときにはAltium 365^™プラットフォームを使用すると、プロジェクトのコラボレーションおよび共有が簡単になります。

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