고전력 설계를 위한 PCB 트레이스(배선) 폭 대 전류 표

구리는 녹는점이 높은 강한 도체이지만, 그래도 온도를 낮게 유지하기 위해 최선을 다해야 합니다. 이때 온도를 특정 한도 이하로 유지하기 위해 전원 레일 폭을 적절하게 조정해야 합니다. 단, 이 경우 해당 트레이스에 흐르는 전류를 고려해야 합니다. 전원 레일, 고압 컴포넌트 및 기타 열에 민감한 기판 부분에 작업을 수행할 때는 PCB 트레이스 폭 대 전류 표를 참고하여 레이아웃에 사용해야 하는 전원 트레이스 폭을 파악하세요.

또 다른 방법은 IPC-2152 또는 IPC-2221 표준에 따른 계산기를 사용하는 것입니다. 항상 PCB 트레이스 폭 대 전류 표에 모든 정보가 포함된 것은 아니므로, IPC 표준에서 동등한 트레이스 폭 대 전류 그래프를 읽는 방법을 숙지하는 것도 도움이 됩니다. 이 글에서는 이럴 때 필요한 리소스를 살펴보겠습니다.

고전류 설계에서 낮은 온도 유지

PCB 설계 및 라우팅과 관련하여 자주 하는 질문 중 하나는 특정한 전류 값에서 장치의 온도를 일정 한도 이하로 유지하는 데 필요한 권장 전원 트레이스 폭을 파악하거나 그 반대의 경우를 방법입니다. 일반적인 작동 목표는 기판의 도체 온도 상승을 10~20°C 이내로 유지하는 것입니다. 고전류 설계의 목표는 필요한 작동 전류에서 온도 상승이 일정한 한도 이하로 유지되도록 트레이스 폭과 구리 무게를 조절하는 것입니다.

IPC는 특정 입력 전류에서 PCB 트레이스의 온도 상승을 테스트하고 계산하기 위한 적절한 방법론에 관한 표준을 개발했습니다. 이러한 표준은 IPC-2221과 IPC-2152이며, 둘 다 이러한 주제에 관한 다량의 정보를 포함합니다. 물론 이러한 표준은 매우 광범위하며 대다수의 설계자는 모든 데이터를 분석하여 트레이스 폭 대 전류 표를 정할 시간이 없습니다. 이에 Altium은 전류와 온도 상승의 상관 관계를 파악하는 데 도움이 되는 몇 가지 리소스를 수집했습니다.

• 트레이스 폭 대 전류 표(아래 참조)
• IPC-2221 트레이스 온도 상승 계산기
• IPC-2152 트레이스 온도 상승 계산기

아래 동영상에서는 관련 IPC 표준을 개략적으로 소개하고 각 표준의 예측력과 적용 가능성이 서로 어떻게 다른지 설명합니다. 이 동영상에서는 전류 제한 또는 특정 입력 전류에서의 예상 트레이스 온도 상승을 계산하는 데 필요한 몇 가지 리소스도 제공합니다.

PCB 배선 폭 대 전류 표

트레이스와 비아의 크기를 결정할 때는 가장 먼저 IPC 2152 표준부터 확인해야 합니다. 이러한 표준에 명시된 공식은 제어된 임피던스 라우팅을 고려하지 않지만 특정 온도 상승에 대한 전류 제한을 간단하게 계산할 수 있습니다. PCB 트레이스 폭/단면적을 결정할 때는 가장 먼저 PCB 트레이스 폭과 전류 비교 표를 사용하여 작업하는 것이 좋습니다. 이를 통해 트레이스에서 허용되는 전류의 상한을 효과적으로 파악할 수 있으며, 이 상한은 제어된 임피던스 라우팅을 위해 트레이스 크기를 조정하는 데 사용할 수 있습니다.

고전류로 작동하는 기판에서 온도 상승이 매우 큰 값에 도달하면 기판의 전기적 특성이 고온에서 그에 상응하는 변화를 나타낼 수 있습니다. 기판의 전기적 및 기계적 특성은 온도에 따라 변하며, 고온에서 장시간 작동하면 기판이 변색되고 약해집니다. 때문에 제가 아는 설계자들은 온도 상승이 10°C 이내로 유지되도록 트레이스의 크기를 조정합니다. 이렇게 하는 또 다른 이유는 특정 작동 온도를 고려하기보다 광범위한 주변 온도를 수용하기 위해서입니다.

아래의 PCB 전력 트레이스 폭 대 전류 표는 1oz/sq.ft의 구리 무게로 온도 상승을 10°C로 제한하는 여러 트레이스 폭과 이에 상응하는 전류 값을 나타냅니다. 이를 통해 PCB에서 트레이스의 크기를 조정하는 방법을 알아볼 수 있습니다.

위 표는 일반적으로 표준 공정으로 생산되는 여러 PCB에 적용되며, 매우 보수적인 허용 가능 온도 상승(10°C)을 기준으로 합니다. 또한 이 표는 표준 구리 포일(1oz./sq.ft)을 포함하는 대부분의 적층에도 적합합니다.

이 표에서 다음 두 가지를 확인할 수 있습니다.

• 다양한 트레이스 두께/구리 무게. 트레이스 두께는 기판의 구리 무게를 활용하여 계산해야 합니다. 위에는 1oz/sq. ft 값만 나와 있습니다. 그러나 고전류에서 작동하는 기판에서는 많은 경우 더 높은 온도 상승을 수용하기 위해 더 무거운 구리가 필요합니다.

• 대체 기판. 위 데이터는 실제로 생산되는 여러 PCB를 아우르는 FR4의 데이터입니다. 그러나 고급 응용 분야에서는 다른 수지 시스템을 갖춘 알루미늄 코어 PCB, 세라믹 기판 또는 고급 고속 적층이  필요할 수 있습니다. 열전도율이 더 높은 기판을 작업하는 경우 뜨거운 트레이스에서 더 많은 열이 이동하므로 트레이스의 온도가 낮아집니다. 1차 근사치로서 온도 상승은 원하는 기판 재료의 열전도율과 FR4의 열전도율의 비율에 따라 조정됩니다.

IPC 2152 노모그래프 사용하기

내부 레이어나 외부 레이어에 서로 다른 구리 무게를 사용하여 작업하려는 경우 IPC 2152 표준의 노모그래프를 사용하면 편리합니다. 이 표를 활용하면 특정한 전류 및 온도 상승에 맞춰 도체 크기를 간단하게 조정할 수 있습니다. 또는 전력 PCB 트레이스 폭 전류를 이미 선택한 경우 특정 온도 상승을 일으키는 전류를 파악할 수 있습니다. 이 도구를 사용하면 IPC-2152 계산기를 찾거나 구축하지 않고도 트레이스 설계의 전류 한도를 시각적으로 확인할 수 있습니다.

이는 아래 노모그래프의 두 예에서 확인할 수 있습니다. 아래 표시된 그래프는 내부 트레이스에 대해서만 정의되었음에 유의하세요. 이 그래프의 외부 트레이스 버전은 Jeff Loyer가 작성한 이 문서에서 확인하세요.

PCB 전력 트레이스 폭 대 전류 및 온도 상승 비교를 위한 IPC 2152 노모그래프. 이미지 수정: StackExchange 사용자 Daniel Grillo.

빨간색 화살표는 원하는 전력 트레이스 폭, 구리 무게(즉, 트레이스 단면적)와 온도 상승에 대한 최대 전류를 파악하는 방법을 보여줍니다. 이 예에서는 먼저 도체 폭(140mil)을 선택하고 빨간색 화살표를 원하는 구리 무게(1oz/sq.ft)까지 수평으로 추적합니다. 그런 다음 원하는 온도 상승(10°C)까지 수직으로 추적한 다음 y축으로 역추적하여 해당 전류 한도(~2.75A)를 찾습니다.

주황색 화살표는 반대 방향으로 추적합니다. 먼저 원하는 전류(1A)로 시작하여 원하는 온도 상승(30°C)까지 수평으로 추적합니다. 그런 다음 수직으로 아래쪽으로 추적하여 트레이스 치수를 파악합니다. 이 예에서는 구리 무게를 0.5oz/sq. ft 로 지정한다고 가정했습니다. 이 선까지 추적한 후 y축으로 다시 수평으로 추적하여 약 40mil의 도체 폭을 찾습니다. 구리 무게를 1oz/sq.ft로 하는 경우를 가정해 보겠습니다. 이 경우 필요한 전력 트레이스 폭은 20mil임을 확인할 수 있습니다.

Altium Designer^®에서는 20°C의 목표 온도 상승에서의 트레이스 전류 한도를 정하는 IPC-2221 계산기가 포함된 라우팅 도구를 사용할 수 있습니다. Altium Designer의 강력한 PCB 트랙 폭 레이아웃 및 라우팅 도구는 여러분의 설계 규칙 하에서 필요한 트레이스와 크기를 지정할 수 있는 단일 통합 설계 모델을 기반으로 합니다. 설계를 완료하여 제조업체와 파일을 공유하려는 경우 Altium 365^™ 플랫폼을 사용하면 쉽게 협업하고 프로젝트를 공유할 수 있습니다.

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