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基板トレース幅カリキュレータ (IPC-2221/IPC-2152)

IPC-2221およびIPC-2152規格に従って、特定の電流、銅の重量、および温度上昇の最小PCBトレース幅を計算します。抵抗と電圧降下を含みます。

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公式

A=(Ik⋅ΔTb)1/cA = \left(\frac{I}{k \cdot \Delta T^b}\right)^{1/c}

参考: IPC-2221B Section 6.2; IPC-2152

A— 断面積 (ミル²) (mil²)
I— 現在 (A)
ΔT— 周囲温度を超える温度上昇 (°C)
k,b,c— IPC-2221 経験的係数

仕組み

PCBトレース幅カリキュレータは、過度の温度上昇なしにDC/AC電流を安全に流すための最小導体幅を決定します。これは、配電ネットワーク、モータードライバー、およびLED回路に不可欠です。パワーエレクトロニクスのエンジニアはこれを利用して、標準FR4で電流密度が30～50 A/mm2を超えると発生するトレースの焼損を防ぎます。

IPC-2152（IPC-2221に取って代わる）によると、トレース電流容量はI = k x デルタ^0.44 x A^0.725に従います。ここで、kは定数（外層は0.048、内層は0.024）、デルタTは摂氏単位の温度上昇、Aはミリ二乗単位の断面積です。3Aを伝送する1オンスの銅（35um）の外側トレースは、10℃上昇するには幅1.0〜1.5mmが必要です。冷却速度が 50% 低下するため、内層には2mm以上必要です。

周囲温度による温度上昇化合物：周囲25℃で20℃上昇する設計では45℃に達しますが、周囲温度55℃（自動車）では75℃に達し、FR4のTgである130〜170℃に近づきます。IPC-2152の表5-1によると、周囲温度50℃では電流容量がベースライン25℃に対して 15% 低下します。

銅の重量は容量に直接影響します。2オンスの銅（70um）は、同じ温度上昇で1オンスよりも 40% 多くの電流を流します。これは、断面積が2倍になるのに対し、表面の冷却面積はトレース幅だけ増加するためです。IPC-2221Bセクション6.2によると、高電流設計 (5A以上) では、外層に2オンスの銅を取り付けるのが標準です。

計算例

問題：4層FR4（外部銅線1オンス、周囲温度55°C、最大温度上昇20°C、外部層）で5A連続のトレースのサイズを設定します。

IPC-2152 に準拠したソリューション: 1.ターゲット:I = 5A、デルタット = 20C、k = 0.048 (外部) 2.必須エリア:A = (I/ (k x デルタ^0.44)) ^ (1/0.725) = (5/(0.048 x 20^0.44)) ^1.38 = (5/0.195) ^1.38 = 25.6^1.38 = 89.4 mils2 3.mm に変換:89.4 ミル2 = 57.7 mm2... 待ってください、単位:89.4 ミル2、厚さ 1.4 ミル (35um) で W = 89.4/1.4 = 64 ミル = 1.63 mm になります。 4.アンビエント用に 25% のマージンを追加:W = 1.63 x 1.25 = 2.0mm 5.抵抗を確認:R = 1.724e-8 x 0.1m/ (0.002 x 35e-6) = 24.6 ミリオーム; P = 5^2 x 0.0246 = 0.62W

結果:2 mm (80 ミル) のトレース幅を使用してください。100mmを超える電圧降下 = 123mV (5V電源の 2.5% — ほとんどの設計で許容範囲内)。

実践的なヒント

  • ✓3Aを超える電源トレースには2オンスの銅を使用。IPC-2152表6-1の推奨事項によると、電流容量が2倍になり、コストはわずか15％増加します。
  • ✓電源トレースの周囲に銅を注ぐと、隣接する銅は熱の拡散を促進し、実効電流容量を熱シミュレーション研究で10～ 20% 向上させます。
  • ✓モーター/LEDドライバーの場合：平均電流ではなく、上昇制限が30Cのピーク電流（多くの場合連続2～3倍）のサイズで、IPC-9701Aに準拠した熱サイクル疲労を防ぎます。

よくある間違い

  • ✗IPC-2152の代わりにIPC-2221チャートを使用する — 古いチャートでは、1950年代の控えめなデータにより、現在の容量を20～ 40% 過小評価しています。IPC-2152 (2009) は最新の熱モデリングを採用しています。
  • ✗電流経路のビア抵抗を無視すると、0.3mmのビアは1～3ミリオーム増加し、10個のビアを直列に接続すると30ミリオーム増加する可能性があり、5Aで150mVの降下が発生し、通常のレギュレータの精度を超えます。
  • ✗IPC-2152によると、製品が55～85℃で動作しているときの周囲温度25℃で計算すると、周囲温度が25℃のベースラインを超えると、周囲温度が10℃上昇するごとに電流容量が3％減少します。

よくある質問

IPC-2152 (2009) は、制御された熱試験に基づいたトレース電流容量チャートを提供しており、IPC-2221の1950年代の古いデータに代わるものです。重要な知見:対流冷却による同じ温度上昇では、外部配線は内部配線よりも40～ 60% 多くの電流を流します。この規格は、0.5オンス～3オンスの銅、5～100℃の温度上昇を対象としており、周囲温度が高くなる場合のディレーティングも含まれています。
現在の容量は、IPC-2152あたり面積^0.725でスケーリングされます。銅 (1 オンスから 2 オンス) を 2 倍にすると、熱抵抗も変化するため、容量は 100% ではなく 2^0.725 = 65% 増加します。実用上の影響:2オンスの外部銅は、幅0.8mmで3Aを伝送しますが、1オンスの場合は1.5mmです。これは、スマートフォンPCBのようなスペースに制約のある設計にとって重要です。
温度上昇は周囲温度をさらに上昇させます。周囲温度25Cで20℃上昇= 45℃のトレース温度、85℃の自動車環境では105℃上昇します。これにより、はんだ接合部の信頼性（125℃でのIPC-J-STD-001の制限）やFR4 Tgに近づくリスクがあります。さらに、銅の抵抗率は 0.4% /C増加するため、ホット・トレースの抵抗は 20C 上昇時に 8% 高くなり、高電流時に熱暴走のリスクが生じます。
銅トレース付きのFR4/CEM-3標準材料では可能です。アルミニウムコアPCB (LEDアプリケーション) の場合、金属基板の熱拡散により電流容量が2～3倍高くなります。メーカーの熱データを使用してください。フレックス回路の場合は、IPC-2223に従って放熱量が減少するため、20～ 30% のディレーティングを行います。誘電体が薄いHDIボードでは、グランドプレーンの冷却距離が近いため、容量を増やすことができます。
10℃の温度上昇のIPC-2152によると、1オンスの外部銅には幅1.0〜1.2mm、2オンスの外部には0.6〜0.7mm、1オンスの内部には1.8〜2.2mmが必要です。摂氏20度上昇 (あまり控えめではない) の場合:幅を 30% 小さくします。製造上の許容誤差と周囲温度の変動を考慮して、常に 20% のマージンを加えてください。同じ電流でも、内側の層には外側の層よりも 80～ 100% 広い配線が必要です。
IPC-2152のトラブルシューティングに基づく一般的な原因：(1) 近くに銅が流れ込まない — 熱拡散損失により温度が 15 ～ 25% 上昇する。(2) ソルダーマスクは熱を閉じ込め、裸銅の場合に比べて5～10℃上昇する。(3) 経路上のビアはそれぞれ 1 ～ 3 ミリオームの抵抗と局所的な発熱をもたらす。(4) エッチング後の実際の銅厚は公称値より 20% 低い。(5) 周囲温度が設計想定よりも高い。解決策：信頼性を高めるために30〜50％のマージンを追加します。
R = 行 x 長さ/ (幅 x 高さ)。銅 (rho = 1.724e-8オームm)、1オンス (35um)、幅1mm、長さ100mmの場合:R = 1.724e-8 x 0.1/(0.001 x 35e-6) = 49ミリオームです。摂氏25度で。85℃のトレース温度:R は 24% 増加して 61 ミリオームになります。5A電流の場合、100mm以上で電圧降下 = 305mV、電力損失 = 1.5W。おそらくより幅の広いトレースまたは2オンスの銅が必要になります。

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