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パターン幅と許容電流の関係について



 
 

パターン幅1mm = 許容電流1Aの法則

銅箔厚35μmの基板において、パターン幅1mm = 許容電流1Aとして設計されることが多いです。
これは「一般的な環境」で、「普通」の回路を動作させる場合の基準です。
より正確にパターン設計できるよう、パターン幅と許容電流についてお話していきます。

 
 

パターンの許容電流とは何か?

細いパターンに大電流を流すとパターンが焼け切れてしまうことは容易に想像できます。
もちろんそれは絶対に避けなければなりませんが、基板設計を行う上では「ガラス転移点」という温度も頭に入れておかなければなりません。
ガラス転移点とは固体が柔らかくなる温度のことです。
一般的なFR-4プリント基板のガラス転移点は120℃〜140℃であり、基本的に動作中にこの温度を超えることは許容されません。
パターンに電流が流れたとしても、ガラス転移点を超えないようにパターン幅を設計する必要があります。
簡単には計算できませんので、シミュレーションソフトなどを参考にするとよいですが、結局最後は評価をして実測しなければ正確な値はわかりません。

 
 

使用環境を考慮する

パターン幅の検討には周囲温度も重要になってきます。
室内で使用する分にはせいぜい40℃程度を見込んでおけば良いですが、電子回路を密閉されたケースに収める場合、自己発熱によるケース内温度の上昇を考慮しなければなりません。
また、直射日光で高温になる自動車の車内などに置かれる可能性のあるものは、それなりの温度上昇を見込んでおく必要があります。
ケース内温度が85℃(※)で、ガラス転移点が125℃の場合、40℃の温度上昇しか許容されませんので、パターン幅を太くしないといけないかもしれません。
 ※蛇足ですが、輸出規制の関係で多くのICは85℃以上の保証を行わないため、周囲温度85℃以上の環境で使用する回路の設計には特段の注意が必要です。

 
 

周辺のパターンを考慮する

大電流が流れるパターンが何本も並行して走っていると、当然中心付近の温度は高くなります。
反対に、ベタGNDに挟まれたパターンや、ベタ層のある多層基板は放熱しやすく、パターンの温度上昇は抑えられます。
このような周囲のアートワークの状態も大いに影響を受けますので、考慮が必要です。

 
 

回路動作を考慮する

パターンに電流を流しても基板の温度上昇は比較的緩やかですので、電流は基本的に時間平均した値を扱います。
サージや突入電流など瞬間的に流れる電流での温度上昇は僅かですので、平均化して考えます。
(当然、サージや突入電流でパターンが切れてはいけないので、ある程度のパターン幅は必要です)
また、PWMや点滅も周波数が高ければ平均電流で考えて差し支えありません。
これらに対して、連続駆動する配線は時間平均せずにピーク電流で考えます。

 
 

熱に弱い部品を考慮する

今までガラス転移点を基準にお話を進めてきましたが、熱に弱い部品がある場合、十分な配慮を行う必要があります。
よく知られている例がLEDです。
LEDは熱に弱い部品の代表格で、高温に長時間晒されると故障してしまいます。
そこで大電流が流れるLEDの配線を太めにしたり、放熱パターンを設けて、温度上昇を抑える工夫をします。

 
 

パターンでの電圧降下を考慮する

通常の設計ではあまり考慮しませんが、プリント基板の配線でも電圧降下が発生します。
一般的な回路では影響ない範囲ですが、電流測定回路など微弱電圧を測定する回路においては影響が出ることがあります。
太いパターンを引いていても、銅箔の厚さは僅か数十μmですので、その断面積は知れています。
想像していたよりも電圧降下が大きいことがありますので、該当する回路がある場合は一度計算されることをお勧めいたします。
パターンの銅箔はほぼ純銅ですので、銅の抵抗率をそのまま利用できます。

 
 

太いパターンを引けない場合の対処法

部品形状や基板サイズの制約によって、どうしても太いパターンを引けないことがあります。
その場合は、以下の方法をご検討ください。

■厚銅基板に変更する
標準の銅箔厚さは35μmですが、より厚い銅箔を選択することで、同じパターン幅での許容電流を増やすことができます。
銅箔厚さ70μm、105μmまでが一般的に流通しています。

■基板の層数を増やす
両面基板でパターンを引ききれない場合、4層基板に変更することで配線スペースを確保できます。
内層はGNDと電源専用にすることが多いですが、内層に信号線を通しても問題ありません。

■ジャンパ線を利用
基板設計をしていると、どうしてもアートワークで全てのパターンを引くことに注力してしまいますが、1本、2本の線であればジャンパ線を利用した方が手っ取り早いこともあります。

※以下は特殊な方法ですので、採用の際は十分ご検討ください。

■パターン上にはんだを盛る
かなり特殊な方法ですが、パターン上のレジストを無くし、はんだを盛る手法があります。
はんだがパターンの代わりになって許容電流が増えますが、安定した量のはんだを盛るのが難しい、周囲パターンとのショートのリスクが増すなどの問題がありますので、採用にあたっては十分ご検討ください。

■パターンを二又にする
1本の太い線は引けないけれど2本の細い線なら引ける、ということがあります。(表面、裏面で1本ずつ 等)
二又にしても許容電流を稼ぐことができますが、考慮しなければならない点があります。
まずこの方法は高周波回路など、センシティブな回路では避けた方が無難です。
パターンは抵抗の振る舞い、コンデンサの振る舞い、インダクタの振る舞いをしますので、これらの影響が大きくなる高周波回路※では思わぬ影響が出ることがあります。
(※ここでは広義での高周波回路を指し、電流量が常に変化している電源なども含みます)
また、2本の線は同じ幅、できるだけ同じ長さにしないと意味がないです。
電流は抵抗値の小さい経路に流れようとしますので、片方の配線だけ抵抗値が小さい場合そちらの配線ばかりに電流が流れてしまいます。
均等に電流が流れるように、できるだけ同じ抵抗値になるように配慮する必要があります。

■部分的にパターンを細くする
どうしても太いパターンを引けない部分だけ細くする、というのは問題ない場合が多いです。
パターンでの発熱量は、パターンの持つ抵抗値と電流値で決まります。
ごく短距離を細いパターンとしても、パターン全体の抵抗値への影響は少ないため、発熱量は少なくなります。
また、細いパターンが局所的に発熱しても前後の太いパターンへ放熱していきます。

 
 

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