PCB配線電流計算機 - IPC-2221許容電流
IPC-2221規格に基づき、外層および内層の銅導体についてPCB配線の許容電流、断面積、電力損失を温度上昇を調整して計算します。
配線幅、銅重量、温度上昇、配線が外層か内層かを入力します。計算機はIPC-2221の式を適用し、安全な電流容量を求めます。
PCB配線電流計算機 - IPC-2221許容電流
IPC-2221規格に基づき、外層および内層の銅導体についてPCB配線の許容電流、断面積、電力損失を温度上昇を調整して計算します。
PCB配線電流計算機について
PCB上の各銅配線には、安全に流せる最大電流容量があります。電流が配線を流れると、配線抵抗によりP = I²Rに従って電気エネルギーが熱に変換されます。配線がその熱を十分速く放散できない場合、温度は上昇し続け、最終的に配線が溶断するか周囲のPCB材料が損傷します。IPC-2221規格（プリント基板設計の一般規格）は、配線の断面積、温度上昇、配線位置（外層か内層か）のバランスを取る経験式を提供しています。
IPC-2221の電流容量式は、I = k × ΔT^0.44 × A^0.725です。ここでIは最大電流（アンペア）、ΔTは周囲温度からの許容温度上昇（摂氏）、Aは配線の断面積（mil²）、kは配線位置に依存する定数です。IPC-2221では、外部（外層）配線はk = 0.048、内部（内層）配線はk = 0.024とされています。内層配線のkが低いのは、外層配線を取り囲む空気より熱伝導率の低い誘電体材料に囲まれているためです。
断面積Aは、配線幅（mil）と銅厚（mil）の積です。銅厚は銅重量で決まります。1平方フィートあたり1オンス（1 oz）は約1.378 mil（35 μm）に相当します。2オンス銅は2.756 mil（70 μm）です。より重い銅は、大電流を流す電源配線や低抵抗が必要な配線に使われます。
単位長さあたりの抵抗は、R/in = ρ / Aです。20°Cにおける銅のρは約0.679 Ω·mil²/inです。この抵抗は温度とともに増加します：R(T) ≈ R₂₀ × (1 + 0.00393 × (T − 20))。1インチあたりの電力損失はP/in = I² × R/inで、配線が処理しなければならない自己発熱負荷です。
設計上の目安としてよく使われる10°Cの温度上昇は、保守的で熱的に安定した配線に相当します。20°Cの上昇はほとんどの商用電子機器で許容されます。30°Cを超えると、PCB材料の劣化が加速し、はんだ接合部の信頼性も低下します。高信頼性用途や航空宇宙用途では、IPC-2221クラス3の推奨により、配線温度を最大周囲温度より30°C高い範囲内に制限します。
PCB配線電流の例
一般的な銅重量と温度上昇に対してIPC-2221式を用いる標準的な設計シナリオです。
| 配線構成 | 最大電流 | 注記 |
|---|---|---|
| 外層、W=10mil、1oz Cu、ΔT=10°C | ≈ 0.9 A | 幅10 mil、1 ozの外層配線で温度上昇はわずか10°C。自己発熱によるノイズが問題となる高感度アナログ回路に適した保守的な設計です。 |
| 外層、W=50mil、1oz Cu、ΔT=20°C | ≈ 3.9 A | 中程度の電源レール向けの広めの配線です。20°C上昇は商用電子機器で最も一般的な設計目標です。 |
| 外層、W=200mil、2oz Cu、ΔT=30°C | ≈ 20.8 A | 厚銅を使用した電源バス配線です。2 oz銅を使うと断面積がほぼ2倍になり、同じ幅の1 oz配線より電流容量が大きく向上します。 |
| 内層、W=50mil、1oz Cu、ΔT=20°C | ≈ 1.9 A | 上の外層例と同じ寸法の内層配線です。内層の係数k = 0.024により、同等の外層配線より電流容量は約50%低くなります。 |
PCB配線電流計算機の使い方
- 配線幅をmil単位で入力します。1 milは1インチの1000分の1で、10 mil = 0.254 mmです。一般的な信号配線は4–10 mil、電源配線は20–200 mil以上です。
- 銅重量を選択します。多くのPCBでは信号層に1 oz銅（厚さ1.378 mil）を使用します。電源層では2 oz以上の銅がよく使われます。
- 温度上昇 (ΔT) を入力します。これは周囲温度から許容される最大上昇値です。10°Cは保守的、20°Cは商用電子機器の標準、30°Cは信頼動作の上限です。
- 外層配線には外部 (k = 0.048)、内層配線には内部 (k = 0.024) を選択します。内層配線は放熱効率が低くなります。
- 計算をクリックします。最大電流、断面積、1インチあたりの抵抗、電力損失を確認してください。電流定格が不足する場合は配線を広くします。
PCB配線電流計算機FAQ
設計にはどの温度上昇を使うべきですか？
最も一般的な設計ルールは、アナログおよび精密回路では10°C、一般的な商用電子機器では20°C、十分な熱管理がある電源回路では最大30°Cです。温度上昇を大きくすると配線を細くできますが、PCB材料の劣化を早め、はんだ接合部の疲労を増やします。IPC-2221クラス3（軍用および生命に関わる用途）では通常、上昇を10°Cに制限することが求められます。
内層配線が外層配線より流せる電流が少ないのはなぜですか？
内層配線は四方をFR-4などの誘電体材料に囲まれており、その熱伝導率は空気よりはるかに低いためです。IPC-2221式では、内層にk = 0.024、外層にk = 0.048を使うことでこれを反映しています。つまり同一寸法の内層配線は、外層配線が安全に流せる電流のおよそ50%を流せます。
配線幅をmmからmilへ変換するには？
ミリメートルに39.37を掛けるとmil（1インチの1000分の1）になります。例：0.254 mm = 10 mil、0.5 mm = 19.7 mil ≈ 20 mil、1 mm = 39.37 mil ≈ 40 mil。ほとんどのPCB設計ツールは両方の単位を表示できます。この計算機はIPC-2221式の係数に合わせてmilを使用します。
銅重量は配線厚とどう関係しますか？
銅重量は1平方フィートあたりのオンスで指定されます。1オンス（1 oz）の銅を1平方フィートに延ばすと、厚さは約1.378 mil（35 μm）です。2オンス銅は2.756 mil（70 μm）です。より重い銅は低抵抗で高い電流容量を得られますが、微細パターンのエッチングが難しくなり、コストも上がります。
PCB配線の抵抗はどれくらいですか？
1インチあたりの抵抗はR/in = 0.679 / Aです。Aはmil²で表した断面積、0.679は20°Cにおける銅の抵抗率（Ω·mil²/in）です。温度が高くなると、抵抗は20°Cを超える1°Cごとに約0.393%増加します。1 oz、10 mil配線（A = 13.78 mil²）の場合、R/in ≈ 0.049 Ω/inchで、1 Aを3インチ流すと0.147 Vの電圧降下が生じます。
IPC-2221の値は保守的ですか？
はい。IPC-2221のチャートと式は、強制対流のない静止空気中での実測値から導かれており、安全余裕も含んでいます。実際には、良好な気流、近接する銅ベタ、内部プレーンへ接続するサーマルビアがある配線は、IPC式が示すより多くの電流を安全に流せる場合があります。安全が重要な設計ではIPC値を守り、十分に試験された商用用途では±20%程度の控えめなディレーティングが許容されます。