트랙 폭 대 전류 용량: PCB 전력 라우팅 팁

PCB 설계라는 정교한 과정에서 전력 라우팅은 숨은 영웅과도 같습니다.

이는 회로에 전류를 공급하여 생명을 불어넣는 중요한 역할을 합니다. 신호 트레이스가 임피던스 매칭과 노이즈 제어로 주목받는 동안, 전력 트랙은 과열되거나 구성 요소를 손상시키지 않으면서 조용히 전류를 전달하는 책임을 맡습니다.

그렇다면 이러한 트랙의 폭은 얼마나 넓어야 할까요?

바로 트랙 폭과 전류 용량 간의 관계가 핵심입니다. 만약 0.1mm 트랙으로 10A를 처리할 수 있다고 생각한다면, 이는 퓨즈처럼 작동하는 PCB를 설계하는 것과 다름없습니다.

전력 라우팅에서 트랙 폭의 중요성

전력 라우팅의 핵심은 전류를 효율적으로 전달하면서 열, 전압 강하, 그리고 신호 무결성을 관리하는 데 있습니다. 트랙 폭이 적절하지 않으면 열 축적, 전압 강하, 심지어 트레이스 손상과 같은 문제가 발생할 수 있습니다. 물론 SF 영화에서는 녹아내린 트레이스가 멋지게 보일 수 있지만, 현실에서는 설계 실패일 뿐입니다.

IPC(국제 인쇄 회로 협회)는 특정 입력 전류에 따른 PCB 트레이스의 온도 상승을 테스트하고 계산하는 방법론을 표준화한 IPC-2221과 IPC-2152를 개발했습니다. 이 표준에는 방대한 정보가 포함되어 있지만, 대부분의 설계자는 트레이스 폭과 전류 용량의 관계를 파악하기 위해 모든 데이터를 분석할 시간이 부족합니다.

회로 기판 트레이스 저항이란 무엇인가?

자연계의 모든 물질은 전류에 대해 일정한 저항을 가지며, 이는 전도체와 절연체 모두에서 전류 흐름을 방해하는 정도로 나타납니다. PCB 트랙 제작에 일반적으로 사용되는 도체 재료는 구리입니다. 하지만 구리의 고유한 구성과 특성상 전류에 일정한 저항을 발생시키며, 이를 PCB 트랙 저항이라고 합니다.

회로에서 저항은 전류 흐름에 대한 방해 정도를 나타내며, 옴(Ω) 단위로 측정됩니다. PCB 설계에서는 트레이스 저항이 신호 전송 손실과 전력 처리 성능을 평가하는 데 중요한 요소로 작용합니다.

저항은 트레이스의 두께, 폭, 길이에 따라 결정되며, 효율적인 전류 흐름을 위해 저항은 최대한 낮게 유지되어야 합니다. 높은 저항은 전력 손실, 과열, 그리고 전도도 감소를 초래할 수 있습니다.

이를 방지하려면 설계자가 트레이스 폭을 넓히거나, 두꺼운 구리 층을 사용하거나, 구리 면적을 확장하는 방법을 선택해야 합니다.

이러한 방법은 특히 두꺼운 구리를 사용하는 설계에서 PCB의 열 관리를 개선하고 성능을 향상시키는 데 매우 효과적입니다.

전류 용량에 영향을 미치는 요인

단일 레이어 트레이스가 요구 전류를 감당하지 못할 경우, 트레이스를 여러 레이어로 확장하고 스티칭(stitching)으로 연결하여 트레이스 두께를 유지하면서 전류 용량을 높일 수 있습니다.

더 두꺼운 구리 트레이스(예: 2 oz 또는 3 oz)를 사용하는 것도 저항을 줄여 전류 용량을 높이는 방법이지만, 이로 인해 제조 비용이 증가할 수 있습니다. PCB 트레이스의 전류 용량은 단순히 폭에만 의존하지 않으며, 다음과 같은 다양한 요인에 의해 결정됩니다.

구리 두께:

구리 두께는 평방피트당 온스(oz/ft²)로 측정되며, PCB에 적층된 구리의 양을 나타냅니다. 1 oz/ft² (35 µm): 대부분의 PCB에서 표준으로 사용됨.2 oz/ft² (70 µm): 고전류 응용에서 사용됨.3 oz/ft² 이상: 고출력 설계에 적합.

주변 및 작동 온도:

높은 온도는 트레이스의 전류 용량을 감소시킵니다. 주변 환경의 온도와 구성 요소에서 발생하는 열이 모두 영향을 미칩니다. 최악의 온도 조건을 고려하여 설계해야 하며, PCB가 항상 이상적인 냉각 환경에서 작동할 것이라고 가정해서는 안 됩니다.

트레이스 길이:

트레이스가 길어질수록 저항이 증가하여 열 축적과 전압 강하가 발생합니다. 전력 트레이스는 가능한 한 짧고 직선으로 설계해야 합니다. PCB가 복잡한 미로처럼 설계되었다면, 처음부터 다시 설계하는 것이 바람직합니다.

전력 자동차나 인버터와 같이 전류가 100A를 초과하는 고출력 응용에서는 전통적인 구리 트레이스만으로는 충분하지 않을 수 있습니다.

이러한 경우, 일반 트레이스보다 두꺼운 구리 버스바(busbar)를 PCB 패드에 납땜하여 사용할 수 있습니다. 버스바는 과열 없이 고전류를 처리할 수 있어 고출력 응용에 적합한 솔루션입니다.

전류 용량을 위한 트랙 폭 계산

트레이스 온도, 최대 전류, 저항, 전압 강하, 전력 소모 등 다양한 트레이스 요소를 계산하기 위해 온라인 계산기를 활용할 수 있습니다. 계산 결과를 정확히 이해하려면 아래 공식들을 참고하세요.

PCB 설계 소프트웨어에 내장된 트레이스 폭 계산기나 온라인 도구를 활용하세요.

복잡한 계산을 직접 할 필요 없이 이러한 도구를 통해 효율적으로 작업을 진행할 수 있습니다.

[참고 링크]

https://www.digikey.in/en/resources/conversion-calculators/conversion-calculator-pcb-trace-width

PCB 설계에서 전력 라우팅을 최적화하는 7가지 팁

PCB 설계에서 트레이스의 특성은 다양한 요인에 의해 결정됩니다. 아래 모범 사례를 따르면 PCB 제작 비용, 회로 밀도, 전체 성능 간의 균형을 효과적으로 조율할 수 있습니다.

1.적절한 트레이스 폭 설계:

트레이스가 예상 전류를 과열 없이 처리할 수 있도록 충분히 넓게 설계하세요. 예를 들어, 1 oz 구리 PCB에서 2A 부하를 처리하려면 외부 레이어에서는 약 1mm(40 mil) 폭이 일반적입니다.

2.고전류를 위한 더 넓은 트레이스 사용:

설계에 확신이 없을 때는 트레이스를 더 넓게 설계하는 것이 안전합니다. 넓은 트레이스는 저항을 줄이고 전류 처리 용량을 향상시키며, 전압 강하를 최소화합니다.

3.전력 플레인 사용:

전력 플레인은 전류를 효율적으로 분배하는 넓은 구리 영역입니다. 고전력 소모 설계에서는 전력 트레이스 대신 전용 전원 및 접지 플레인을 사용하는 것이 이상적입니다.

4.열 관리:

고전류 트레이스에서는 열 방출이 매우 중요합니다. 열 확산을 돕기 위해 서멀(열) 릴리프 또는 비아를 추가하세요. 또한, 더 두꺼운 구리를 사용하면 열 전도성이 향상됩니다.

5.전압 강하 최소화:

트레이스에서 발생하는 전압 강하는 특히 저전압 설계에서 심각한 문제를 일으킬 수 있습니다. 트레이스를 짧고, 넓으며, 직선으로 설계해 저항을 줄이세요.

6.날카로운 굴곡 피하기:

날카로운 각도는 열 축적과 인덕턴스를 증가시킬 수 있습니다. 전력 트레이스는 45도 또는 곡선 형태의 굴곡을 사용하는 것이 좋습니다.

7.고전류를 위한 병렬 트레이스 사용:

매우 높은 전류가 요구되는 경우, 부하를 병렬 트레이스나 여러 레이어로 분산시키세요. 전력 트레이스를 여러 레이어로 라우팅할 때는 비아를 여러 개 사용하는 것이 필수적입니다. 참고로, 단일 비아는 약 500mA의 전류를 처리할 수 있습니다.

일반적인 실수와 이를 방지하는 방법

열 효과를 무시하는 경우:

고전류 경로에 내부 레이어의 얇은 트레이스를 사용하는 것은 적절하지 않습니다. 열을 효과적으로 관리하려면 더 넓은 트레이스나 서 비아를 사용하고, 전력 트레이스는 상단 또는 하단 레이어에 배치하는 것이 좋습니다.

과밀한 레이아웃 설계:

전력 트레이스를 혼잡한 영역에 라우팅하는 것은 권장되지 않습니다. 초기 설계 단계에서 라우팅을 철저히 계획하고 전력 경로를 우선적으로 배치해야 합니다.

외부 레이어만 사용하는 경우:

외부 트레이스에 과부하를 주는 반면 내부 레이어의 라우팅을 간과하는 것은 흔한 실수입니다. 전류를 여러 레이어에 분산시키고, 주요 전력 경로는 주 레이어에, 신호 및 디지털 전류는 다른 레이어에 배치하는 방식이 효과적입니다.

전력 라우팅에서 솔더 마스크 제거의 이점

솔더 마스크를 제거하면 트랙의 전류 용량이 증가하며, 이는 경제적으로 매우 효율적인 방법입니다. 솔더 마스크를 제거하면 구리가 노출되어 추가적인 솔더 재료로 트레이스 두께를 늘릴 수 있습니다.이를 통해 PCB의 전반적인 저항을 줄이고, 더 높은 전류를 처리할 수 있는 능력을 확보할 수 있습니다.이 방법은 트레이스 폭을 늘리지 않고도 전력 용량을 증가시키는 데 유용합니다.

결론

전력 라우팅은 단순히 구성 요소를 연결하는 작업이 아니라, 전류를 효율적으로 관리하고 열을 최소화하며 설계의 신뢰성을 보장하는 중요한 과정입니다. 트랙 폭, 구리 두께, 열 관리를 적절히 조율하여 설계하면 과열이나 트레이스 손상을 방지하면서도 안정적으로 전력을 전달할 수 있습니다.

• 트랙 폭과 구리 층 두께는 PCB의 전류 용량 관리에서 핵심적인 역할을 하며, IPC-2152 및 IPC-2221 표준이 이에 대한 지침을 제공합니다.
• 트레이스가 외부에 위치하는지, 내부에 위치하는지에 따라 열 방출 능력이 달라지며, 이는 안전한 온도 관리를 위한 트레이스 선택에 큰 영향을 미칩니다.
• 구리 두께는 평방피트당 온스(oz/ft²)로 측정되며, 필요한 트레이스 두께를 결정하는 데 있어 간단하고 명확한 기준을 제공합니다.

설계 단계에서 조금만 더 신경을 쓰면 녹아내린 트레이스와 손상된 구성 요소를 방지할 수 있습니다.

트랙을 충분히 넓게 설계하고, 철저히 열을 관리하며, 전류 용량 요구를 과소평가하지 않는 설계를 목표로 삼으세요.