正しいトレース幅を選択することは、PCB設計において最も重要な決定の1つです。 細すぎると、トレースが過熱して溶けるか、ヒューズになってしまいます。 太すぎると、配線やコンポーネントに使用できる基板スペースを無駄にします。 このガイドでは、PCBトレース幅の計算について知っておくべきすべてをカバーします。
1. トレース幅が重要な理由
すべてのPCBトレースには電気抵抗があり、その抵抗に電流が流れると 熱が発生します（P = I²R）。トレースは次のことができるように 十分に太くなければなりません：
- 必要な電流を運ぶ過度の加熱なしに
- 安全な温度上昇以下に保つ（通常は 周囲温度より10-20°C）
- インピーダンス要件を満たす高速 信号用
- 製造を生き延びる欠陥や 破損なしに
- 過渡電流を処理する（起動、モーター 停止、短絡）
重要な警告
サイズが小さすぎるトレースはヒューズとして機能し、過電流 状態時に溶けて基板の故障や火災を引き起こす可能性があります。 計算には常に安全マージンを追加してください。
2. IPC規格の説明（IPC-2221 vs IPC-2152）
2つの主要なIPC規格がトレース幅の計算を管理しています。 それぞれをいつ使用するかを理解することは、プロフェッショナルな設計に不可欠です。
IPC-2221：クラシック規格
IPC-2221（プリント基板設計に関する一般規格）は1998年以来 業界標準となっています。そのトレース幅チャートは 1950-60年代の軍事仕様（MIL-STD-275）から派生しています。
IPC-2221 式（外層）：
I = 0.048 × ΔT^0.44 × A^0.725
IPC-2221 式（内層）：
I = 0.024 × ΔT^0.44 × A^0.725
ここで：
- I = アンペアでの電流
- ΔT = 周囲温度を超える温度上昇（ °C）
- A = mils²での断面積（幅 × 厚さ）
IPC-2152：現代の規格
IPC-2152（プリント基板設計における電流容量の決定に関する規格）は、 Naval Surface Warfare Centerによる広範なテストに基づいて 2009年にリリースされました。これには以下が含まれます：
- 現代のFR-4材料と製造プロセス
- トレースの近くの銅プレーンの効果
- 環境要因（気流、筐体）
- 今日のPCBのためのより正確な予測
どの規格を使用するか？
ほとんどの趣味および商業プロジェクトでは、IPC-2221 が依然として広く使用されており、保守的な見積もりを提供します。 IPC-2152を使用するのは、より正確な予測が必要な場合、 特に高電流設計や銅充填のある基板の場合です。
3. トレース幅の式
トレース幅を計算するには、IPC-2221式を 幅について解く必要があります。ステップバイステップの導出は次のとおりです：
ステップ1：必要な断面積を計算
A = (I / (k × ΔT^0.44))^(1/0.725)
ステップ2：トレース幅を計算
幅（mils）= A / (厚さ × 1.378)
ここで：
- k = 外層の場合0.048
- k = 内層の場合0.024
- oz/ft²での厚さ（1 oz = 1.378 mils）
1oz銅の簡略化された式
10°Cの温度上昇を伴う1oz銅の一般的なケースの場合：
外層：幅（mils）≈ I^1.378 × 10.5
内層：幅（mils）≈ I^1.378 × 21
この近似は、0.5Aから10Aまでの電流に対して10%以内で正確です。
4. 完全なトレース幅表
これらの表は、IPC-2221に基づくクイックリファレンス値を提供します。 出発点として使用し、計算機で確認してください。
外層 - 1oz銅（35μm / 1.4 mils）
| 電流 | 10°C上昇 | 20°C上昇 | 30°C上昇 |
|---|---|---|---|
| 0.5A | 5 mil (0.13mm) | 3 mil (0.08mm) | 2.5 mil (0.06mm) |
| 1A | 10 mil (0.25mm) | 7 mil (0.18mm) | 5 mil (0.13mm) |
| 2A | 30 mil (0.76mm) | 20 mil (0.51mm) | 15 mil (0.38mm) |
| 3A | 50 mil (1.27mm) | 35 mil (0.89mm) | 25 mil (0.64mm) |
| 4A | 80 mil (2.03mm) | 55 mil (1.40mm) | 40 mil (1.02mm) |
| 5A | 110 mil (2.79mm) | 75 mil (1.91mm) | 60 mil (1.52mm) |
| 7A | 175 mil (4.45mm) | 120 mil (3.05mm) | 95 mil (2.41mm) |
| 10A | 300 mil (7.62mm) | 200 mil (5.08mm) | 160 mil (4.06mm) |
内層 - 1oz銅（35μm / 1.4 mils）
| 電流 | 10°C上昇 | 20°C上昇 | 30°C上昇 |
|---|---|---|---|
| 0.5A | 15 mil (0.38mm) | 10 mil (0.25mm) | 8 mil (0.20mm) |
| 1A | 35 mil (0.89mm) | 22 mil (0.56mm) | 17 mil (0.43mm) |
| 2A | 90 mil (2.29mm) | 60 mil (1.52mm) | 45 mil (1.14mm) |
| 3A | 160 mil (4.06mm) | 105 mil (2.67mm) | 80 mil (2.03mm) |
| 4A | 240 mil (6.10mm) | 160 mil (4.06mm) | 125 mil (3.18mm) |
| 5A | 330 mil (8.38mm) | 220 mil (5.59mm) | 175 mil (4.45mm) |
重要な注意
内層は、同じ電流に対して外層より約2-3倍広いトレースが必要です。 これは、内層には空気冷却がなく、PCB基板を通じた 伝導に完全に依存しているためです。
5. 銅の重量と厚さ
銅の重量（oz/ft²で測定）は電流容量に直接影響します。 重い銅 = より多い断面積 = より多い電流。
銅重量変換表
| 重量（oz） | 厚さ（mils） | 厚さ（μm） | 厚さ（mm） | 電流倍率 |
|---|---|---|---|---|
| 0.5 oz | 0.7 mil | 17.5 μm | 0.0175 mm | 0.6x |
| 1 oz（標準） | 1.4 mil | 35 μm | 0.035 mm | 1.0x（ベースライン） |
| 2 oz | 2.8 mil | 70 μm | 0.070 mm | 1.65x |
| 3 oz | 4.2 mil | 105 μm | 0.105 mm | 2.2x |
| 4 oz | 5.6 mil | 140 μm | 0.140 mm | 2.7x |
プロのヒント：重い銅を使用するタイミング
パワーエレクトロニクス、モータードライバー、または >3Aを運ぶ設計には2oz銅を検討してください。コストの増加は通常10-20%ですが、 大幅に狭いトレースとより良い熱性能が得られます。 JLCPCBは標準オプションとして2oz銅を提供しています。
6. 内層vs外層
トレースの位置は、その電流容量に劇的に影響します。 その理由を理解することで、より良い設計決定を下すことができます。
外層（上部と下部）
- より良い冷却 - 空気との直接接触により 対流熱放散が可能
- 約2倍の電流を運べる同等の 内層トレースと比較して
- 筐体の影響を受ける - 筐体内の静止空気は 容量を10-20%減少させる
- 銅プレーンが役立つ - 隣接する銅充填がヒート スプレッダーとして機能
内層
- 閉じ込められた熱 - 直接空気接触なし、熱は FR-4を通じて伝導する必要がある
- より低い容量 - 外層容量の約50%
- サーマルビアが役立つ - 熱を外層に伝導するためのビアを追加
- プレーンの近接性が重要 - 電源/グランドプレーンの近くのトレースは よりよく冷える
7. 温度上昇の考慮事項
温度上昇（ΔT）は、周囲温度と比較してトレースがどれだけ熱くなるかです。 これは重要な設計パラメータです。
温度上昇の選択
| ΔT | 使用ケース | トレードオフ |
|---|---|---|
| 10°C | 保守的、民生用電子機器、高信頼性 | 最も広いトレース、最も信頼性が高い |
| 20°C | 産業用、中程度の電力、良いバランス | 10°Cより約30%狭いトレース |
| 30°C | スペース制約、短いデューティサイクル | 約45%狭い、信頼性の低下 |
| >30°C | 推奨されません | デラミネーション、コンポーネント損傷のリスク |
周囲温度の考慮事項
周囲温度を忘れないでください！デバイスが高温環境で動作する場合：
最大トレース温度 = 周囲温度 + ΔT
例：
- 周囲温度：50°C（高温筐体）
- ΔT：20°C（計算より）
- トレース温度：70°C
FR-4ガラス転移（Tg）：130-180°C（安全！）
近くのコンポーネント制限：ICの仕様を確認（通常85-105°C最大）
8. トレース幅計算機の使用方法
オンライントレース幅計算機はIPC-2221式を自動化します。 効果的に使用する方法は次のとおりです。
必要な入力
- 電流（アンペア） - 過渡を含む最大予想電流を使用
- 銅重量（oz） - 特に指定がない限り通常1oz
- 温度上昇（°C） - 保守的な設計のために10°Cから始める
- トレース層 - 外層（上/下）または内層
- トレース長（オプション） - 電圧降下計算用
ステップバイステップの例
3Aピークを引く12Vモータードライバーのトレースを設計してみましょう：
与えられた：
- 電流：3A（モーターピーク電流）
- 銅：1oz（標準PCB）
- 温度上昇：10°C（保守的）
- 層：外層（上層）
- トレース長：50mm
計算機出力：
- 必要幅：50 mil（1.27mm）
- 抵抗：0.035Ω
- 電圧降下：0.105V（12Vの0.9%）
- 電力損失：0.315W
推奨計算機
- Saturn PCB Toolkit - 包括的なツールを備えた無料のWindowsソフトウェア
- 4PCB Trace Width Calculator - シンプルなオンラインツール
- EEWeb Calculator - 両方のIPC規格を備えたブラウザベース
- Altium Designer - 組み込み計算機（ライセンス）
9. 実践的な設計例
例1：USB電源デバイス
要件：USB 2.0電源（500mA最大）
計算：
- 電流：0.5A
- 1oz銅、外層、10°C上昇
- 結果：5 mil（0.13mm）
推奨：最低10 mil（0.25mm）を使用
理由：製造の信頼性、電圧降下の削減
例2：5V/2A電源
要件：開発ボード用5Vレール
計算：
- 電流：2A連続
- 1oz銅、外層、10°C上昇
- 結果：30 mil（0.76mm）
推奨：40 mil（1.0mm）を使用
理由：過渡、将来の拡張を許可
例3：モータードライバー（高電流）
要件：24V/10Aモータードライバー
計算：
- 電流：10A連続（15A停止）
- 2oz銅、外層、20°C上昇
- 10Aの結果：115 mil（2.9mm）
- 15A（停止）の結果：200 mil（5.1mm）
推奨：
- 電源パスに銅充填を使用
- 熱を分散させるためのサーマルビアを追加
- 極端な電流には4oz銅を検討
例4：バッテリー駆動IoTデバイス
要件：3.7V LiPo、平均100mA、500mA ピーク（WiFi TX）
計算：
- ピーク用に設計：500mA
- 1oz銅、外層、10°C上昇
- 結果：5 mil（0.13mm）
推奨：すべての電源トレースに8 mil（0.2mm）を使用
理由：製造マージン、バッテリー寿命のための低いIR降下
10. 避けるべき一般的な間違い
間違い#1：電源に信号トレース幅を使用する
問題："単なる接続だから"という理由でVCCを6 milトレースでルーティング
解決策：機能ではなく、常に電流に基づいてトレース幅を計算します。 1A電源トレースには10+ milsが必要です。
間違い#2：リターンパスを無視する
問題：広いVCCトレースだが細いGNDトレース
解決策：リターンパス（通常GND）は同じ電流を運びます。 両方のトレースを同等にサイズするか、グランドプレーンを使用します。
間違い#3：過渡を考慮しない
問題：モーターが8Aで停止するときに2A平均で設計
解決策：最悪ケースの電流で設計：突入、 モーター停止、短絡保護トリップ電流。
間違い#4：ビアで細くなる
問題：ビア接続で10 milに縮小する50 milトレース
解決策：複数のビアを並列に使用するか、 より大きなビアパッドを使用します。ネックが電流ボトルネックになります。
間違い#5：内層を忘れる
問題：外層と同じ幅で内層に5Aをルーティング
解決策：内層トレースは約2倍の幅が必要です。 可能な場合は高電流パスに外層を使用します。
間違い#6：電圧降下を無視する
問題：3.3Vレールで0.5V降下を引き起こす長い10 milトレース
解決策：長いトレースの電圧降下を計算： V = I × R。降下をレール電圧の2-3%以下に保ちます。
11. ベストプラクティスと経験則
クイックリファレンスルール
- 1.アンペアあたり10 mils - 1oz 銅、外層、10°C上昇のクイック近似
- 2.内層は2倍 - 内層はトレース幅の2倍が必要
- 3.50%のマージンを追加 - 過渡のために常に安全マージンで設計
- 4.銅充填を使用 - 3A以上の電流には、 トレースの代わりにポリゴン充填を検討
- 5.電圧降下を確認 - 長いトレースまたは低い 電圧にはIR降下のためのより広いトレースが必要
- 6.リターンパスに注意 - GNDトレースは電源と同じ電流を運ぶ
トレースの代わりに銅充填を使用するタイミング
- 電流が5A連続を超える
- 大幅な熱放散が必要
- 電源レールを共有する複数の並列負荷
- スペースが制約されていない
- EMI/EMC要件にはソリッドプレーンが必要
サーマルビア戦略
高電流設計では、サーマルビアが内層からの熱放散を助けます：
- エンドポイントだけでなく、トレース長に沿ってビアを配置
- 0.3mmドリルビア、0.6mmパッドを使用 - 標準で安価
- 間隔：トレースに沿って1-2mm間隔
- 反対側の銅充填に接続してヒートシンクとして機能
12. JLCPCB製造限界
JLCPCB（または同様の低コストメーカー）向けに設計する場合、 これらの限界を念頭に置いてください：
| パラメータ | 標準（無料） | 高度（$$$） |
|---|---|---|
| 最小トレース幅 | 6 mil（0.15mm） | 3.5 mil（0.09mm） |
| 最小トレース間隔 | 6 mil（0.15mm） | 3.5 mil（0.09mm） |
| 銅重量 | 1oz / 2oz | 最大6oz |
| ビアドリルサイズ | 0.3mm最小 | 0.15mm最小 |
| 最大基板厚 | 2.0mm | 4.0mm |
EasyEDA統合のヒント
EasyEDAをJLCPCBで使用する場合、設計ルールは自動的に JLCPCBの標準機能に設定されます。設計 → 設計ルールチェックをチェックして、 注文前にトレース幅が製造要件を満たしていることを確認してください。
要約：トレース幅選択フローチャート
- 最大電流を決定 - 過渡、 起動、最悪ケースを含む
- 銅重量を選択 - 1oz標準、2ozで >3A
- 温度上昇を選択 - 10°C保守的、 20°C典型的
- 層を特定 - 高電流には外層が好ましい
- IPC-2221で計算 - 表または 計算機を使用
- 安全マージンを追加 - 最低50%、 重要なパスにはさらに多く
- 電圧降下を確認 - 長いトレースまたは低い 電圧の場合
- DRCを検証 - メーカーの最小値を 満たすことを確認
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