2025-09-19
PCBは,シンプルな電卓から生命を救うMRI機器まで,あらゆる電子機器の"エネルギー支柱"です.すべての部品 (マイクロチップ) を低性能の電源PCBは過熱,デバイスの故障,または安全上の危険性 (ショート回路など) も引き起こします.電気自動車やデータセンターのサーバーなどの 高性能デバイスの出現とともにこのガイドは,信頼性の高い,信頼性の高い PCB を構築するために知っておくべきすべてを分解します.効率的な電源PCBは,適切なタイプの選択から熱管理とEMI制御の最適化まで.
主要 な 教訓
1適正なPCBタイプを選択します.強度のために硬いPCB (2024年には46.5%の市場シェア),ウェアラブル/医療機器のための柔軟なPCB,高電力需要 (データセンターなど) 向けに多層PCB.
2電源選択の問題:線形電源は低騒音,低電力アプリケーション (オーディオ/医療機器) で優れているが,スイッチモード電源 (SMPS) は,コンパクト型に70~95%の効率を提供します.高性能電子機器 (スマートフォン)サーバー)
3.コンポーネントの仕様については交渉できません.故障を避けるために,ESRが低いコンデンサー,飽和電流が高いインダクタ,低電阻のMOSFETを使用します.
4安全性と効率性のための設計: 痕跡幅についてIPC-2152に従い,熱を管理するために熱ビアス/銅注入を使用し,騒音を減らすためにEMIフィルター (フェライトビーズ,piフィルター) を追加します.
5危険から守る: 超電圧,超電流,熱保護を統合して,電源のピークや過熱による損傷を防ぐ.
電力供給 PCB は 何 です か
電源PCBは,電子機器のための電力を管理する特殊印刷回路板である.それは単に"電力を供給する"だけでなく,3つの重要な機能を実行する:
1電力変換:AC (壁の電源から) をDC (電子機器用) に変更するか,DC電圧を調整する (例えば,マイクロチップ用では12Vから5V).
2制御: 敏感な部品を損傷する変動を避けるため,電圧/電流を安定させます.
3保護: 超電圧,超電流,ショート回路,または反極性から回路を保護します.
電源PCBのコアコンポーネント
各電源PCBは,電源管理における特定の役割を持つ各々の機能のために重要な部品に依存します.
| 部品タイプ | 機能 | 重要な仕様 |
|---|---|---|
| 電源モジュール | パワーを変換/調節する (例えば,ステップダウンのためのバック,ステップアップのためのブースト). | 出力電圧 (例えば3.3V/5V/12V),電流量 (例えば2A/5A),効率 (≥80%). |
| トランスフォーマー | ステップAC電圧アップ/ダウン;電気隔離 (安全性) を提供する. | 電圧比 (例えば220V→12V),定位電源 (例えば10W/50W),隔離電圧 (≥2kV). |
| 矯正器 | ACをDCに変換する (例えば,フルウェーブ変換のためのブリッジ直線器). | 定位電流 (例えば,1A/10A),定位電圧 (≥2倍入力電圧) |
| コンデンサ | 円滑なDC電源,フィルターノイズ/リップ,エネルギー貯蔵 | 容量 (例えば,10μF/1000μF),定位電圧 (≥1.2x作業電圧),低ESR. |
| 誘導器 | 電流の流れを制御し,SMPSの波動をフィルタリングし,磁気エネルギーを貯蔵します. | 誘導力 (例えば,1μH/100μH),飽和電流 (最大電流≥1.5倍). |
| 電圧調節器 | 出力電圧を安定させる (低騒音のための線形調節器,効率のためのスイッチ) | 出力電圧容量 (±2%) 脱出電圧 (線形では≤0.5V) |
| 熱管理 | 熱を散布する (熱吸収器,熱経路,金属コアPCB) | 熱伝導性 (例えば銅:401 W/m·K),熱シンクサイズ (電力の損失に匹敵する). |
| EMI 抑制 | 電気磁気干渉を減らす (フェライト珠,普通モードの窒息物) | 周波数範囲 (例えば100kHz1GHz),インパデンス (目標周波数で≥100Ω). |
電力 供給 装置 の PCB が 重要 な 理由
電源PCBは電子機器の最も重要な部品であり,その設計は直接影響します.
1安全性: 設計が不良なボードは過熱,火災,電気ショックを引き起こす (例えば,ノートパソコンの電源が故障すると内部部品が溶け込む).
2信頼性:電圧変動や騒音は敏感なチップをクラッシュさせる (例えば,医療モニターの電源の故障は患者を危険にさらす)
3効率性: 不効率な電源はエネルギーを無駄にします (例えば,サーバーの線形電源は,熱としてエネルギーの40~70%を無駄にします.
4サイズ:SMPSベースのPCBは線形PCBより50~70%小さく,スマートフォンやウェアラブルなどのコンパクトデバイスが可能です.
電源 の PCB タイプ: どちらを 選ぶ べき です か
電源PCBは構造 (硬い,柔軟) と層数 (単面,多層) によって分類されます.各タイプはユニークなアプリケーションに対応します.そして正しいものを選ぶと 過剰な工学や早期失敗を避けます.
1構造別:硬,柔軟,硬-柔軟
| PCB タイプ | 主要 な 特質 | 市場シェア (2024年) | 最良のアプリケーション |
|---|---|---|---|
| 硬いPCB | 硬い (FR-4基板),高い機械強度,製造が簡単. | 460.5% (最大) | サーバー,デスクトップPC,工業機器 (安定性が必要) |
| 柔軟なPCB | 薄い (ポリマイド基板),折りたたみやすい,軽量 | 成長 (8~10%) | ウェアラブル (スマートウォッチ) 医療機器 (内視鏡) 折りたたむ電話 |
| 硬柔性PCB | 硬い層と柔軟な層を組み合わせる 折りたたみのある部分,安定した部分 | 最も速い成長 | 航空宇宙 (衛星部品),自動車 (ダッシュボードセンサー),携帯医療機器 |
2.層数: 一面,二面,多面
| 層数 | 主要 な 特質 | 使用事例 |
|---|---|---|
| 片面 | 片側が銅で シンプルで安価 | 基本的な電源 (例えば計算機の充電器),低電力装置. |
| 双面型 | 両側から銅が 部品が増えたら より良いルートです | 消費電子機器 (スマートテレビ),自動車センサー,中級電源 |
| 複数の層 | 4~16層以上 (パワー/地面平面+信号層) 高密度 | 高性能機器 (データセンターサーバー) 電動車 医療用MRI機器 |
3. 2024年の市場見通し
a.硬いPCB:低コストと汎用性により,工業用電源の90%で使用される.
b.多層PCB: 最大の収益セグメント (52%の市場) は,高電力デバイスはノイズを減らすために別々の電力/地面平面を必要とします.
c.リジッド・フレックスPCB:ウェアラブルおよび医療機器の需要によって最も速い成長率 (15~20%CAGR) がもたらされます.
プロのヒント: 50W以上の電源では,専用電源/地面平面を持つ多層PCBを使用します.これは阻力と熱を30%削減します.
電源タイプ:線形とスイッチモード
電源モジュールはPCBの"心臓"である. 2つの主要タイプは効率,サイズ,ノイズで異なる.したがって,正しいものを選択することは重要です.
1線形電源
線形電源は,電圧を低減させるトランスフォーマーを用い,直線器と電容器を用い直線電圧を直流電流に変換する.単純だが,過度の電圧が熱として無駄になるため,効率が悪くなる.
利害 弊害
| 利点 | デメリット |
|---|---|
| 超低騒音 (敏感な電子機器に最適) | 低効率 (30~60%) 熱としてエネルギーを無駄にする. |
| シンプルな設計 (部品が少なく,修理が簡単) | 大型/重型 (大型のトランスフォーマー/散熱器が必要) |
| 低消費電力 (<50W) の低コスト | 電圧を下げるだけ (増やせない) |
| 安定した出力 (最小の波動) | 単一の出力電圧 (柔軟性がない) |
最良のアプリケーション
a.音声機器:マイク,アンプ (ノイズにより音質が損なわれる).
b.医療機器:MRI機器,血圧計 (ノイズにより測定が妨げられる).
c. 研究室機器:オシロスコップ,信号発生器 (正確な読み取りのために安定した電源が必要).
2スイッチモード電源 (SMPS)
SMPSは電力を変換するために高速スイッチMOSFET (10kHz 〜 1MHz) を使用する.制御された爆発で放出します.これはそれを70%~95%効率的で線形電源よりもはるかに小さくします..
利害 弊害
| 利点 | デメリット |
|---|---|
| 高効率 (70~95%) 低熱 | 騒音が大きい (EMIフィルターが必要です) |
| 小型/軽量 (小さなトランスフォーマーを使います) | 複雑な設計 (より多くの部品) |
| 柔軟性 (電圧の上昇/減少) | 初期費用が高く (低電力で線形に比べると) |
| 複数の出力電圧 (例えば3.3V+5V) | 慎重に熱管理する必要がある (MOSFETを切り替えたら熱くなる). |
共通のSMPSトポロジー (設計)
SMPSは,特定のニーズのために異なる回路設計 ("トポロジー") を使用します.
| トポロジー | 働き方 | 最良の為 |
|---|---|---|
| バック | DC電圧を下回る (例えば,12V→5V). | 高性能デバイス (ラップトップ,サーバー) は効率的なスレップダウンが必要です |
| 刺激する | DC電圧を上昇させる (例えば3.7V→5V). | 低入力電圧の電池駆動デバイス (スマートフォン) |
| バック・ブースト | ステップアップ/ダウン電圧 (出力は逆転) | バッテリー電圧を変化させる携帯装置 (懐中電灯) |
| フライバック | 隔離式 (トランスフォーマーを使用) 複数の出力 | 低消費電力の隔離電源 (電話充電器,IoTセンサー) |
| レゾナント LLC | 低スイッチ損失,広い入力範囲 | 高電力装置 (電気自動車の充電器,データセンターの PSU) |
最良のアプリケーション
a.消費者電子機器:スマートフォン,テレビ,ラップトップ (電力効率が低い必要性)
データセンター:サーバー,ルーター (高効率で電気コストが削減される)
c.自動車:電気自動車,ADASシステム (センサー/モーターの複数の出力)
3線形対SMPS:対面比較
| アスペクト | 線形電源 | スイッチモード電源 (SMPS) |
|---|---|---|
| 効率性 | 30~60% | 70~95% |
| サイズ/重量 | 2×3倍大きい/重い | コンパクト (スマートフォンに収まる) |
| 騒音 | <10mVの波動 (超静か) | 50~100mVの波動 (フィルタリングが必要) |
| コスト (低電力 <50W) | 5ドル 20ドル (安い) | 10ドル~30ドル (もっと高価) |
| コスト (高出力>100W) | $50~$200 (高価なトランスフォーマー) | $30~$100 (スケールより安く) |
| 熱管理 | 大きな散熱器が必要です | 熱通路/散熱器が必要 (容量が少ない) |
電源PCBの設計上の重要な考慮事項
優れた電源PCBは 部品だけでなく レイアウト,熱管理,保護についてです. 以下は,交渉不可の設計規則です.
1レイアウト: 騒音と抵抗を最小限に抑える
良くない 配置 に よっ て 騒音,過熱,電圧 の 低下 が 生じ ます.以下 の 規則 に 従い て ください.
a.短くて広い電源線: IPC-2152 を使用して5A電流の線幅を計算します. 2オンス銅線が 3mm 幅でなければなりません (1オンス銅の 6mm と対照).
専用電源平面 (12V/5V用) と地面平面はインパデンスを削減し,自然容量 (フィルターノイズ) を生み出すために隣接している (0.1mmダイエレクトリック) を保持します.
戦略的に部品を配置する:
ACの波動を平らにするため,電源コネクタの近くに入力コンデンサを (大きな電解) 置く.
高周波ノイズを遮るため,IC電源ピンから2mm以内に解離電容器 (0.1μF) を配置する.
熱を散らすために熱コンポーネント (MOSFET,レギュレーター) をグループ化します.
d. 接地回路を避ける: アナログおよびデジタル回路では単一の接地点 ("スター接地") を使用する.これは,敏感なアナログ回路を通る電流を停止する.
2痕跡幅と銅厚さ
トレース幅は,PCBが過熱せずにどれだけの電流を運ぶことができるかを決定する.IPC-2152ガイドラインまたはオンライン計算機 (例えば,PCBツールキット) を使用してサイズを追跡する:
| 電流 (A) | 痕跡幅 (1オンス銅,30°C上昇) | 痕跡幅 (2オンス銅,30°C上昇) |
|---|---|---|
| 1A | 0.8mm | 0.4mm |
| 3A | 2.0mm | 1.0mm |
| 5A | 3.2mm | 1.6mm |
| 10A | 6.4mm | 3.2mm |
a.銅の厚さ:電源では2ozの銅 (70μm) が1oz (35μm) よりも優れている.抵抗を50%削減し,より多くの熱を処理する.高電力設計 (>20A) では3ozの銅 (105μm) を使用する.
b.熱ビアス:熱コンポーネント (例えばMOSFET) の下には4~6の熱ビアス (0.3mmの穴) を加え,地面面に熱を転送する.これはコンポーネントの温度を20~30°C低下させる.
3熱管理: 過熱を停止する
熱は電源障害の第一原因です 温度が10°C上昇するごとに 部品の寿命が半減します
材料の選択:
低電力 (≤50W) の場合: FR-4 (安価で製造が簡単)
高出力 (>50W) については,FR-4より50×100倍高い熱伝導性を有する金属コアPCB (アルミ/銅コア)
熱インターフェース材料 (TIM): 熱シンクとコンポーネント間の相変化TIM (2.23 W/m·K) は,長期的信頼性のために熱ペストよりも優れている.
b.散熱器: MOSFET と調節器にアルミニウム散熱器を固定し,電源損失に基づいてそれらをサイズします (例えば,10Wのコンポーネントには50mm×50mmの散熱器が必要です).
c.空気流:熱部品の間には2~3mmの隙間を置いて,空気が循環できるようにします.閉ざされたデバイス (例えばサーバーのPSU) では,熱シンクの上に空気を押し込むためにファンを追加します.
d.シミュレーション: Ansys Icepak のようなツールを使用して熱流をモデル化します.これはプロトタイプ作成前にホットスポット (例えば,混雑した MOSFET エリア) を発見します.
4EMI コントロール:ノイズを減らす
SMPS は,他の電子機器を妨げる電磁気干渉 (EMI) を発生させる (例えば,ルーターの電源が Wi-Fi の停止を引き起こす).これを修正するには,
a.小さなスイッチリングループ:スイッチリング回路 (MOSFET + インダクター + コンデンサー) の面積をできるだけ小さくします.これは放射されたEMIを40%削減します.
b.EMIフィルター:
Piフィルター: 入力 (ACまたはDC) に配置して,差分モードのノイズをフィルタリングする (コンデンサター+インダクター+コンデンサターを使用する).
共通モードストローク: 入力/出力ケーブルに追加して,共通モードのノイズ (例えば電力網からのノイズ) を遮断する.
フェライトビーズ:高周波ノイズ (100kHz~1GHz) を吸収するためにICの近くに信号痕跡を付けます.
c.シールド: 繊細な領域 (例えば,スイッチングMOSFET) をシールドするために銅テープまたは金属缶を使用します.これはEMIを閉じ込めるファラデーケージを作成します.
d.Yコンデンサター: 主要および二次基地の間を接続し,一般モードのノイズを250V AC (安全基準) に指定された地上用コンデンサターに転送する.
5保護機能: 危険を回避する
電源のピーク,ショート・サーキット,またはユーザーエラーによる損傷を防ぐために,以下の保護措置を追加します:
a.過電圧保護 (OVP):電圧が指定値の1.2倍を超えると (例えば,12V電源が14.4VでOVPを誘発する) 給電を短縮するために,ゼーナーダイオードまたはブームバー回路を使用する.
b.過電源保護 (OCP):電流が高すぎると電源を切るため,ファイューズ (最大電流の1.5倍) またはeファイューズ (リセット可能) を使用する.
c.逆極性保護:入力に MOSFET を連動して追加します.ユーザが電源を逆向きに接続すると,MOSFET がオフになり,損傷を防止します.
d.熱停止: 温度センサー (例えばNTC熱istor) を使って,閉ざされたデバイス (例えばスマートホームハブ) の温度が85°C以上になると電源を停止する.
e.ESD保護:入力/出力ピンにTVSダイオード (一時電圧抑制器) を加え,ESDピークを安全レベルに固定する.
電力供給PCBに関するIPC規格
安全性,信頼性,製造可能性を確保するために,以下のようなIPC規格に従ってください.
| IPC標準 | 目的 | 電力 供給 器 に 関する 重要性 |
|---|---|---|
| IPC-2152 | トレース電流の持ち容量 (銅の厚さ,幅) を定義する. | 熱すぎたり 燃え上がったりしない |
| IPC-2221 | 一般的なPCB設計規則 (パッドサイズ,間隔による) | 部品が正しく組み合わさって 接続できるようにします |
| IPC-A-600 | 裸のPCBの許容基準 (裂け目がない,適切な塗装) | 欠陥のある板 (例えば薄い銅の痕跡) を避ける. |
| IPC-6012 | 硬いPCBの資格 (熱耐性,介電性強度) | PCBが高電力/高熱に対応できるようにします |
| IPC-4761 | 防護用ガイドライン (溶接マスク,詰め物) | 熱圧下での破裂を防ぎます |
例: 10A電源PCBは,3.2mm幅の2オンス銅の痕跡を使用するには,IPC-2152に従う必要があります.これは,動作中に痕跡が過熱しないことを保証します (≤30°C上昇).
よくある質問
1SMPS の代わりに 線形 電源 を どの よう に 使う べき です か
低電力 (<50W),ノイズに敏感なアプリケーション (例えば,オーディオ増幅器,医療モニター) のために線形電源を使用します.効率とサイズが重要である.
2電源の正しい線幅をどうやって計算する?
IPC-2152ガイドラインまたはオンライン計算機 (例えば,PCBツールキット) を使用します.入力電流,銅厚さ,最大温度上昇 (30°Cが標準です) ツールは必要な痕跡幅を提供します.例えば銅の5Aが2オンスで 幅1.6mmの痕跡が必要です
3SMPS PCB の EMI を減らす最善の方法は?
a. スイッチループを小さく (MOSFET + インダクタ + コンデンサ)
(b) 入口にpiフィルターとケーブルに共通モードストロークを加える.
c. 切り替え部品の周りに金属のシールドを使用する.
d.Yコンデンサを次要基と次要基の間に配置する.
4なぜ電源のPCBは熱経路が必要なのか?
熱経路は,熱コンポーネント (例えば,MOSFET) から熱を地平面に転送し,熱シンクとして作用する.これはコンポーネントの温度を20~30°C低下させ,寿命を倍にする.
5電力供給PCBの保護機能は?
a. 過電圧保護 (OVP): 部品を損傷させる電圧のピークを防止する.
b.過電源保護 (OCP): 短回路が火災を引き起こすのを防ぎます.
c. 熱停止: 閉ざされた装置の過熱を防止する.
d.反極性保護:不正な電源接続による損傷を回避する.
結論
電力供給PCBは電子機器の未知のヒーローです.彼らはデバイスを安全で効率的で信頼性の高い状態に保ちます.成功の鍵は,正しいタイプを選択することです (安定性のために硬い,ウェアラブルのために柔軟),電源 (低騒音のための線形)効率化のためにSMPS) と厳格な設計規則 (軌跡幅,熱管理,EMI制御) を遵守する.
IPC規格を優先して 高品質なコンポーネント (低ESRコンデンサ,高飽和感インダクタ) を使用し 保護機能を追加することで 長年持続する電源PCBを製造できます5Wの携帯電話充電器か 500Wのサーバーの PSUを設計しているかどうかこのガイドの原則は安全性,効率性,製造可能性に焦点を当てています.
電子機器がより強力になるにつれて (例えば電気自動車,AIサーバー),電源PCBは重要性が増加するだけです.適切な設計に時間を投資すれば,高価なリコール,失敗,余分なエネルギーを無駄にします覚えておいてください:優れた電源PCBは 単に電力を供給するだけでなく 心の安らぎももたらします
問い合わせを直接私たちに送ってください.
