モータ・ドライバ PCBレイアウトガイドライン - 第1部
Pete Millett、テクニカルマーケティングエンジニア、MPS
モータ・ドライバICは大量の電流を供給し、かなりの電力を消費します。一般に、この電力はプリント回路基板 (PCB) の銅領域に消費されます。適切な冷却を確保するには、特別なPCB設計技術が必要です。 この記事の第1部では、モータ・ドライバICを使用するPCボードの設計に関する一般的な推奨事項について説明します。
大きな銅領域を使え!
銅は優れた熱導体です。FR-4ガラスエポキシのようなPCB基板材料は、熱の低い導体です。このため、熱管理の観点から、PCボード上の銅面積が増えることが理想的です。
厚い銅は、2オンスの箔 (厚さ68ミクロン) のように、薄い銅よりも優れて熱を伝導します。残念なことに、厚い銅の使用は高価であり、微細な形状を達成することも困難です。一般的に、1オンス (34ミクロン) の銅の使用が一般的です。外層の場合、これは多くの場合、厚さ1オンスまでの1/2オンスの銅メッキです。
多層ボードの内層に使用される固体銅面は、熱を拡散するのにうまく機能します。しかし、これらの平面は通常、ボードスタックアップの中央に配置されるため、熱はボード内に閉じ込められます。PCBの外層に銅領域を追加し、多くのビアを接続する、または「ステッチ」することにより、これらの領域が平面から熱を伝達するのに役立ちます。
2層PCBでは、トレース(配線)と部品が存在するため、熱の拡散がより困難になる可能性があります。 モータ・ドライバICとの良好な熱接続で、できるだけ多くの固体銅を提供することが必要です。両方の外層に銅を注ぎ、それらを多くのビアと一緒にステッチすることで、トレースと部品で切断された領域に熱を分散させるのに役立ちます。
トレース幅? より広く!
モータ・ドライバICの入出力電流が大きい (場合によっては10Aを超える) ため、デバイスの出入りPCBトレースの幅を慎重に検討してください。トレースの幅が広いほど、抵抗は低くなります。熱を発生させるトレースの抵抗に過剰な電力が消費されないようにトレースのサイズを設定する必要があります。トレースが小さすぎると、実際にはヒューズのように動作し、燃え尽きることがあります!
設計者はしばしばIPC-2221規格を使用して、適切なトレース幅を決定します。この仕様には、さまざまな電流レベルの銅断面積と許容温度上昇を示すチャートがあり、特定の銅層の厚さでトレース幅に変換できます。たとえば、1オンスの銅層で10Aの電流を伝送するトレースは、10℃の温度上昇の抑制を達成するために、幅7mmをわずかに超える必要があります。1A電流の場合、幅は0.3mmで済みます。
これを考えると、小さなICパッドを介して10Aの電流を流すことは不可能に思えます。
IPC-2221のトレース幅の推奨事項は、一定幅の長いPCBトレースに適用されることを理解することが重要です。より大きなトレースまたは銅領域に接続されている場合、はるかに大きな電流をPCBトレースの短い部分に通すことで、悪影響を抑えることが可能です。これは、短くて狭いPCBトレースの抵抗が小さく、そこで発生する熱がヒートシンクとして機能するより広い銅領域に引き込まれるためです。例として、図1を参照してください。このデバイスのパッドの幅はわずか0.4mmですが、最大3Aの連続電流を伝送できるはずです。トレースは、できるだけデバイスに近い実用的な大きな幅に広げられます。
図1: PCBトレースの拡幅
トレースの狭い部分で発生する熱は、狭いトレースの温度上昇が無視できるよう、より広い銅領域に導かれます。
内層のPCBに埋め込まれたトレースは、絶縁基板が熱をうまく伝導しないため、外層のトレースと同様に熱を放散することはできません。このため、内層トレースの幅は、外層の約2倍の幅になるように設計する必要があります。
大まかなガイドラインとして、表1は、モータ・ドライバのアプリケーションにおける長いトレース (2cm以上) の推奨トレース幅を示しています。
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電流 (RMS / DC) |
トレース幅 (1オンス銅) |
トレース幅 (2オンス銅) |
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アウターレイヤ |
インナーレイヤ |
アウターレイヤ |
インナーレイヤ |
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1A以下 |
0.6mm |
1.2mm |
0.3mm |
0.6mm |
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2.5A |
1mm |
2mm |
0.5mm |
1mm |
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5A |
2.5mm |
5mm |
1.2mm |
2.5mm |
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10A |
7mm |
14mm |
3.5mm |
7mm |
表1: PCB トレース幅
スペースが許せば、さらに広いトレースや銅注ぎを使用して配線することで、温度上昇と電圧降下を最小限に抑えることができます。
サーマルビア - できるだけ多く!
ビアは、通常、ある層から別の層への信号トレースを転送するために使用される小さなメッキ穴です。サーマルビアは同じように作られますが、ある層から別の層に熱を伝達するために使用されます。サーマルビアの適切な使用はPCBの放熱に不可欠ですが、いくつかの製造上の問題を考慮する必要があります。
ビアには熱抵抗があります。つまり、熱が流れるにつれてビア全体の温度が低下し、ワットあたりの摂氏度で測定されます。この抵抗を最小限に抑え、ビアの熱伝達をより効果的にするには、ビアを穴の内部をできるだけ多くの銅面積で大きくする必要があります (図2を参照)。
図2: ビア断面
PCBのオープンエリアで大きなビアを使用することは可能ですが、多くの場合、ビアはパッド領域内に配置され、ICパッケージからの熱を直接移動させます。この場合、大きなビアは不可能です。これは、大きなメッキ穴が「はんだウィッキング」を引き起こし、ICをPCBに接続するためのはんだがビアに流れ込み、はんだ接合不良の原因となるためです。
はんだウィッキングを減らすにはいくつかの方法があります。一つは、非常に小さなビアを使用して、穴に突っ込まれたはんだの量が少なくなるようにすることです。ただし、小さなビアは熱抵抗が高いため、同じ熱性能を達成するにはより多くのビアが必要です。
もう1つのテクニックは、ボードの裏側にビアに「テントを張る」ことです。これは、はんだマスク材料がビアを覆うように、裏面のはんだマスクの開口部を取り除くことで行います。ビアが小さい場合、はんだマスクがビアを塞ぐので、はんだはPCBを毛管作用で通り抜けることができません。
残念ながら、これはまた「フラックス閉じ込め」という別の問題を引き起こす可能性があります。栓をされたビアでは、フラックス (はんだペーストの成分) がビア内に閉じ込められます。フラックス配合物には腐食性があり、除去されないと時間の経過とともに信頼性の問題が生じることがあります。幸いなことに、現代のノークリーンフラックス工程のほとんどは非腐食性であり、問題を引き起こしません。
サーマルビアにはサーマルレリーフがあってはならないことに注意してください。これらは銅領域に直接接続する必要があります (図3を参照)。
図3: サーマルビア
PCB設計者は、PCBアセンブラのSMTプロセスエンジニアに確認して、特にサーマルビアがパッド領域内に配置されている場合、そのアセンブラのプロセスに最適なビアサイズと構造を選択することをお勧めします。
露出パッドをはんだ付けする
TSSOPおよびQFNパッケージには、部品の下に大きな露出パッドがあります。このパッドはダイの裏側に接続され、装置から熱を除去するために使用されます。電力を消費するには、このパッドをPCBによくはんだ付けする必要があります。
このパッドのはんだペーストの堆積に使用されるステンシルの開口部は、ICのデータシートに必ずしも指定されていません。多くの場合、SMTプロセスエンジニアは、はんだの量を堆積させるべきか、ステンシルにどのようなパターンを使用すべきかについて、独自のルールを持っています。
パッドと同じ大きさの単一の開口部を使用すると、多量のはんだペーストが堆積される。これにより、はんだが溶けるときのはんだの表面張力によってデバイスが持ち上げられることがあります。別の懸念事項は、はんだのボイド (はんだの領域内の空洞またはギャップ) です。はんだボイドは、はんだリフロープロセス中にフラックスの揮発性成分が気化または沸騰したときに発生します。これにより、はんだがジョイントから押し出される可能性があります。
この問題に対処するために、約2mm2を超えるパッドの場合、ペーストは通常、いくつかの小さな正方形または円形の領域に堆積されます (図4を参照)。ペーストを小さな領域に分割することで、揮発性フラックス成分ははんだを移動させることなく、ペーストから容易に逃げることができます。
図4: QFN はんだステンシル
繰り返しになりますが、PCB設計者は、SMTプロセスエンジニアと相談して、これらのパッドの正しいステンシル開口部を設計することをお勧めします。オンラインで入手できる論文も多数あります。
部品の配置
モータ・ドライバICの部品配置ガイドラインは、他のタイプである電源ICに似ています。バイパスコンデンサは、バルクコンデンサを近くに配置して、できるだけデバイスの電源ピンの近くに配置する必要があります。多くのモータ・ドライバICは、ブートストラップまたはチャージポンプ方式のコンデンサを使用し、これもまた、ICの近くに配置する必要があります。
適切な構成部品配置の例については、図5を参照してください。 図5に、2層PCB上のMP6600ステッピング・モータ・ドライバを示します。ほとんどの信号は最上層で直接ルーティングされます。電力は、バルクキャップから最下層のバイパスおよびチャージポンプキャップにルーティングされ、レイヤーが変化するポイントで複数のビアを使用します。
図5: MP6600 部品配置
この記事の第2部では、いくつかの特定のモータ・ドライバICパッケージと、それらを使用したPCBレイアウトの実装方法を見ていきます。
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