パワープレーンPCB：優れた性能を実現する実証済みベストプラクティス

 

多層プリント基板（PCB）を改善する最良の方法の一つは、パワープレーンを使用することです。PCBにパワープレーンを採用することで、より短いリターンパスの利用、回路間の優れたデカップリング、より大きな電流容量の実現が可能になります。PCBを最大限に活用したい場合、パワープレーンの実装におけるトップ手法を学びましょう。

この記事では、パワープレーンの定義、PCBでの使用方法、PCBでのパワープレーン使用におけるベストプラクティスを説明します。

パワープレーンとは？

パワープレーンは、PCBに安定した電圧供給を提供するように設計された平らな銅プレーンです。パワープレーンは電源に接続され、グランドプレーンが電源のグランド接続に接続されるのとよく似ています。これらのパワープレーンは、トレースを備えたビアとの接触を通じてコンポーネントに電力を供給します。

通常、パワープレーンは3層以上のPCBでのみ見られます。この傾向は、2層基板ではパワープレーンよりもグランドプレーンを使用する方がメリットが大きいことによる部分があります。安定したグランドプレーンはトレースを用いて電源に電力を供給するため、2層基板ではより良い選択肢となります。

3層以上の基板でのパワープレーン使用は、多層スタックアップを作成する際に偶数層を採用する業界のベストプラクティスです。スタックアップが奇数層になると、非対称な構造となり、反りやねじれなどの構造的欠陥を引き起こすことがよくあります。

PCBでのパワープレーンの使用方法

2層基板ではトレースとトラックを備えたグランドプレーンが有益ですが、ほとんどの4層以上の基板ではパワープレーンにより大幅なメリットが得られます。トレースを使用する場合と比較して、パワープレーンがPCBでより大きな利点を提供する主な方法は以下の通りです：

• より大きな電流容量： トレースは大きな電流を扱うのに苦労し、PCBの動作温度上昇を招きます。対照的に、パワープレーンはより大きな電流容量を持つため、PCBの動作温度を低く抑えるのに役立ちます。
• より短いリターンパス： PCBがパワープレーンから恩恵を受けるもう一つの方法は、トレースを使用する場合より短いリターンパスを持つことです。これらの短いリターンパスにより、パワープレーンが回路に電力を供給するのがはるかに便利になります。パワーレーンと信号層を接続するビアを簡単に追跡できます。短いリターンパスを持つことで、PCBは改善された電磁両立性（EMC）性能を得られます。
• 回路間の優れたデカップリング： パワープレーンは、トレースの代わりにPCBで定期的に使用されます。なぜなら、回路間のデカップリングが優れているからです。この改善されたデカップリングは、ノイズとエネルギーが電源内で回路から回路へ広がるのを防ぎます。

パワープレーン設計のベストプラクティス

PCBでパワープレーンを使用したい場合、パワープレーン設計のベストプラクティスを理解する必要があります。パワープレーン設計の最も一般的な戦略に頼ることで、熱をより効果的に放散し、より対称的な構造を生み出せます。以下は、パワープレーンPCB設計のトップベストプラクティスです：

適切な放熱のためのパワープレーン設計

多層PCBは、過熱して故障しないよう適切な放熱が必要です。パワープレーンを持つ多層基板では、プレーン分割を活用するのが良いアイデアです。複数のビアにも頼ることができ、この設計戦略によりプレーン分割を改善できます。これらの戦略により、パワープレーンを採用しながらPCBから熱をより効果的に放散できます。

複数ドメインの使用

単層PCBでは、これらのコンポーネントが同一の電圧要件を持つ場合、通常は単一の電力ドメインでコンポーネントに電力を供給できます。パワープレーンを備えたより複雑で高密度なPCB設計では、複数のドメインを使用するのがベストプラクティスです。例えば、PCBのI/Oポートはマイクロコントローラユニットとは異なる電圧要件を持つ可能性があり、参照プレーンを分割して両方の電圧に対応する必要があります。

複数のドメインを持つことはスペースを節約し、すべてのコンポーネントに適切な電力を確保するのに役立ちますが、EMC問題、ノイズ増大、クロストークのリスクもあります。トップメーカーは、パワープレーンPCBの高電力、アナログ、デジタル回路を分離して負の影響を減らします。また、各回路の電力レールをPCB上で分離し、パワープレーンをスキップしてより効率的なルーティングを実現することもあります。この設計オプションでは、ノイズを吸収しリターンパスを短縮するためにグランドプレーンを使用する必要があります。

多層基板の対称性を確保

多層PCBを設計する際、適切な対称性を持たせる必要があります。パワープレーンはこの対称性を確保する上で重要な役割を果たします。例えば、4層基板には2つの内部パワープレーンが必要です。この設計戦略は、底面と上面の両方にコンポーネントが実装された両面PCBで特に有用です。複数のパワープレーンを使用する場合、リターンを与えるためにトレースに頼る必要があることを念頭に置いてください。

レイアウトソフトウェアと最高のレイアウトツールでチーム間連携

パワープレーンPCBを生産するためのもう一つのベストプラクティスは、チーム間連携を可能にするレイアウトソフトウェアを使用することです。ソフトウェアを活用すれば、正しいレイヤー寸法の設定、適切なパワープレーン設計でのスタックアップの適切な配置、最適な材料の選択が可能になります。高品質なレイアウトソフトウェアは、ビアの最適な位置、サイズ、数、タイプの決定にも役立ちます。

クロスチーム連携ソフトウェアの使用により、可能な限り最高の設計を使用できます。このソフトウェアは、設計をより効果的にシミュレートおよび分析し、最適なパワープレーン配置と構造を作成するのにも役立ちます。効果的なレイアウトツールでこれを補完すれば、プロセスをさらに容易にできます。

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