設計電路板布局中的PCB爬電和電氣間隙標準

2021-05-07

設計電路板布局中的PCB爬電和電氣間隙標準

什么是PCB爬電距離和電氣間隙？

決定爬電距離和電氣間隙標準的因素

滿(mǎn)足PCB爬電距離和電氣間隙標準的設計方法

印刷電路板上的高壓零件

有許多篝火，例如篝火或壁爐，可以提高生產(chǎn)效率，變暖甚至浪漫。但是，在印刷電路板上您永遠都不會(huì )看到火災的地方，如果PCB的設計不適合高壓，這可能是一個(gè)真正的風(fēng)險。在某些情況下，設計不正確的電路板可能會(huì )產(chǎn)生靜電放電，進(jìn)而可能損壞電路板和組件，并可能引發(fā)火災。

為避免此問(wèn)題，從事高壓應用的PCB設計人員應特別注意設計中裸露金屬導體之間的分隔。有兩種方法可以測量這種間距，即爬電距離和間隙，并且保持兩者所需的間距非常重要。我們將在這里了解PCB爬電距離和電氣間隙標準之間的差異，以及為避免高壓?jiǎn)?wèn)題或PCB意外燃燒所需要采取的步驟。

PCB爬電距離和電氣間隙的區別

如果金屬之間的距離太近，則傳導高壓的印刷電路板可能會(huì )因暴露的金屬之間的靜電放電而受害。這種放電可能會(huì )損壞電路板及其組件，對于PCB設計人員而言，觀(guān)察電路板上金屬導體之間的適當間距非常重要。電路板上的導體間距可通過(guò)兩種方法來(lái)測量：爬電距離和電氣間隙：

爬電距離：這是指電路板表面或絕緣材料表面上兩個(gè)導體之間的距離。

間隙：這是兩條導體通過(guò)空中的視線(xiàn)距離。

在電壓高于30VAC或60VDC的高壓電路中，必須遵守爬電距離和電氣間隙間隔規則，以防止兩根導體之間意外電弧。通常，這兩個(gè)測量值是相同的，就像在板的無(wú)障礙部分上的兩個(gè)組件焊盤(pán)或金屬的其他裸露區域之間的距離一樣。但是，在某些情況下，這兩種測量方法會(huì )有所不同，具體取決于組件的放置方式或裸板的輪廓是否異常。如下所示，爬電距離是指兩個(gè)組件焊盤(pán)之間的電路板表面間距。另一方面，該間隙是左側組件的金屬散熱器和右側組件墊之間的氣隙。

如側視圖所示，PCB上的爬電距離和電氣間隙的示例

接下來(lái)，我們將研究在哪里可以找到這些爬電距離和電氣間隙標準。

什么是PCB爬電和間隙標準？

計算PCB爬電距離和電氣間隙標準需要考慮不同的因素，包括工作電壓，污染程度（電路板上的灰塵和冷凝水）以及要評估的電路類(lèi)型。爬電距離計算的另一個(gè)重要因素是層材料被用來(lái)建造原始板。電壓將在電路板表面形成一條導電路徑，這將破壞其絕緣性能，某些電路板材料比其他電路板更能抵抗這種影響。比較跟蹤指數（CTI）定義了每種材料的電阻值；該數字越高，其抗擊穿性就越大。例如，FR-4的默認CTI值為175，而其他更專(zhuān)業(yè)的材料的CTI值可以高達600。

有許多文件涉及PCB爬電和電氣間隙標準，主要文件是IPC-2221。這是一個(gè)通用標準，涵蓋了許多不同的設計規則，包括高壓電路所需的間距。這些限制由DC或AC電壓電平，內層，已涂覆或未涂覆的外層以及基材材料來(lái)描述。除了IPC-2221，您還可以在這些標準中找到其他信息：

IPC-9592：該標準比IPC-2221更具體，因為它定義了高于100伏的電源轉換設備的間距要求。

UL-61010-1：這些標準規定了電氣測試和實(shí)驗室設備以及其他工業(yè)設備設計中的安全要求。

UL-60950-1：該標準適用于各種設備的高低壓應用。

這些標準將為設置PCB所需的間隙提供堅實(shí)的基礎，以保護PCB免受過(guò)電壓事件的影響，該事件可能會(huì )在兩個(gè)不同的導體之間產(chǎn)生電弧。在設計中模擬功率分布并使用這些結果來(lái)幫助設置布局的物理屬性也很重要。

電源組件在電路板上的布局

如何使用這些標準設計PCB布局

達到間距要求后，電路板將需要適當的爬電距離和電氣間隙，下一步是在PCB布局系統的設計規則中設置這些值?？梢詾榻饘倥c金屬之間的間隙設置規則和約束，無(wú)論是在走線(xiàn)，焊盤(pán)，銅澆注之間，還是這三者的任意組合之間。您還將需要為您的組件占用空間設置正確的間距，尤其是那些導通大量電壓的較大部件。在某些情況下，您甚至可以在特定的占位空間周?chē)O置獨特的避開(kāi)間隙，以解決散熱器和其他異常配置的問(wèn)題。所有這些規則將幫助您在所需的高壓組件之間保持必要的間距。

當你放元器件的布局，確保當你把他們考慮零件的各個(gè)方面。這將包括可能懸垂在零件上的任何金屬導體（例如散熱器），尤其是在您無(wú)法在零件周?chē)O置唯一的避開(kāi)區域的情況下。在布局期間，您還需要確保對組件放置的任何編輯或更改都不會(huì )超出您已經(jīng)在零件之間仔細設置的間距。即使將組件旋轉90度也會(huì )導致形狀異常的零件違反電壓間隙。

這是在布局間距時(shí)要考慮的其他兩種技術(shù)：

為了幫助保持正確的間距，請嘗試在電路板的一側放置高壓組件，在另一側放置低壓組件。在某些情況下，高壓零件之間的間隔規則可能不如低壓零件那樣嚴格。

爬電將需要另一種解決方案，因為將零件放在電路板的另一側不會(huì )給您所需的穿過(guò)電路板表面的隔離。取而代之的是，您可能想在板上安裝絕緣屏障或切開(kāi)凹槽或插槽。電路板輪廓的變化將增加電壓必須傳播的整個(gè)表面的距離，從而為您提供所需的爬電距離。

幸運的是，您的PCB設計工具中具有許多可以提供幫助的功能，我們將在接下來(lái)的內容中進(jìn)行介紹。

依靠PCB布局工具的強大功能

Allegro中的約束管理器，顯示組件封裝之間的間距值

設置設計規則和約束是確保布局符合PCB爬電和電氣間隙標準的最佳方法。如上圖所示，Cadence的Allegro PCB編輯器中的約束管理器可以使用特定的封裝進(jìn)行設置，以封裝間隙，以保持高壓零件的正確爬電距離。此外，您還可以為電源和接地網(wǎng)創(chuàng )建網(wǎng)類(lèi)，并為其分配必要的間距。這些設置與設計規則一起使用將幫助您保持所需的間距。

您還應該充分利用PCB設計系統隨附的電路模擬器和分析工具。這些可用于對電路板的配電網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行建模，以確保按照您的需要連接高壓網(wǎng)絡(luò )。最后，請確保在您的PCB設計工具中使用3D查看和檢查功能。傳導高壓的零件可能具有不規則的輪廓，例如散熱片，并且能夠以3D形式對其進(jìn)行檢查并目視確認其位置對于您的設計而言是一項重要的資產(chǎn)。