PCB-Design für Hochspannungsanwendungen: Kriech- und Luftstrecken

Hochspannungsanwendungen erfordern strengere Design-Parameter als Ihre durchschnittlichen PCBs.

Als ich noch Student war, habe ich mich sehr viel mit elektrochemischem Ätzen beschäftigt. Ich habe das auch jahrelang in meinem Lebenslauf aufgeführt, weil Personaler stets an Geschichten über die Arbeit mit Hochspannungsquellen und gefährlichen Chemikalien interessiert waren. Erst später erkannte ich, dass ich nicht für Jobs eingestellt werden wollte, für die jemand mit pathologischer Abgestumpftheit gegenüber Arbeitsumgebungen mit hohem Gefahrenpotenzial gesucht wurde.

Damals begann ich mich mit dem Design von Hochspannungsanwendungen zu beschäftigen. Ich war erstaunt über die Standards, die für Hochspannungs-Produkte erforderlich sind. Aber irgendwie war ich auch erleichtert. Während ich Hochschulabsolventen nicht daran hindern kann, mit einer McGyver-Mentalität an unsere Hochspannungs-Produkte heranzugehen, bin ich unbesorgt; denn ich weiß, dass es auf der PCB-Ebene eine Absicherung gibt.

Wann sind aus Sicherheitsgründen bestimmte Abstandsregeln erforderlich?

Nicht jedes PCB-Design unterliegt denselben strengen Abstandsregeln, die ein PCB-Design für Hochspannungsanwendungen erfordert. Im Allgemeinen ist es so, dass Sie bei einer normalen Betriebsspannung Ihres Produktes von 30 V AC oder mehr als 30 V AC bzw. von mehr als 60 V DC, die Abstandsregeln in Ihrem PCB-Design sehr sorgfältig beachten sollten. Sobald Sie ein High-Desity-Board, insbesondere mit hohen Spannungen haben, sind Sie sogar noch stärker davon betroffen. Die hohe Dichte erschwert das Berücksichtigen von Abständen und macht es für den Schutz umso wichtiger.

Das Einhalten von Abständen ist bei Hochspannungs-Designs wichtiger, weil die Spannung auf Ihrer Platine die Lichtbogenbildung zwischen zwei leitenden Elementen auf Ihrem PCB begünstigt. Jeder auftretende Lichtbogen stellt ein wesentlich höheres Risiko dar, sowohl für Ihr Produkt als auch für deren Anwender. Um bei der Minderung dieses Risikos zu helfen, gibt es Richtlinien für zwei primäre Abstandsmessungen in Ihrem PCB-Design, nämlich Luft- und Kriechstrecken.

Was ist eine Luftstrecke?

Eine Luftstrecke ist die kürzeste Entfernung in der Luft zwischen zwei Leitern. Ich erinnere mich an die Definition, indem ich an die Höhe über meinem Kopf denke; wie viel Platz gibt es in der Luft, bevor mein Kopf an irgendetwas anschlägt. Wenn die Luftstrecke irgendwo auf einem PCB zu kurz ist, kann durch eine Überspannung ein Lichtbogen zwischen benachbarten leitenden Elementen auf der Platine entstehen.

Die Regeln für die Luftstrecke variieren je nach PCB-Material, Spannung und Umgebungsbedingungen. Der Einfluss der Umgebung ist ganz erheblich. In den meisten Fällen verändert die Luftfeuchtigkeit die Durchschlagsspannung von Luft und beeinflusst die Wahrscheinlichkeit einer Lichtbogenbildung. Staub ist ein weiterer Faktor, da Partikel, die sich auf der PCB-Oberfläche sammeln, mit der Zeit einen Weg bilden können, der die Entfernung zwischen Leitern verkürzt.

^{Lichtbögen führen zu Schäden an Ihrem Produkt und können dessen Anwendern Schäden zufügen. Somit stellen die Abstandsregeln auf Ihrer Platine einen entscheidenden Designparameter dar.}

Was ist eine Kriechstrecke auf einem PCB?

Ähnlich wie bei der Luftstrecke wird bei der Kriechstrecke die Entfernung zwischen zwei leitenden Elementen auf einem PCB gemessen. Allerdings wird anstatt der Entfernung in der Luft, die kürzeste Entfernung entlang der Oberfläche eines Isolierstoffes gemessen. Das Platinenmaterial und die Umgebung beeinflussen ebenfalls die Voraussetzungen für das Kriechen. Feuchtigkeit oder Anhäufungen von Partikeln auf der Platine können die Kriechstrecke verkürzen, genauso wie dies bei der Luftstrecke der Fall ist.

Wenn Sie es mit einem High-Density-Design zu tun haben, lassen sich die erforderlichen Kriechstrecken unter Umständen nur schwierig einhalten. Da das Verschieben von Leiterbahnen selten die erste Wahl ist, gibt es eine Reihe anderer Tricks zur Vergrößerung der Abstände auf der Oberfläche Ihres Designs. Indem man entweder zwischen den Leiterbahnen einen Schlitz fräst oder eine vertikal verlaufende Isolierung als Grenzschicht einbringt, lässt sich die Kriechstrecke deutlich verlängern, ohne das Layout der Leiterbahnen auf der Platine zu ändern.

Berücksichtigen Sie die Kriechstromfestigkeit (CTI) Ihres Materials

Gleich nach der Betriebsspannung bilden die Materialeigenschaften Ihres PCB den wichtigsten Faktor für die Anforderungen an die Luft- und Kriechstrecken. Die elektrische Isolierung des Materials wird anhand des Wertes für die „Kriechstromfestigkeit“ bzw. dem CTI-Wert (Comparative Tracking Index) angegeben. Der CTI-Wert wird als Spannung ausgedrückt und mithife eines standardisierten Tests festgelegt, der misst, wenn das Trägermaterial durchschlägt.

Es gibt insgesamt sechs Klassen – von 0 bis 5 – basierend auf den Durchbruchwerten des Trägermaterials. Die gesetzlich vorgeschriebenen Isolationsklassen für Produkte basieren auf diesen CTI-Kategorien. Die Klasse 5 ist mit Werten unter 100
V die kleinste. Mit Durchbruchspannung von 600 V oder darüber bietet die Klasse 0 die robustesten und oft teuersten Materialoptionen.

^{PCB-Isolierstoffe haben andere Durchschlagsspannungen und entsprechende Sicherheitsklassen für Produktanwendungen.}

Woher weiß ich, welches Material ich verwenden und welchen Abstand ich einhalten muss?

Weil es im PCB-Design so viele Variablen gibt und so viel Material zur Auswahl steht, kehren Sie zur Erfüllung der Sicherheitsanforderungen und Richtlinien am Besten direkt zum Ursprung zurück. Es gibt zwei Normen, auf die am häufigsten Bezug genommen wird. Die erste ist die IPC-2221, die Basisrichtlinie für Luft- und Kriechstrecken im PCB-Design. Die zweite Norm ist die IEC 60950-1 (2. Auflage). Die IEC-Version ist die Norm, die Sie im Hinblick auf IT-Produkte mit Netzstrom- oder Batterieversorgung lesen sollten, insbesondere, wenn Sie diese Produkte weltweit verkaufen möchten.

Da die Folgen falscher Abstände von der Nichteinhaltung gesetzlicher Bestimmungen bis hin zu Todesfällen und Zerstörung reichen, lohnt es sich, die Zeit zu investieren und sich mit den für Ihr Design relevanten Normen vertraut zu machen. Zudem verhindern diese auch, dass sich neugierige Studenten beim Basteln verletzen.

Das Herausfiltern und Berücksichtigen der relevanten Normen kann viel Zeit in Anspruch nehmen. Deshalb sollten Sie eine gute Design-Software verwenden. Mit der idealen Software für das PCB-Design können Sie spezielle Entwurfsregeln erstellen. Außerdem hilft Sie Ihnen dabei, Probleme frühzeitig im Arbeitsprozess zu erkennen. Altium Designer erfüllt diese Anforderungen und darüber hinausgehend sogar noch weitere. Sie können bereits mit dem Design anfangen, noch bevor Sie das Material für Ihre Platine ausgewählt haben!

Haben Sie eine Frage zu Luft- und Kriechstrecken? Dann kontaktieren Sie einen Experten bei Altium.