Diseño de PCB de alto voltaje: Clearance y Creepage

_{Las aplicaciones de alto voltaje requieren parámetros de diseño más rigurosos que una PCB promedio.}

Cuando era un estudiante no licenciado, hice muchos grabados de electroquímicos. Lo tuve en mi Curriculum Vitae durante años, porque los entrevistadores siempre estaban interesados en escuchar acerca de trabajar con fuentes de alto voltaje y con productos químicos aterradores. Más tarde, me di cuenta de que no quería ser contratado para trabajos donde ellos querían a alguien con una indiferencia patológica a entornos de trabajo de alto riesgo.

Fue entonces cuando empecé a buscar en el diseño de alto voltaje. Estaba sorprendido por las reglas que se requieren para los productos de alto voltaje. También me sentí aliviado. Aunque no puedo evitar los productos de alto voltaje a los estudiantes graduados de McGyvering, tengo la tranquilidad de saber que hay un amplio nivel de protección en su lugar.

¿Cuándo la seguridad requiere reglas de espaciado específicas?

No todos los diseños de PCBs tienen las mismas reglas rigurosas con respecto al espacio que necesita un diseño de PCB de alto voltaje. En general, si el voltaje normal de funcionamiento de su producto cumple o excede los 30 VCA o 60 VCC, debe ser muy diligente sobre las reglas de espaciamiento en el diseño de la placa. Si tiene una placa de alta densidad, especialmente con altos voltajes, necesitará preocuparse aún más. La alta densidad hace que el espaciado sea mucho más complicado e incluso más importante para la protección.

La distancia de separación es más importante en los diseños de alto voltaje, porque el voltaje en su placa hace que sea mucho más fácil que se forme un arco entre dos elementos conductores en su PCB. Cualquier arco que se produce supone un riesgo significativamente mayor para el producto y sus usuarios. Para ayudar a mitigar ese riesgo, hay reglas para dos medidas de espacio primario en su diseño de PCB, Clearance y Creepage.

¿Qué es Clearance?

Clearance es la distancia más corta a través del aire entre los dos conductores. Recuerdo su definición al pensar en la distancia de separación superior; cuánto espacio hay en el aire antes de que mi cabeza golpea contra algo. Si el Clearance en cualquier parte de una PCB es demasiado pequeña, entonces un evento de sobrevoltaje puede causar un arco entre los elementos conductores cercanos en la placa.

Las reglas para Clearance varían con el material de PCB, voltaje y las condiciones ambientales. Los efectos ambientales son muy importantes. Comúnmente, la humedad cambia el voltaje de ruptura del aire y afecta a la probabilidad de formación de arcos eléctricos. El polvo es otro factor, ya que las partículas que se acumulan en la superficie de la PCB pueden formar una traza con el tiempo, acortando la distancia entre los conductores.

_{El arco eléctrico puede dañar el producto y a sus usuarios, por lo que el espacio en la placa es un parámetro de diseño esencial.}

¿Qué es Creepage en una PCB?

De forma similar a Clearance,  Creepage mide la distancia entre los conductores en una PCB. Sin embargo, en vez de medir la distancia en el aire, mide la distancia más corta a lo largo de la superficie del material de aislamiento. El ambiente y el material de la placa también afectan a los requisitos de Creepage. La humedad o la acumulación de partículas en la placa puede acortar distancia de Creepage del mismo modo que lo hacen para Clearance.

Cuando tiene un diseño de alta densidad, Creepage puede ser un requisito difícil de cumplir. Ya que mover trazas es raramente es la primera opción, hay otros trucos para aumentar la distancia de superficie en su diseño. Al agregar cualquier ranura entre pistas o una barrera vertical de aislamiento, puede aumentar significativamente la distancia de las líneas de fuga sin cambiar el diseño de las pistas en la placa.

Considerar el índice de seguimiento comparativo (CTI) de su material

Luego del voltaje de operación, el factor más significativo en los requisitos de Clearance y Creepage viene de las propiedades del material de su PCB. El aislamiento eléctrico del material se indica por un valor de "Índice de seguimiento comparativo" o CTI. El CTI se expresa como un voltaje y se determina por una prueba estandarizada de medición cuando la superficie del material se rompe.

Hay seis categorías de 0 a 5 en función del valor de ruptura del material. Los niveles de aislamiento obligatorio de los productos se basan en estas categorías CTI. La categoría 5 es la más baja, con valores de menos de 100 V. Con rupturas de más de 600 V, la categoría 0 es la opción de material que tiene la mayor robustez, y a menudo el mayor precio.

_{Los materiales aislantes de PCBs tienen diferentes voltajes de ruptura y categorías de seguridad correspondientes para usos del producto.}

¿Cómo sé qué material y espacio se deben utilizar?

Debido a que hay muchas variables en el diseño de PCB y en la selección de materiales, su mejor apuesta para el cumplimiento de los requisitos de seguridad y reglas es ir directamente a la fuente. Hay dos reglas a las que veo que se hace referencia más a menudo. La primera es la IPC-2221, que es la regla genérica para la guía en diseño de Clearance y Creepage. La segunda es la IEC 60950-1 (2ª edición). La versión IEC es la regla que desea leer en cualquier producto de TI con alimentación de CA o batería, especialmente si desea vender esos productos a nivel internacional.

Como las consecuencias de un espaciamiento incorrecto varían de incumplimiento legal a serias muerte y destrucción, vale la pena familiarizarse con las reglas que son importantes para su diseño. Además, hace que los estudiantes universitarios paseen entre ellos.

Identificar e incorporar los estándares puede ser tedioso, por lo que debe utilizar un buen software de diseño. El mejor software para el diseño de PCB permite crear reglas de diseño específicas y le ayuda a identificar los problemas al principio del proceso. Altium Designer se ajusta a estos requisitos y más; ¡puede empezar diseñando incluso antes de que haya elegido el material de su placa!

¿Tiene una pregunta sobre distancias de separación y líneas de fuga? Comuníquese con un experto en Altium.