Diseño de PCB de alta tensión: Distancias de fuga y separación para alta tensión

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

Los productos de alta tensión pueden experimentar múltiples vías de fallo, y algunas de estas vías se convierten en problemas de seguridad para los usuarios de estos sistemas. Cuando un producto está sometido a alta tensión, puede tener un problema de fiabilidad que provoque un fallo lento a lo largo del tiempo, o un fallo espectacular provocado por una ruptura dieléctrica. Independientemente del modo de fallo que se quiera evitar, ambas categorías de modos de fallo se abordan aplicando dos tipos de espaciado entre elementos conductores: separación (clearance) y fuga (crepage).

La separación y la distancia de fuga son limitaciones de la separación entre conductores en una PCB o placa de cirtuito impreso. Las distancias requeridas figuran en normas industriales como IPC o IEC, y algunas de ellas pueden determinarse con una simple calculadora. Los dos fallos principales que queremos evitar aplicando la separación y la fuga son:
 

• Rotura dieléctrica
• Filamentación anódica conductora (CAF)

Vamos a examinar estos factores en el diseño de placas de circuito impreso de alta tensión.

¿Cuándo exige la seguridad normas específicas de separación?

No todos los diseños de PCB tienen las mismas reglas rigurosas con respecto al espacio que necesita un diseño de PCB de alta tensión. En general, si la tensión normal de funcionamiento de tu 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 de PCB. Si tienes una placa de alta densidad, especialmente con alta tebnsión, necesitarás preocuparse aún más. La alta densidad hace que el espaciado o clearance sea mucho más complicado e incluso más importante para la protección.

El espaciado es más importante en las normas de diseño de PCB de alta tensión porque una diferencia de potencial entre los elementos conductores de una placa puede crear un arco si la tensión entre los conductores supera la tensión de ruptura del dieléctrico que separa las trazas. Cualquier arco que se produzca supone un riesgo significativamente mayor tanto para el producto como para sus usuarios. Para ayudar a mitigar este riesgo, existen normas para dos medidas principales de espaciado en el diseño de las placas de circuito impreso: la distancia de separación (clearance distance y la distancia de fuga (creepage distance).

¿Qué es la distancia de separación o clearence en una PCB?

Clearance o distancia de separación es la distancia más corta a través del aire entre los dos conductores. Si la distancia de separación (o 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 la distancia de separación varían con el material de PCB, la tensión y las condiciones ambientales. Los efectos ambientales son muy importantes. Comúnmente, la humedad cambia la tensión 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 la distancia de fuga o creepage en una PCB?

De forma similar a la distancia de separación o clearance, la distancia de fuga (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 de PCB también afectan a los requisitos de la distancia de fuga (creepage). La humedad o la acumulación de partículas en la placa puede acortar distancia de creepage del mismo modo que lo hacen para la distancia de separación o clearence. 

Cuando se tiene un diseño de PCB de alta densidad, la distancia de fuga puede ser un requisito difícil de cumplir. Dado que mover las pistas no suele ser la primera  opción, hay otros trucos para aumentar la distancia de fuga en tu diseño. Al agregar cualquier ranura entre pistas o una barrera vertical de aislamiento, puede aumentar significativamente la distancia de fuga sin cambiar el diseño de las pistas en la placa.

Ten en cuenta el índice de seguimiento comparativo (CTI) de tu material

Después de la tensión de funcionamiento, el factor más importante en los requisitos de separación y fuga de una placa de circuito impreso o PCB proviene de las propiedades del material de tu placa de PCB. El aislamiento eléctrico del material se indica mediante un "Índice de seguimiento comparativo" o valor CTI. El CTI se expresa en forma de tensión y se determina mediante una prueba normalizada que mide cuándo se rompe la superficie del material.

Existen seis categorías de 0 a 5 en función del valor de ruptura del material. Los niveles de aislamiento obligatorios de los productos se basan en estas categorías CTI. La categoría 5 es la más baja, con valores inferiores a 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 tensiones 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, tu mejor apuesta para el cumplimiento de los requisitos de seguridad y reglas es ir directamente a la fuente. Hay dos reglas a las se hace referencia más a menudo. La primera es la IPC-2221, que es la regla genérica para la guía en diseño de distancia de separación (clearance) y distancia de fuga (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 de clearence y creepage varían de incumplimiento legal a serias muerte y destrucción, vale la pena familiarizarse con las reglas que son importantes para tu diseño de PCB.

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; ¡puedes empezar diseñando incluso antes de que haya elegido el material de su placa de PCB!

¿Tienes alguna pregunta sobre distancias de separación y líneas de fuga? Ponte en contacto con un experto en Altium.