Diseño de terminales PCB de alta y baja tensión con la norma IPC 2221

Zachariah Peterson
|  Creado: April 28, 2020  |  Actualizado: October 11, 2021
Diseño de terminales PCB de alta y baja tensión con la norma IPC 2221

Los diseños de alta tensión o alta intensidad para terminales PCB tienen requisitos de seguridad que los diseñadores deben cumplir. Es importante que los diseños de alta velocidad sean capaces de eliminar la diafonía para garantizar la integridad de la señal. Estos aspectos de diseño esenciales están relacionados con los valores de clearance de pistas y de terminales PCB. Ambas opciones de diseño son fundamentales para equilibrar la seguridad, la supresión de ruido y la facilidad de fabricación.

Los estándares de la norma IPC 2221 ofrecen una guía de orientación para prevenir la descarga electrostática (ESD en inglés) entre conductores. Sin embargo, no todas las placas deben cumplir con este estándar. Según la tensión y la frecuencia de tus señales (o de las tasas de flanco en el caso de las señales digitales), es posible que necesites un valor diferente para la clearance de pistas de la terminal PCB. A continuación, te indicamos cómo balancear estos dos aspectos del diseño de las terminales PCB. Y, a su vez, cómo garantizar la facilidad de fabricación.

Diseño de terminales PCB de baja tensión (<15 V)

Según los estándares de la norma IPC 2221, la clearance mínima entre las terminales PCB de baja tensión (en realidad, la clearance entre dos conductores cualesquiera) es de 0,1 mm para dispositivos de uso general o 4 mils. Para dispositivos de conversión de potencia, esta separación mínima es de 0,13 mm o 5,1 mils. Estas placas no se consideran de alta tensión, ya que la distancia entre sus conductores roza el régimen de HDI.

Con estas tensiones puedes trabajar con señales digitales. Esto quiere decir, con señales analógicas de baja frecuencia o, simplemente, CC con intensidad moderada. Con las señales digitales lo típico es seguir la regla 3W. En esta, la clearance entre pistas es el triple del ancho de la pista. Para un microstrip común de impedancia controlada de 50 ohms, el ancho de la pista será de 20 mils. Ello indica que el espaciado de pista recomendado es de 60 mils. Estas pistas todavía están dentro de los requisitos de la norma IPC 2221. Aquí tu principal preocupación debe ser el enrutamiento eficiente y el diseño para la facilidad de fabricación (DFM en inglés). Incluso en el régimen HDI, donde podrías necesitar enrutar entre terminales de paso fino en un BGA, no deberás preocuparte por los requisitos de tensión, ya que generalmente estás trabajando a 3,3 V o ~1 V.

El enrutamiento de las terminales PCB.
Cuando el enrutamiento es tan ajustado, aún se cumplen los requisitos de separación de trazas de la placa de circuito impreso por debajo de los 15 V. En cambio, hay que centrarse en la integridad de la señal y en la gestión de la distribución (DFM).

Diseño de terminales PCB de alta tensión (>15 V)

En el diseño de terminales PCB de alta tensión, la principal preocupación al elegir un valor de clearance de pista de PCB es impedir la ESD y el crecimiento dendrítico entre conductores expuestos. Con alta tensión de CA, o con un regulador conmutado que genera alta intensidad, tendrás que preocuparte por la diafonía. Esto, aparte de la ESD y el crecimiento dendrítico. Las directrices para la supresión de la diafonía hacen hincapié en el espaciado de tensión requerido entre los conductores hasta alcanzar tensiones muy altas.

Para averiguar el punto equilibrio entre la norma IPC 2221 y la supresión de la diafonía, considera la siguiente situación hipotética. Supongamos que tienes una microstrip (20 mil de ancho) de impedancia controlada cerca de una línea de CA de alta tensión o cerca de pistas que entran y salen de un regulador de CC de alta intensidad. Si sigues la regla 3W, el espaciado entre las microstrips paralelas y la cercana línea de alta tensión debe ser de 1,5 mm (60 mils). Esto es más que suficiente para cumplir con el estándar IPC 2221 hasta que el nivel de alta tensión alcance los 180 V. Esto en el caso de dispositivos de conversión de potencia o de 340 V para otros productos de alta tensión.

A alta tensión el problema no es tanto la tasa de flanco digital como la frecuencia de una línea de CA de alta tensión. Cualquier señal oscilante puede inducir una señal de diafonía en una pista cercana si las pistas están a una distancia muy corta. Este es un problema de ruido conocido en reguladores CC de alta tensión y en sus líneas de señal descendentes. A una alta intensidad de salida, esta diafonía puede derivar en una conmutación no prevista en componentes digitales de alta velocidad. Es mejor optar por un espaciado mayor entre una línea CA de alta tensión y líneas CC o digitales próximas.

Reglas básicas del diseño de terminales PCB según la tensión y la clearance de pistas

En función de la tensión, podemos definir reglas de clearance de pistas y terminales de PCB en tres regímenes distintos. En las dos filas inferiores, calculas el espaciado requerido utilizando el estándar IPC 2221 determinando el régimen de trabajo. Observa, como hemos mencionado en el artículo, que tu espaciado se puede reducir si las pistas tienen recubrimiento o se sitúan en capas interiores.

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Asegúrate de entender la diferencia entre distancia de fuga y clearance en tu diseño. Comprueba también que las pistas sean lo bastante anchas para transportar suficiente corriente sin que se calienten demasiado. Esto se puede comprobar con el nomógrafo IPC 2152.

Cuando hayas averiguado las mejores clearances de pistas y terminales en tu placa, deberás codificar estos valores como reglas de diseño en tu software ECAD. El motor de diseño unificado de Altium Designer® te permite definir los valores requeridos de clearance de pistas y terminales PCB como reglas de diseño. Estas reglas se verifican instantáneamente a medida que enrutas la placa. Esto hace de Altium Designer la aplicación ideal para tareas de diseño de terminales PCB de baja y alta tensión, así como para diseños de alta velocidad y frecuencia.

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Sobre el autor / Sobre la autora

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Zachariah Peterson cuenta con una amplia experiencia técnica en el mundo académico y la industria. Antes de trabajar en la industria de PCB, enseñó en la Universidad Estatal de Portland. Realizó su investigación en Física MS sobre sensores de gas quimisortivo y su doctorado en Física Aplicada sobre teoría y estabilidad del láser aleatorio. Su experiencia en investigación científica abarca temas en láseres de nanopartículas, dispositivos semiconductores electrónicos y optoelectrónicos, sistemas ambientales y análisis financiero. Su trabajo ha sido publicado en varias revistas revisadas por pares y actas de conferencias, y ha escrito cientos de blogs técnicos sobre diseño de PCB para varias empresas. Zachariah trabaja con otras compañías en la industria de PCB proporcionando servicios de diseño e investigación. Es miembro de IEEE Photonics Society y de la American Physical Society.

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