Utilizar una calculadora de clearance de PCB IPC-2221 para el diseño de alta tensión

Las normas de diseño y montaje de PCB no se han establecido para limitar tu productividad. En realidad, están ahí para ayudarte a crear expectativas uniformes de diseño y rendimiento de productos en múltiples industrias. Con la estandarización llegan las herramientas para el cumplimiento, como las calculadoras para determinados aspectos del diseño (tales como la calculadora IPC-2221), procesos de auditoría e inspección, y mucho más.

En el diseño de PCB de alta tensión, la norma genérica importante para el diseño de PCB es la IPC-2221. En esta norma se resumen muchos aspectos importantes de diseño, algunos de los cuales se reducen a simples fórmulas matemáticas. Para las placas de circuito impreso (o PCB) de alta tensión, una calculadora de IPC-2221 puede ayudarte a determinar rápidamente los requisitos de espaciado adecuados entre los elementos conductores de tu PCB, lo que ayuda a garantizar la seguridad de que tu próxima placa de alta tensión seguirá siendo segura a su tensión de funcionamiento. Cuando tu software de diseño incluye estas especificaciones como reglas de diseño automatizadas, puedes seguir siendo productivo y evitar cometer errores de diseño mientras construyes tu placa.

¿Qué es la norma IPC-2221?

IPC-2221 (revisión B, en vigor desde 2012) es una norma industrial generalmente aceptada que define una multitud de aspectos del diseño de PCB. Algunos ejemplos son los requisitos de diseño para materiales (incluidos los sustratos y el chapado), la comprobabilidad, la gestión térmica y alivios térmicos, y los anillos anulares, por mencionar algunos.

Algunas de las directrices de diseño se sustituyen por normas de diseño más específicas. Por ejemplo, la IPC-6012 y la IPC-6018 proporcionan especificaciones de diseño para PCB rígidas y PCB de alta frecuencia, respectivamente. Estas normas adicionales pretenden ser en gran medida compatibles con las normas IPC-2221 para PCB genéricas. Sin embargo, la norma IPC-2221 no suele ser la norma de cualificación utilizada habitualmente para evaluar la fiabilidad del producto ni el rendimiento o los defectos de fabricación. En el caso de las placas rígidas, se suelen utilizar las normas IPC-6012 o IPC-A-600 para calificar las placas de circuito impreso rígidas ya fabricadas.

Espaciado entre conductores IPC-2221B en el diseño de alta tensión

Los requisitos más importantes para el diseño de PCB de alta tensión se especifican en el estándar IPC-2221B. Uno de esos requisitos es el clearance (la distancia más corta en el aire) entre los conductores, que tiene como objetivo solucionar dos puntos:

• La posibilidad de una descarga de corona o de ruptura del dieléctrico a alta intensidad de campo eléctrico.
• La posibilidad de filamentación conductiva anódica, a veces llamada crecimiento dendrítico (ver a continuación).

El primer punto es el más importante, ya que se puede controlar más fácilmente estableciendo el clearance mínimo adecuado entre los conductores de la PCB. El segundo efecto también se puede suprimir mediante un espaciado adecuado entre las pistas, así como con la elección del material y la limpieza general en el proceso. El espaciado o clearance necesario para evitar estos efectos se resume como una función del voltaje entre dos conductores en la norma IPC-2221. 

La siguiente imagen muestra la tabla 6-1 extraída de las normas IPC-2221. Estos valores indican la separación mínima o clearance entre conductores en función de la tensión entre los dos conductores. Estos valores se especifican en función de la tensión máxima de CA o CC entre los conductores. Ten en cuenta que la norma IPC-2221 solo especifica valores fijos de separación mínima entre conductores para tensiones de hasta 500 V. Una vez que la tensión entre dos conductores supera los 500 V, se utilizarán los valores de clearance por voltio que se muestran en la tabla a continuación para calcular separación mínima entre conductores. Cada voltio por encima de los 500 V, se añadirá al clearance o separación mínima requerida en la cantidad indicada en la fila inferior de la tabla.

Aumento de la temperatura a alta corriente

No todas las PCB de alta tensión funcionan con corrientes elevadas, pero las que sí lo hacen pueden experimentar un aumento de temperatura elevado cuando los conductores no son lo suficientemente grandes. El aumento de la temperatura en una placa de circuito impreso se produce debido al calentamiento Joule, que está relacionado con la resistencia de CC de un conductor. Por lo tanto, la sección transversal de los conductores que transportan una corriente elevada deberá ser grande cuando la corriente también lo sea.

Para determinar la mejor sección transversal, se pueden utilizar calculadoras basadas en los datos publicados en las normas IPC-2221 e IPC-2152. El conjunto de datos utilizado en una calculadora IPC-2152 es más complejo, pero puede proporcionar resultados más precisos que una calculadora IPC-2221.

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Norma IPC-9592B sobre dispositivos de conversión de potencia

La norma IPC-9592B proporciona requisitos de separación entre conductores específicos para dispositivos de conversión de potencia. Estas normas son bastante compatibles cuando se representan gráficamente junto con la separación o clearance requerida entre especificada en la norma IPC-2221. En la tabla siguiente se indican los requisitos de espaciado según la norma IPC-9592B. En ella se define la separación mínima requerida entre las pistas en función de los valores de tensión pico. La diferencia es que esta norma escala los valores de separación mínimos entre conductores con la tensión aplicada por debajo del límite de 500 V que se muestra en la tabla anterior.

Requisitos de espaciado entre conductores IPC-9592B para dispositivos de conversión de potencia.

Si buscas en internet, encontrarás algunas calculadoras que ya vienen preprogramadas con los valores anteriores. Una vez determinados los valores de espaciado adecuados, puedes programarlos en tus reglas de diseño como clearances o separaciones de objeto a objeto. Dado que, por lo general, tendrás diferentes redes funcionando a diferentes tensiones, también puedes programar estos valores en tus reglas de diseño red por red. Asimismo, podrás hacer que ciertas redes estén más cercanas unas de otras si tu diseño fuera demasiado denso.

Calculadora de clearance IPC-9592 e IPC-2221B

La siguiente calculadora proporciona un cálculo de clearance seguro basado en las normas citadas anteriormente. Para usar esta calculadora, introduce la tensión de trabajo a la que funcionará la placa y la calculadora te indicará los requisitos de clearance para las pistas internas, externas y revestidas en la disposición de la PCB. La calculadora también devolverá resultados para dispositivos de conversión de potencia compatibles con IPC-9592.

Resultados de IPC-2221B

Resultados de IPC-9592

Fallo por migración de metal

La migración de metales es uno de los numerosos problemas de los diseños de alta tensión con alta densidad de conductores. Cuando dos conductores experimentan un potencial muy alto, puede producirse un crecimiento electroquímico de dendritas metálicas si los conductores contienen residuos con sales hidrosolubles; a continuación, se muestra una imagen de microscopio electrónico de barrido (SEM por sus siglas en inglés) de crecimiento dendrítico entre dos bolas de soldadura.

Imagen SEM que muestra un crecimiento dendrítico extremo entre dos bolas de soldadura. Fuente de la imagen.

Estas dendritas metálicas pueden provocar cortocircuitos entre dos puntos de una PCB de alta densidad. Se trata en realidad de un efecto del campo eléctrico, lo que explica por qué hay un requisito de espaciado mínimo; al aumentar el espaciado o clearance entre conductores para una diferencia de potencial determinada se reduce el campo entre los conductores, lo que dificulta el crecimiento de dendritas.

Más allá de una calculadora IPC-2221

Recuerda que las normas IPC-2221 son voluntarias. Sin embargo, en el caso de los productos contemplados en las normas de seguridad tal como se definen en los códigos de construcción y electricidad, los requisitos de fuga y clearance establecidos en los estándares UL o IEC pertinentes podrían resultar obligatorios. A modo de ejemplo, el conjunto de requisitos de seguridad correspondientes a los productos de TI y telecomunicaciones con red de CA y alimentación por batería se encuentra en la norma IEC 62368-1 (que sustituyó a la norma IEC 60950-1). Para la fuga, el espaciado especificado en IPC-2221B depende de la tensión RMS de trabajo, el grado de contaminación (numerada del 1 al 3) y el grupo de materiales. Las definiciones de estos dos últimos términos se encuentran en las normas UL 62368-1. Tanto si tienes que cumplir con las normas IEC e IPC, o con otras normas de seguridad obligatorias, puedes convertir tus requisitos de diseño en reglas utilizando el software de diseño de PCB adecuado.

Para evitar la ruptura entre conductores a lo largo de una capa debido a la fuga, la elección del material es tan importante como el espaciado adecuado entre los conductores. La capacidad de un material para resistir la ruptura se resume en una medida conocida como índice de seguimiento comparativo (CTI). El valor CTI de un material laminado para PCB se utiliza para establecer los límites de fuga para conductores a través de la superficie de un sustrato. La norma IEC-60112 define los valores de CTI de modo que un sustrato de grado CTI más grande pueda soportar una mayor tensión antes de que sufra una ruptura dieléctrica. Hablaré más sobre este punto en un próximo artículo sobre materiales de laminado para PCB de alta tensión y cómo seleccionarlos. Por ahora, solo hay que tener en cuenta que la fuga y el clearance van de la mano, y que determinar el espaciado basándose en el clearance es un buen punto de partida para los nuevos diseños.

Las herramientas CAD y las funciones de enrutamiento de Altium Designer^® se basan en un motor de diseño unificado basado en reglas que comprueba automáticamente el diseño a medida que creas tu placa. Una vez que hayas determinado tus requisitos de clearance con una calculadora IPC-2221, podrás programar los clearance en tus reglas de diseño para garantizar que la placa siga siendo segura y funcional a alta tensión. También tendrás acceso a un completo conjunto de funciones de documentación que te ayudarán a preparar la fabricación y el montaje.

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