Conception de circuits imprimés haute tension : distance d'isolement et espacement

Les paramètres de conception des applications haute tension sont plus contraignants que ceux de vos circuits imprimés habituels.

Avant d'avoir ma licence, j'ai fait énormément de gravure électrochimique. Je l'ai mentionné dans mon CV pendant des années parce que les recruteurs étaient toujours intéressés d'apprendre que je travaillais avec des sources haute tension et des produits chimiques dangereux. Plus tard, j'ai réalisé que je ne souhaitais pas être recruté en raison de mon indifférence pathologique aux environnements de travail très risqués.

C'est à ce moment-là que je me suis tourné vers la conception haute tension. J'étais impressionné par les normes à respecter pour les produits haute tension, mais j'étais également soulagé. Comme je ne peux pas empêcher les étudiants en master de bidouiller nos produits haute tension, je me rassure en sachant qu'une protection est mise en place au niveau de la carte.

Quand est-ce que la sécurité impose-t-elle de modifier les règles d'espacement ?

Aucune conception de circuits imprimés n'est soumise à des règles plus strictes en matière d'espacement que les conceptions de circuits imprimés haute tension. En général, si la tension de fonctionnement normale de votre produit est supérieure ou égale à 30 V AC, ou 60 V DC, vous devrez être particulièrement attentif aux règles d'espacement dans la conception de votre carte. Si votre carte est très dense, avec des tensions élevées, vous devrez faire encore plus attention. Avec une densité élevée, il faut ruser pour respecter l'espacement, qui joue un rôle encore plus important pour la protection.

L'espacement est encore plus important dans les conceptions haute tension parce que la tension aux bornes de votre carte favorise l'apparition d'arcs entre deux éléments conducteurs de votre circuit imprimé. Toute apparition d'arc électrique présente un risque important tant pour le produit que pour vos utilisateurs. Pour aider à gérer ce risque, il existe des normes pour les deux principales mesures de disposition dans votre conception de circuits imprimés, l'espacement et l'isolement.

Qu'est-ce que l'espacement ?

L'espacement correspond à la plus petite distance en ligne droite aérienne entre deux conducteurs. Je me souviens de sa définition en pensant à l'espace au dessus de ma tête, donc à l'espace disponible avant que ma tête heurte quelque chose. Si l'espacement à un endroit du circuit imprimé est trop faible, une surtension est susceptible de former un arc électrique entre des éléments conducteurs proches sur la carte.

Les règles pour l'espacement diffèrent selon le matériau du circuit imprimé, la tension et les conditions environnementales. Les effets de l'environnement sont loin d'être négligeables. La plupart du temps, l'humidité modifie la tension de claquage de l'air et favorise l'apparition d'arcs. La poussière est un autre facteur, puisque des particules qui s'accumulent sur la surface du circuit imprimé peuvent former avec le temps un chemin qui réduit la distance entre les conducteurs.

Les arcs électriques sont susceptibles d'endommager votre produit et sont dangereux pour vos utilisateurs, donc l'espacement sur la carte est un paramètre de conception essentiel.

Qu'est-ce que la distance d'isolement sur un circuit imprimé ?

Semblable à l'espacement, la distance d'isolement correspond à la distance entre les conducteurs d'une circuit imprimé. Il ne s'agit cependant pas de la distance aérienne, mais de la plus courte distance sur la surface du matériau d'isolation. Le matériau de la carte et l'environnement affecte également les exigences en matière de distance d'isolement. L'humidité ou l'accumulation de particules sur la carte peuvent réduire la distance d'isolement de la même façon que pour l'espacement.

Si la conception est très dense, la distance d'isolement peut être compliquée à respecter. Bien que le déplacement de pistes soit rarement la première solution retenue, il existe plusieurs autres astuces qui permettent d'augmenter la distance en surface pour votre conception. En ajoutant une fente entre les pistes ou une barrière d'isolement verticale, vous pouvez augmenter significativement la distance d'isolement sans modifier le routage de la piste sur la carte.

Prenez en compte l'index de suivi comparatif (CTI) de votre matériau.

Après la tension de fonctionnement, les propriétés du matériau de votre circuit imprimé sont un facteur prépondérant dans les exigences en matière d'espacement et de distance d'isolement. L'isolement électrique du matériau est indiquée par un « index de suivi comparatif » ou valeur de CTI. Le CTI est une tension déterminée par un test standard de mesure de la tension de claquage de la surface du matériau.

Il existe six catégories, de 0 à 5, définies par la valeur de la tension de claquage du matériau. Les niveaux d'isolement obligatoires pour les produits reposent sur ces catégories de CTI. La catégorie 5 est la plus faible, avec des valeurs inférieures à 100 V. Avec des tensions de claquage de plus de 600 V, la catégorie 0 est la plus robuste, et souvent la plus chère, des options de matériaux.

Les matériaux isolants des circuits imprimés affichent des tensions de claquage et des catégories de sécurité associées différentes selon les applications du produit.

Comment puis-je déterminer le matériau et l'espacement à utiliser ?

Il existe tant de possibilités pour choisir le matériau et concevoir un circuit imprimé que la meilleure option pour répondre aux normes et exigences en matière de sécurité est de consulter directement la source. Deux normes sont très souvent référencées. La première est la norme IPC-2221 qui est la norme générique pour orienter en matière d'espacement et de distance d'isolement. La seconde est la norme IEC-60950-1 (2e édition). La version IEC est la norme que vous consulterez pour tous les produits informatiques alimentés par le secteur ou par batterie, notamment si vous projetez de vendre ces produits à l'étranger.

Comme les conséquences d'un espacement incorrect peuvent aller d'une non-conformité légale à la mort et à des destructions importantes, il est grand temps de vous familiariser avec toutes les normes applicables à votre conception. En outre, cela protégera les étudiants.

L'identification et la mise en œuvre des normes peut prendre du temps, donc vous devez utiliser un logiciel de conception de qualité. Le meilleur logiciel de conception de circuits imprimés vous permet de créer des règles de conception spécifiques et vous aide à identifier les problèmes au début du processus. Altium Designer répond à ces exigences et plus encore ; vous pouvez commencer la conception avant même d'avoir choisi le matériau de votre carte !

Des questions sur l'espacement et la distance d'isolement ? Contactez un expert Altium.