Norme IPC 221, espacement des pistes PCB et des pastilles : basse et haute tension

Les conceptions à haute tension/haute intensité comportent des exigences de sécurité qui doivent être respectées par les concepteurs. De la même manière, les conceptions à haute vitesse doivent supprimer la diaphonie afin de garantir l'intégrité du signal. Les principaux aspects de la conception liés à ces deux sujets sont les valeurs d'espacement des pistes et des pastilles de votre circuit imprimé. Ces choix de conception sont essentiels en vue d'équilibrer la sécurité, la fabrication et la suppression du bruit.

La norme IPC 2221 comporte des conseils pour prévenir les décharges électrostatiques entre les conducteurs, mais il n'est pas impératif pour toutes les cartes de respecter cette norme. Selon la tension et la fréquence de vos signaux (ou la fréquence de transmission pour les signaux numériques), il se peut que vous ayez besoin d'une valeur différente pour l'espacement des pistes de votre PCB. Voici comment équilibrer ces deux aspects de votre routage de PCB tout en garantissant la fabrication.

Norme IPC 2221 pour basse tension (<15 V)

Selon la norme IPC 2221, l'espacement minimum entre les pistes du circuit imprimé (soit l'espacement entre deux conducteurs) est de 0,1 mm pour les périphériques à usage général, ce qui équivaut à 4 millièmes de pouce. Pour les appareils de conversion de puissance, cet espacement minimum est de 0,13 mm, soit 5,1 millièmes de pouce. Ces cartes pourraient à peine être considérées comme à « haute tension » et l'espacement entre leurs conducteurs commence à se démarquer sur le régime HDI.

À ces tensions, vous pouvez utiliser des signaux numériques, des signaux analogiques basse fréquence ou simplement un courant continu modéré. Avec les signaux numériques, il convient généralement de suivre la règle du « 3W », selon laquelle l'espacement entre les pistes est égal au triple de la largeur de la piste. Pour un microruban typique à impédance contrôlée de 50 Ohm, la largeur de votre piste sera environ de 20 millièmes de pouce, soit un espacement recommandé entre les pistes de 60 millièmes de pouce. Avec ces pistes, vous respectez toujours les exigences de la norme IPC 2221 et votre principal objectif doit être d'optimiser le routage et la DFM. Vous n'aurez pas à vous soucier de ces exigences de tension même dans le régime HDI, où vous pouvez avoir besoin d'effectuer un routage entre des pastilles à pas fin d'un BGA, car vous travaillerez généralement à 3,3 V ou environ 1 V.

Espacement des composants dans un circuit haute tension (>15 V)

Avec une tension en courant continu élevée, la principale préoccupation du choix d'une valeur d'espacement entre les pistes d'un PCB consiste à empêcher les décharges électrostatiques et la croissance dendritique entre les conducteurs exposés. Avec une tension en courant alternatif élevée ou un régulateur de commutation qui génère une forte intensité, vous devez maintenant vous soucier de la diaphonie, mais aussi des décharges électrostatiques et de la croissance dendritique. Les instructions de suppression de la diaphonie continuent d'insister sur l'espacement de tension requis entre les conducteurs jusqu'à atteindre des tensions très élevées.

Pour savoir comment trouver un équilibre entre la norme IPC 2221 et la suppression de la diaphonie, arrêtons-nous sur l'hypothèse suivante. Supposons que vous disposez d'un microruban à impédance contrôlée (20 millièmes de pouce de large) à proximité d'une ligne haute tension en courant alternatif ou près de pistes qui entrent/sortent d'un régulateur à haute intensité en courant continu. Si vous respectez la règle du « 3W », l'espacement entre les microrubans parallèles et la ligne haute tension voisine doit être de 1,5 mm, soit environ 60 millièmes de pouce. Cette valeur est plus que suffisante pour respecter la norme IPC 2221 jusqu'à ce que le niveau de haute tension atteigne 180 V pour les équipements de conversion de puissance, ou 340 V pour les autres produits haute tension. À haute tension, l'inquiétude n'est pas tant la vitesse de transmission numérique que la fréquence d'une ligne haute tension à courant alternatif. Tout signal oscillant peut induire un signal de diaphonie dans une piste voisine si les pistes sont proches les unes des autres.

Il s'agit d'un problème de bruit connu avec les régulateurs à courant continu haute tension et leurs lignes de signal en aval. Avec un courant de sortie élevé, cette diaphonie peut engendrer une commutation involontaire des composants numériques à haute vitesse. Il est préférable de choisir un espacement supérieur entre une ligne haute tension à courant alternatif et les lignes numériques ou à courant continu à proximité.

Résumé : respecter la norme IPC 2221 à haute et basse tension

Il est généralement possible de définir les règles d'espacement des pistes et des pastilles d'un circuit imprimé selon trois régimes différents basés sur la tension. Dans les deux rangées inférieures, veillez à calculer l'espacement requis à l'aide de la norme IPC 2221 (en anglais) pour déterminer le régime à adopter. Notez que, dans l'article mentionné précédemment, votre espacement peut être réduit lorsque vos pistes sont revêtues ou placées sur des couches internes.

Assurez-vous de comprendre la différence entre les fuites et l'espacement dans votre conception. Vérifiez également que vos pistes seront assez larges pour transporter une quantité suffisante de courant sans chauffer excessivement. Utilisez pour cela le nomogramme de la norme IPC 2152.

Une fois que vous avez déterminé les meilleurs espacements de pistes et de pastilles à utiliser sur votre carte, vous devez encoder ces valeurs sous forme de règles de conception dans votre logiciel de CAO électronique. Le moteur de conception unifié d'Altium Designer® vous permet de définir vos valeurs d'espacement des pistes et des pastilles comme règles de conception. Ces règles sont vérifiées instantanément au moment du routage de votre carte. Altium Designer est ainsi l'application idéale pour les tâches de conception à basse et haute tension, ainsi que pour les conceptions à vitesse et à fréquence élevées.

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