Distanza fra piste PCB e piazzole: bassa ed alta tensione

Zachariah Peterson
|  Creato: April 28, 2020  |  Aggiornato: October 20, 2021
Distanza fra piste PCB e piazzole: bassa ed alta tensione

I progetti ad alta tensione/alta corrente comportano requisiti di sicurezza che i progettisti devono soddisfare. In aggiunta, per i progetti ad alta velocità è necessario eliminare il crosstalk per garantire l'integrità del segnale. Gli aspetti fondamentali nella progettazione relativi a entrambe le aree sono i valori di distanziamento fra le piste PCB e fra le piazzole. Queste scelte di progettazione sono fondamentali per conciliare sicurezza, eliminazione del rumore e producibilità.

Gli standard IPC-2221 offrono una guida per prevenire scariche elettrostatiche (ESD) fra conduttori; tuttavia, non tutte le schede dovranno soddisfare questi standard. A seconda della tensione e della frequenza dei segnali (o delle frequenze limite per i segnali digitali), potrebbe essere necessario un valore diverso per il distanziamento fra piste PCB. Ecco come conciliare questi due aspetti della progettazione PCB garantendo allo stesso tempo producibilità.

Bassa tensione (<15 V)

Secondo gli standard IPC-2221, la distanza minima fra piste PCB (e in generale lo spazio tra due qualsiasi conduttori) è di 0,1 mm per dispositivi universali, o 4 millesimi di pollice. Per i convertitori di alimentazione, la distanza minima è di 0,13 mm o 5,1 millesimi di pollice. Queste schede non possono essere considerate ad alta tensione e la distanza tra conduttori è al limite del regime HDI.

Con tensioni di questo livello, è possibile lavorare con segnali digitali, segnali analogici a bassa frequenza o semplicemente in CC a corrente moderata. Con i segnali digitali, si segue tipicamente la regola "3L", per cui la distanza fra tracce è tripla rispetto alla larghezza della traccia. Per una classica microstrip con impedenza controllata di 50 Ohm, la distanza fra tracce sarà di circa 0,5 mm o 20 millesimi di pollice, quindi la distanza consigliata fra tracce sarà di 1,5 mm o 60 millesimi di pollice. Con tracce del genere, rientri ancora nei requisiti IPC-2221 e puoi concentrarti sull'obiettivo di un instradamento e DFM efficienti. Anche nel regime HDI, dove potrebbe essere necessario instradare fra piazzole a passo fine in un BGA, non dovrai preoccuparti di questi requisiti di tensione poiché lavorerai generalmente a 3,3 V o circa 1 V.

Distanziamento pista PCB per conduttori sottili
Quando il tuo routing è così stretto, sei ancora ben all'interno dei requisiti di spazio sulla traccia PCB al di sotto di 15 V. Concentrati invece sull'integrità del segnale e sul DFM.

Alta tensione (>15 V)

Con un'alta tensione in corrente continua, quando scegli un valore per la distanza fra le piste PCB, la tua principale preoccupazione sarà prevenire scariche elettrostatiche e la crescita dendritica tra conduttori esposti. Invece, con un'alta tensione in corrente alternata (CA), o con un regolatore che genera alta corrente, in aggiunta alle scariche elettrostatiche ed alla crescita dendritica, dovrai preoccuparti anche del crosstalk. I requisiti per l'eliminazione del crosstalk specificano il distanziamento necessario fra conduttori con tensioni diverse fino a quando non si raggiungono tensioni molto elevate.

Per capire l'importanza di conciliare gli standard IPC-2221 e l'eliminazione del crosstalk, considera la seguente situazione ipotetica. Immagina di avere una microstrip con impedenza controllata (larghezza di 0,5 mm) vicino a una linea in corrente alternata ad alta tensione, o vicino a tracce in entrata e in uscita da un regolatore CC ad alta corrente. Se segui la regola "3L", la distanza tra le microstrip parallele e la linea dell'alta tensione vicina dovrebbe essere di 1,5 mm o circa 60 millesimi di pollice. Questo è più che sufficiente per garantire la conformità agli standard IPC-2221 fino a quando l'alta tensione raggiunge i 180 V per i convertitori di alimentazione o i 340 V per altri prodotti ad alta tensione.

Quando la tensione è alta, non è importante preoccuparsi tanto delle variazioni di frequenza digitale quanto della frequenza di una linea in corrente alternata ad alta tensione. Qualsiasi segnale oscillante può generare un segnale di crosstalk in una traccia vicina se le tracce sono a poca distanza; la generazione di questo rumore è un problema molto noto nei regolatori CC ad alta tensione e nei loro cavi di alimentazione di segnale a valle. Con un'alta corrente in uscita, questo segnale di crosstalk può generare una commutazione non intenzionale nei componenti digitali ad alta velocità. È meglio optare per una distanza maggiore tra una linea CA ad alta tensione e linee CC o digitali vicine.

Riepilogo distanziamento piste PCB e piazzole

In generale, possiamo definire le regole per la distanza tra piste PCB e tra piazzole in tre diversi regimi basati sulla tensione. Nelle due righe inferiori, assicurati di calcolare lo spazio necessario utilizzando lo standard IPC-2221 quando determini il regime in cui lavorare. Tieni presente che, nell'articolo citato, lo spazio può essere ridotto quando le tracce sono rivestite o posizionate su livelli interni.

Tabella distanza piste PCB e pad

Assicurati di comprendere la differenza tra dispersione e distanza nella tua progettazione. Assicurati inoltre di verificare che le tracce siano larghe abbastanza da poter garantire un carico di corrente sufficiente senza surriscaldarsi. Puoi verificarlo utilizzando il normogramma IPC-2152.

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Una volta individuati le distanze ottimali fra piste e piazzole per la tua scheda, devi codificare questi valori come regole di progettazione nel software ECAD. Il motore di progettazione unificato in Altium Designer® ti consente di definire i valori necessari per la distanza fra tracce PCB e pad. Queste regole di progettazione sono istantaneamente verificate durante l'instradamento della scheda. Questo rende Altium Designer l'applicazione ideale per le attività di progettazione a bassa e alta tensione, nonché per progettazioni ad alta velocità e alta frequenza.

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Sull'Autore

Sull'Autore

Zachariah Peterson ha una vasta esperienza tecnica nel mondo accademico e industriale. Prima di lavorare nel settore dei PCB, ha insegnato alla Portland State University. Ha condotto la sua Fisica M.S. ricerche sui sensori di gas chemisorptivi e il suo dottorato di ricerca in fisica applicata, ricerca sulla teoria e stabilità del laser casuale. Il suo background nella ricerca scientifica abbraccia temi quali laser a nanoparticelle, dispositivi semiconduttori elettronici e optoelettronici, sistemi ambientali e analisi finanziaria. Il suo lavoro è stato pubblicato in diverse riviste specializzate e atti di conferenze e ha scritto centinaia di blog tecnici sulla progettazione di PCB per numerose aziende. Zachariah lavora con altre società del settore PCB fornendo servizi di progettazione e ricerca. È membro della IEEE Photonics Society e dell'American Physical Society.

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