Come usare un IPC-2221 calculator per progetti ad alta tensione

Zachariah Peterson
|  Creato: January 17, 2020  |  Aggiornato: October 20, 2021

IPC-2221 calculator e linee ad alta tensioneHai dubbi sui requisiti di spaziatura tra i conduttori nei PCB ad alta tensione? Una calcolatrice IPC-2221 può aiutarti.

Gli standard di progettazione e assemblaggio dei circuiti stampati non hanno certo lo scopo di limitare la tua produttività, ma piuttosto quello di contribuire a creare aspettative uniformi in termini di design e prestazioni dei prodotti nei vari settori d'impiego. La standardizzazione implica l'uso di strumenti per la verifica della conformità, come calcolatrici per determinati aspetti di progettazione, processi di controllo, ispezione e molto altro ancora.

Lo standard generico principale per la progettazione di PCB ad alta tensione è l’ IPC-2221. Questo riassume molti aspetti importanti del design, alcuni dei quali consistono in semplici formule matematiche. Per i progetti PCB ad alta tensione, una calcolatrice IPC-2221 può aiutarti a determinare rapidamente i requisiti di spaziatura appropriati tra gli elementi conduttivi del circuito stampato. In questo modo sarà possibile garantire un funzionamento sicuro della tua prossima scheda ad alta tensione alla sua tensione nominale. Se il software di progettazione include queste specifiche come regole di progettazione automatizzate, è possibile rimanere produttivi ed evitare di commettere errori di layout durante la creazione della scheda.

Cos'è lo standard IPC-2221?

IPC-2221 è uno standard dell’industria generalmente accettato che definisce vari aspetti di progettazione di un circuito stampato. Alcuni esempi includono i requisiti di progettazione per materiali (tra cui substrati e placcatura), testabilità, gestione termica, sfiati termici e anelli anulari, per citarne alcuni.

Nella progettazione di PCB ad alta tensione, lo standard IPC-2221B specifica alcuni requisiti importanti. Tieni presente che lo standard specifica solo i valori minimi di spaziatura tra i conduttori per le tensioni fino a 500 V. Sono disponibili formule semplici per il calcolo dei valori minimi di spaziatura per tensioni superiori a tale valore.

Prevenzione della migrazione metallica

Tra l'elenco dei valori minimi di spaziatura tra i conduttori elettrici definiti nell'IPC-2221 è presente un insieme di requisiti per prevenire problemi di migrazione metallica. La migrazione metallica è una delle molte cause di malfunzionamento dei circuiti stampati ad alta tensione con elevata densità di conduttori. Quando viene applicato un alto potenziale a due conduttori, se i conduttori contengono residui con sali idrosolubili può verificarsi la crescita elettrochimica di dendriti metallici; di seguito viene mostrata un'immagine SEM della crescita dendritica tra due punti di saldatura.

Questi dendriti metallici possono creare un cortocircuito tra due punti di un PCB ad alta densità. Si tratta in realtà di un effetto del campo elettrico, il che spiega perché esiste un requisito minimo di spaziatura; aumentando la spaziatura tra i conduttori per una determinata differenza di potenziale, si riduce il campo tra i conduttori, inibendo pertanto la crescita dendritica.

Crescita dendritica ad alte tensioni
Immagine SEM che mostra una crescita dendritica tra due punti di saldatura. Fonte immagine.

Come agire in caso di prodotti fuori standard

Nel caso in cui il tuo prodotto non segua le norme più restrittive degli standard UL o IEC (vedi più in basso), per determinare la spaziatura minima tra i conduttori nel PCB puoi affidarti ad un semplice insieme di dati ed ad una formula. Questi dati sono una funzione della tensione di picco utilizzata e della presenza di un rivestimento sulla scheda, come illustrato nella tabella seguente. Se è necessario determinare la spaziatura minima dei conduttori tra due valori di tensione, è possibile utilizzare un'approssimazione lineare (interpolazione) tra due voci successive.

tabella dei requisiti spaziatura IPC-2221B
Requisiti di spaziatura tra i conduttori IPC-2221B.

Se esamini gli standard elettronici nei diversi settori e campi di applicazione, troverai molteplici standard di sicurezza che definiscono diversi requisiti di spaziatura tra i conduttori. Lo standard IPC-9592B definisce i requisiti di spaziatura per i convertitori di alimentazione che, se tracciati su un grafico, non si discostano in modo significativo dai valori di spaziatura richiesti dall'IPC-2221B. La tabella seguente specifica i requisiti di spaziatura a norma IPC-9592B. Nota che la spaziatura minima richiesta tra le tracce viene definita come funzione dei valori di tensione di picco.

Tabella dei requisiti spaziatura IPC-9592B
Requisiti di spaziatura tra i conduttori IPC-9592B per convertitori di alimentazione.

Entrambi i set di standard includono formule che possono essere facilmente programmate in un'applicazione di calcolo. Puoi trovare molti IPC-2221 calculator su vari siti web, incluse le calcolatrici di spaziatura tra piste IPC-2221B.

Utilizzo di una calcolatrice IPC-2221 integrata

Se il tuo software di progettazione integra una funzione di calcolo IPC-2221 nelle regole di design, non dovrai calcolare manualmente le larghezze delle piste o le distanze minime per evitare malfunzionamenti. Questo tipo di software codifica la distanza richiesta come regola di progettazione, che viene controllata automaticamente durante la creazione del layout PCB. Se desideri aumentare il livello di sicurezza del tuo nuovo prodotto, puoi codificare una pista e/o una spaziatura tra i componenti di dimensioni maggiori di quelle strettamente necessarie nelle regole di progettazione.

Puoi controllare automaticamente le distanze di sicurezza durante la creazione della scheda, ovvero nella fase di posizionamento dei componenti e di definizione delle tracce nel PCB ad alta tensione. Il rispetto delle distanze tra le tracce e i componenti consente di evitare errori e di ridurre la portata di eventuali modifiche di posizionamento necessarie. Alcune regole di progettazione includono questi controlli importanti solo al termine della creazione del layout, con il rischio di dover riprogettare ampie sezioni se i componenti sono collocati in posizione troppo ravvicinata. L'uso di strumenti di progettazione che consentono di specificare le distanze minime riduce questi rischi e ti aiuta a essere più produttivo.

Applicazione degli standard IPC-2221

Nota che l'applicazione degli standard IPC-2221 è totalmente facoltativa. Tuttavia, per i prodotti che seguono gli standard di sicurezza legali, è obbligatorio attenersi ai requisiti relativi alla dispersione e alla distanza di sicurezza degli standard UL o IEC pertinenti. Ad esempio, l'insieme dei requisiti di sicurezza per i prodotti IT e per telecomunicazioni con alimentazione CA e a batteria è descritto nello standard IEC-60950-1 (2ª edizione).

In termini di dispersione, la spaziatura specificata a norma IPC-2221B dipende dalla tensione di lavoro RMS, dal grado di inquinamento (numerato da 1 a 3) e dal gruppo di materiali. Le definizioni degli ultimi due termini sono disponibili negli standard UL 60950-1. Se devi rispettare gli standard di sicurezza IEC, IPC o di altro tipo, l'uso del giusto software di progettazione PCB ti consente di specificare i tuoi requisiti come regole di progettazione.

Le funzioni di progettazione di Altium Designer®

Gli strumenti CAD e le funzionalità di instradamento di Altium Designer® sono costruiti su un motore di progettazione unificato basato su regole che controlla automaticamente il layout durante la creazione della scheda. Anziché utilizzare una calcolatrice manuale IPC-2221, queste funzioni di progettazione ti aiuteranno a risparmiare tempo e fatica nella creazione dei tuoi prossimi PCB ad alta tensione. Avrai anche accesso a una documentazione completa utile per prepararti alle fasi di produzione e assemblaggio.

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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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