Uso di un calcolatore PCB IPC-2221B per la progettazione ad alta tensione

Lo standard generico principale per la progettazione di PCB ad alta tensione è IPC-2221, che riassume molti aspetti importanti del design, alcuni dei quali si riducono in pratica a semplici formule matematiche. Per i PCB ad alta tensione, un calcolatore IPC-2221B può aiutarti a determinare rapidamente i requisiti di spaziatura appropriati tra gli elementi conduttivi del circuito stampato; ciò consente di garantire un funzionamento sicuro della tua scheda di componenti elettronici ad alta tensione alla sua tensione nominale. Se il software di progettazione PCB include queste specifiche come regole di progettazione automatizzate, è possibile rimanere produttivi ed evitare di commettere errori di layout durante la creazione della scheda.

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, tra cui calcolatori per determinati aspetti di progettazione, processi di controllo e ispezione e molto altro ancora.

Cos'è lo standard IPC-2221?

IPC-2221 (Revisione B in vigore dal 2012) è uno standard di settore comunemente accettato che definisce una moltitudine di aspetti di progettazione PCB. Alcuni esempi includono i requisiti di progettazione sui materiali (inclusi substrati e placcatura), la testabilità, la gestione termica e i rilievi termici e gli anelli anulari, solo per citarne alcuni.

Alcune linee guida per la progettazione sono sostituite da standard di progettazione più specifici. Ad esempio, l'IPC-6012 e l'IPC-6018 forniscono rispettivamente specifiche di progettazione su PCB rigidi e PCB ad alta frequenza. Questi standard aggiuntivi devono essere ampiamente coerenti con gli standard IPC-2221B per i PCB generici. Tuttavia, l'IPC-2221 non è in genere lo standard di certificazione utilizzato per valutare l'affidabilità del prodotto o la resa/i difetti di fabbricazione. Per le schede rigide, verrà normalmente utilizzato l'IPC-6012 o l'IPC-A-600 per qualificare i PCB rigidi fabbricati.

Spaziatura del conduttore IPC-2221B nella progettazione ad alta tensione

I requisiti di progettazione importanti per la progettazione PCB ad alta tensione sono specificati nello standard IPC-2221B. Uno di questi è lo spazio per conduttori, che ha lo scopo di affrontare due punti:

• La possibilità di guasto alla corona o dielettrico in presenza di un'elevata intensità di campo elettrico
• Il potenziale di filamentazione anodica conduttiva, talvolta chiamata crescita dendritica (vedi sotto)

Il primo punto è il più importante, in quanto può essere controllato più facilmente impostando la distanza minima corretta tra i conduttori nel PCB. Il secondo effetto può anche essere soppresso con un'adeguata spaziatura tra le tracce, nonché con la selezione dei materiali e la pulizia generale durante l'elaborazione. Il dimensionamento delle piste PCB necessario per prevenire questi effetti è riassunta in funzione della tensione tra due conduttori nello standard IPC-2221. 

L'immagine sottostante mostra la Tabella 6-1 degli standard IPC-2221. Questi valori elencano la spaziatura minima del conduttore come funzione della tensione tra i due conduttori. Questi valori sono specificati in termini di tensione di picco CA o CC tra i conduttori. Si noti che IPC-2221 specifica solo i valori minimi fissi di spaziatura del conduttore per tensioni fino a 500 V. Una volta che la tensione tra due conduttori supera i 500 V, i valori di spazio per volt mostrati nella tabella seguente vengono utilizzati per calcolare la distanza minima del conduttore. Ogni volt superiore a 500 V aggiungerà alla distanza minima richiesta la quantità indicata nella riga inferiore della tabella.

Aumento della temperatura con corrente elevata

Non tutti i circuiti stampati ad alta tensione funzionano con correnti elevate, ma quelli che utilizzano correnti elevate possono subire un aumento della temperatura quando i conduttori non sono sufficientemente grandi. L'aumento della temperatura in un circuito stampato si verifica a causa del riscaldamento Joule, correlato alla resistenza CC di un conduttore. Pertanto, l'area della sezione trasversale nei conduttori che trasportano una corrente elevata deve essere adeguata alla quantità di corrente.

Per determinare l'area trasversale migliore, è possibile utilizzare i calcolatori in base ai dati pubblicati negli standard IPC-2221 e IPC-2152. Il set di dati utilizzato in un calcolatore IPC-2152 è più complesso, ma può fornire risultati più accurati rispetto a un calcolatore IPC-2221.

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Standard IPC-9592B sui dispositivi di conversione di potenza

Lo standard IPC-9592B definisce i requisiti di spaziatura specifici per i convertitori di alimentazione. Se tracciati su un grafico, questi standard non si discostano in modo significativo dai valori di spaziatura richiesti dall'IPC-2221. La tabella seguente specifica i requisiti di spaziatura a norma IPC-9592B, definendo la spaziatura minima della traccia richiesta come funzione dei valori di tensione di picco. La differenza è che questo standard ridimensiona i valori di spaziatura minima del conduttore con tensione applicata al di sotto del limite di 500 V mostrato nella tabella precedente.

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

Se effettui una ricerca online, troverai alcuni calcolatori pre-programmati con i valori sopra indicati. Una volta determinati i valori di spaziatura appropriati, è possibile programmarli nelle regole di progettazione come distanze tra oggetti. Poiché in genere le reti funzionano a tensioni diverse, è possibile programmare questi valori nelle regole di progettazione, rete per rete. Sarai quindi in grado di avvicinare alcune reti l'una all'altra se la tua progettazione diventa molto densa.

Calcolatore di spaziatura IPC-9592 e IPC-2221B

Il calcolatore di seguito fornisce un calcolo sicuro dell'autorizzazione in base agli standard sopra citati. Per utilizzare questo calcolatore, inserisci la tensione di lavoro a cui funziona la scheda e il calcolatore restituirà i requisiti di spazio per le tracce interne, esterne e rivestite nel layout PCB. Il calcolatore restituirà anche i risultati per i dispositivi di conversione dell'alimentazione conformi allo standard IPC-9592.

Risultati IPC-2221B

Risultati IPC-9592

Migrazione metallica non riuscita

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.

Immagine SEM che mostra una crescita dendritica estrema tra due punti di saldatura. Fonte immagine.

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.

Molto più di un IPC-2221B calculator

Nota che gli standard IPC-2221B sono facoltativi. Tuttavia, per i prodotti coperti dagli standard di sicurezza definiti nelle normative edilizie ed elettriche, i requisiti di dispersione e spaziatura nello standard UL o IEC pertinente possono diventare obbligatori. Ad esempio, l'insieme dei requisiti di sicurezza per i prodotti IT e per telecomunicazioni con alimentazione CA e a batteria è reperibile nello standard IEC-60950-1 (sostituisce lo standard IEC 60950-1). 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 62368-1. 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.

Per evitare la rottura tra i conduttori lungo uno strato a causa della dispersione, la scelta del materiale è importante quanto la corretta spaziatura tra i conduttori. La capacità di un materiale di resistere alla rottura è riassunta utilizzando una metrica nota come indice di tracciamento comparativo (CTI). Il valore CTI di un materiale laminato PCB viene utilizzato per impostare i limiti di dispersione per i conduttori attraverso la superficie di un substrato. Lo standard IEC-60112 definisce i valori CTI in modo tale che un substrato di grado CTI più grande possa sopportare una tensione più elevata prima di subire un guasto dielettrico. Discuterò maggiormente questo punto in un prossimo articolo sui materiali laminati PCB ad alta tensione e su come selezionarli. Per ora, tieni presente che la dispersione e la spaziatura vanno di pari passo e determinare lo spazio in base alla spaziatura è un buon punto di partenza in un nuovo progetto.

Standard IPC-2221B e progettazione PCB con 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. Dopo aver individuato i requisiti di autorizzazione con un calcolatore IPC-2221B, è possibile programmare le distanze nelle regole di progettazione per garantire che la scheda rimanga sicura e funzionale ad alta tensione. Avrai anche accesso a una documentazione completa utile per prepararti alle fasi di produzione e assemblaggio.

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