고전압 PCB 설계: 고전압을 위한 크리피지 및 클리어런스 거리

고전압 제품은 여러 가지 실패 경로를 경험할 수 있으며, 이러한 경로 중 일부는 이 시스템의 사용자에게 안전 문제가 될 수 있습니다. 제품이 고전압으로 가동될 때, 시간이 지남에 따라 서서히 발생하는 신뢰성 문제나 유전체 파괴로 인해 화려하게 실패하는 문제가 발생할 수 있습니다. 어떤 실패 모드를 방지하고자 하든, 두 가지 범주의 실패 모드는 모두 전도성 요소 사이의 두 가지 유형의 간격을 적용함으로써 해결됩니다: 클리어런스와 크리피지.

클리어런스와 크리피지는 PCB에서 도체 간격에 대한 제한입니다. 필요한 간격은 IPC나 IEC와 같은 업계 표준에서 찾을 수 있으며, 이 중 일부는 간단한 계산기를 사용하여 결정할 수 있습니다. 클리어런스와 크리피지를 적용함으로써 방지하고자 하는 두 가지 주요 실패는 다음과 같습니다:

• 유전체 파괴
• 전도성 양극성 필라멘테이션(CAF)

이제 고전압 PCB 설계에서 이러한 요소들을 살펴보겠습니다.

안전이 특정 간격 규칙을 요구하는 경우는 언제입니까?

모든 PCB 설계가 고전압 PCB 설계에 필요한 엄격한 간격 규칙을 가지고 있는 것은 아닙니다. 일반적으로 IPC 표준은 전력 변환 장치나 AC 전력 장치에 대해, 도체 간 전압 차이가 15V(DC 또는 피크 AC)를 초과하기 시작할 때 내부 및 외부 도체의 클리어런스 값에 대해 명시하기 시작합니다. 이러한 경우에는 설계에서 이러한 네트 사이의 간격 규칙을 설정해야 합니다. 도체 간 전압 차이가 커질수록 필요한 간격(내부 및 외부 모두)도 커집니다. 정확한 간격 요구 사항은 최종 제품을 관리하는 표준에 따라 다릅니다.

간격은 보드 상의 전도성 요소 간의 잠재적 차이가 도체 간 전압이 유전체를 분리하는 절연 파괴 전압을 초과할 경우 아크를 생성할 수 있기 때문에 고전압 PCB 설계 규칙에서 더 중요합니다. 발생할 수 있는 모든 아크는 제품과 사용자 모두에게 훨씬 더 큰 위험을 초래합니다. 그 위험을 완화하기 위해 PCB 설계에서 두 가지 주요 간격 측정 기준이 있습니다: 클리어런스와 크리피지 거리.

두 지점 간의 전압이 절연 파괴 전압을 초과할 때 아킹이 발생할 수 있으며, 이는 제품을 손상시키고 사용자에게 안전 위험을 초래할 수 있습니다. 보드 상의 간격은 아킹을 방지하기 위한 중요한 설계 매개변수입니다.

신뢰성에 영향을 미치는 다른 요소는 CAF(그리고 일반적으로 전기이동)입니다. PCB가 일부 염분과 수분 함량을 가진 유기 기판 위에 구축되기 때문에, 도체 사이의 높은 전기장은 전기화학적으로 유도된 반응을 통해 CAF의 성장으로 이어질 수 있습니다. 이는 유전체 파괴를 일으키기 위해 필요한 것보다 훨씬 낮은 전압에서 발생할 수 있습니다.

크리피지 대 클리어런스

이 용어들은 PCB 레이아웃에서 도체 사이의 거리를 정의하는 데 사용되며, 안전 기준에서 명시됩니다. 크리피지와 클리어런스는 두 인접 도체 사이의 간격으로 정의되지만, 두 가지 다른 방식으로 정의됩니다.

PCB에서 클리어런스란?

클리어런스에 대한 PCB 레이아웃 규칙은 도체가 외부인지 내부인지, 도체 사이의 전압 차이가 얼마인지, 그리고 주변 환경 조건(고도 및 방수 코팅의 적용)이 어떠한지에 따라 다릅니다. 환경적 영향은 상당히 중요합니다. 가장 흔하게, 습도는 공기의 파괴 전압을 변경하고 아킹의 가능성에 영향을 미칩니다. 먼지도 또 다른 요소인데, PCB 표면에 쌓이는 입자들이 시간이 지나면서 트랙을 형성하여 도체 사이의 거리를 단축시킬 수 있습니다.

• 고전압 PCB 설계를 위한 IPC-2221 클리어런스 계산기를 사용하세요

PCB에서 크리피지란?

유사하게, 크리피지는 고전압 PCB에서 도체 사이의 거리를 측정합니다. 하지만, 공기 중의 거리를 측정하는 대신에, 절연 재료의 표면을 따라 가장 짧은 거리를 측정합니다. 보드 재료와 환경도 크리피지 요구 사항에 영향을 미칩니다. 보드 위에 습기나 먼지가 쌓이면 크리피지 거리를 클리어런스와 같은 방식으로 단축시킬 수 있습니다.

고밀도 인쇄 회로 기판 설계를 할 때, 크리피지는 충족하기 어려운 요구 사항일 수 있습니다. 트랙을 이동하는 것이 거의 첫 번째 선택이 아니기 때문에, 설계에서 표면 거리를 늘리기 위한 몇 가지 다른 방법이 있습니다. 트랙 사이에 슬롯을 추가하거나 절연의 수직 장벽을 추가하는 것은 보드의 트레이스 레이아웃을 변경하지 않고도 크리피지 거리를 상당히 증가시킬 수 있습니다.

PCB에서의 크리피지 대 클리어런스. 빨간 선은 두 트레이스 사이의 PCB 크리피지 거리를 보여줍니다.

이 그림이 조금 이상하게 보인다면, 아래에 보이는 전원 공급 장치 PCB 레이아웃을 고려해 보세요. 이 전원 공급 장치 레이아웃은 제 플라이백 컨버터 모듈 프로젝트에서 수정되었습니다; 이 격리된 전원 공급 장치에서, 저는 변압기의 두 측면 사이 영역에 슬롯을 추가했습니다.

T1의 4번 핀과 5번 핀을 고려하십시오. 4번 핀과 5번 핀 사이의 클리어런스는 그들 사이의 직접 거리이며 컷아웃에 관계없이 항상 동일할 것입니다. 그러나 크리피지 거리는 PCB 표면을 따라 측정되므로 이 핀들 사이의 총 거리에 보드 컷아웃의 하단 곡률을 포함해야 합니다. 절연 전원 공급 장치(또는 어떤 절연 시스템)에서 이는 크리피지 거리를 증가시키는 표준 기술입니다.

재료의 비교 추적 지수(CTI) 고려하기

작동 전압 다음으로 인쇄 회로 기판 의 클리어런스 및 크리피지 요구 사항에서 가장 중요한 요소는 PCB의 재료 특성에서 비롯됩니다. 재료의 전기 절연은 "비교 추적 지수" 또는 CTI 값으로 나타납니다. CTI는 전압으로 표현되며 재료의 표면이 붕괴되는 시점을 측정하는 표준화된 테스트에 의해 결정됩니다.

재료의 붕괴 값에 기반한 0에서 5까지의 여섯 가지 카테고리가 있습니다. 제품의 필수 절연 수준은 이러한 CTI 카테고리에 기반합니다. 카테고리 5는 100V 미만의 가장 낮은 값으로, 600V 이상의 붕괴를 가진 카테고리 0은 가장 강력하고 종종 비싼 재료 옵션을 가지고 있습니다.

• 고전압 PCB 재료의 CTI 값에 대해 자세히 알아보기

PCB 절연 재료는 서로 다른 내전압과 해당 제품 응용 분야를 위한 안전 카테고리를 가지고 있습니다.

관련 표준

IPC-2221 및 IPC-9592

첫 번째 중요한 전압 기반 PCB 클리어런스 표준은 PCB 크리피지 및 클리어런스에 대한 지침을 제공하는 일반 표준인 IPC-2221입니다. 이 표준은 재료의 품질, 추적성, 레이아웃 지침을 포함하여 품질을 보장하기 위한 요구 사항이 가득합니다. 또한 IPC-2221 표준을 기반으로 한 고전압 클리어런스 계산기를 사용하여 PCB에 사용해야 할 최소 간격을 결정할 수 있습니다. 간격 표준은 다음과 같이 구분됩니다:

• 내부 대 외부 도체
• 보호 코팅(예: 솔더 마스크)의 존재
• 고도
• 부품 리드 대 구리 패드

IT 및 컴퓨터 장비용 전력 변환기에 적용되는 관련 표준은 IPC-9592입니다. 이 표준은 내부 레이어의 고전압 라인에 대해 IPC-2221보다 보수적인 전압 기반 간격 요구 사항을 명시합니다. 표준은 내부 및 외부 레이어, 고도 또는 방수 코팅의 존재 여부를 구분하지 않습니다. IPC-9592는 "전력 변환 장치"를 도체 간에 적용된 전압 차이가 500V(직류 또는 피크 교류) 이하인 모든 AC/DC 또는 DC/DC 모듈, 변환기 또는 PCBA로 정의합니다.

IEC-60950-1 (2판)

두 번째 중요한 표준은 IEC-60950-1 (2판)입니다. IEC 버전은 AC 메인 전원이나 배터리 전원을 사용하는 모든 IT 제품에 대해 읽고 싶은 표준이며, 특히 해당 제품을 국제적으로 판매하고자 할 때 중요합니다. 이 표준들은 사무실 분쇄기부터 통신 장비에 이르기까지 모든 것에 대한 안전 요구 사항을 명시합니다.

부적절한 간격의 결과가 법적 불이행에서부터 심각한 부상 및 중요 장비의 파괴에 이르기까지 다양하기 때문에, 디자인에 관련된 모든 표준을 숙지하는 것은 시간을 투자할 가치가 있습니다. 게다가, 이는 학부생들이 자신을 감전시키는 것을 방지합니다.

Altium Designer^®의 CAD 도구와 라우팅 기능은 보드를 생성함에 따라 레이아웃을 자동으로 검사하는 통합 규칙 기반 설계 엔진 위에 구축되어 있습니다. IPC-2221 계산기를 사용하여 여유 공간 요구 사항을 파악한 후, 설계 규칙에 여유 공간을 프로그래밍하여 보드가 고전압에서도 안전하고 기능적으로 유지되도록 할 수 있습니다. 또한 제조 및 조립을 위한 준비를 돕는 전체 문서화 기능 세트에도 접근할 수 있습니다.

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