Projektowanie PCB o wysokim napięciu: długość dróg upływów oraz prześwitów

^{Zastosowania o wysokim napięciu w projektowaniu płytek PCB, wymagają spełnienia o wiele bardziej rygorystycznych parametrów aniżeli standardowe projekty.}

W czasie gdy byłem jeszcze studentem, spędziłem naprawdę dużo czasu przy projektach związanych z trawieniem elektrochemicznym. Całe lata umieszczałem to w swoim CV, ponieważ rekruterzy zawsze byli zainteresowani osobami mającymi wcześniej styczność ze źródłami wysokiego napięcia czy też przerażającymi chemikaliami. Później jednak zdałem sobie sprawę z tego, że nie chcę pracować na stanowisku, na które poszukiwali osoby tak obojętnej na niebezpieczne środowisko pracy.

Wtedy też zacząłem przyglądać się projektowaniu PCB o wysokim napięciu, a konkretnie aspektom związanym z prześwitami i upływami prądu. Pamiętam, że byłem pozytywnie zaskoczony standardami, które obowiązują dla projektów o wysokim poziomie napięcia. Trochę mi również ulżyło. I chociaż nigdy nie dam rady zapobiec temu, żeby młodzi absolwenci bawili się w McGyvera projektując coś o wysokim napięciu, tak jestem naprawdę spokojny wiedząc, że poziom ochrony samej płyty i jej izolacja są na wysokim poziomie.

Kiedy bezpieczeństwo wymaga specjalnych zasad dotyczących odstępów?

Nie każdy projekt płytki PCB podlega tak rygorystycznym zasadom dotyczącym odstępów, jak ma to miejsce w przypadku projektów o wysokim poziomie napięcia. Ogólnie rzecz biorąc, jeżeli standardowe napięcie Twojego produktu równa się lub jest wyższe niż 30V napięcia zmiennego (VAC) lub 60V napięcia stałego (VDC), to powinieneś zachować szczególną ostrożność w kwestii zasad odstępów na projekcie swojej płytki. Powinieneś być tym jeszcze bardziej zainteresowany, jeżeli Twój projekt charakteryzuje się dodatkowo wysokim stopniem gęstości połączeń. Powoduje to, że o wiele trudniej jest zachować prawidłowe odstępy, co rzutuje później na stopień ochrony całego projektu.

Odstępy są szczególnie istotne przy projektach o wysokim napięciu, ponieważ napięcie na elementach takiej płytki znacznie ułatwia proces powstawania wyładowania łukowego (lub tzw. łuku elektrycznego) pomiędzy dwoma komponentami przewodzącymi. Każdy taki łuk elektryczny stwarza duże zagrożenie zarówno dla produktu, jak i jego końcowych użytkowników. Aby zminimalizować ryzyko powstawania łuków elektrycznych, stosuje się standardy dotyczące pomiarów dwóch kluczowych rodzajów odstępów na płycie drukowanej: prześwitów i upływów.

Czym jest prześwit?

Prześwit to najkrótsza droga pomiędzy dwoma przewodami pokonana w powietrzu. Świetnie pamiętam jego definicję myśląc wówczas o prześwicie nad głową: tzn. ilością wolnej przestrzeni pomiędzy moją głową, a przedmiotem lub ścianą, w którą ona zaraz uderzy. Jeśli prześwit między przewodami na dowolnym miejscu naszej płytki drukowanej jest zbyt mały, to przepięcie może spowodować powstanie łuku elektrycznego pomiędzy sąsiadującymi ze sobą komponentami przewodzącymi.

Zasady dotyczące prześwitów różnią się w zależności od materiału płytki drukowanej, poziomu jej napięcia i warunków środowiskowych. Te ostatnie mają natomiast naprawdę duże znaczenie. Najczęściej bowiem to wilgoć wpływa na zmianę napięcia przebicia płytki, co wpływa bezpośrednio na prawdopodobieństwo pojawienia się wyładowania łukowego. Kolejnym takim czynnikiem może być nadmierna ilość kurzu. Jego cząstki mogą z czasem nawet utworzyć na naszej płytce drukowanej ścieżkę, która zmniejszy odległość między przewodami i narazi je na przepięcie.

^{Wyładowania łukowe mogą uszkodzić produkt i narazić jego użytkowników, dlatego też zachowanie prawidłowych odstępów na płytce jest kluczowe przy jej projektowaniu.}

Czym są upływy na płytce drukowanej?

Podobnie jak w przypadku prześwitów, upływy mierzą odległość pomiędzy przewodami na płytkach PCB. Jednak zamiast robić to w powietrzu, mierzą najkrótszą możliwą odległość między nimi na powierzchni samego materiału izolacyjnego. W tym przypadku, materiał płytki PCB i warunki środowiskowe również wpływają na zasady dotyczące upływów. Wilgoć lub zbyt duże nagromadzenie cząstek kurzu mogą tak samo skrócić drogę pomiędzy przewodami, jak ma to miejsce w przypadku prześwitów.

W przypadku projektów o wysokiej gęstości połączeń, odpowiednie zadbanie o długość dróg upływów może być nie lada wyzwaniem, a ponieważ przenoszenie całych ścieżek raczej nigdy nie jest pierwszym wyborem inżynierów, tak istnieje parę sztuczek, dzięki którym można nieco wydłużyć drogę upływów. Jak to zrobić? Ot, chociażby dodając otwór pomiędzy ścieżkami lub też pionową barierę izolacyjną między nimi. Wyraźnie wydłuży to drogę upływu bez zmiany układu ścieżek na samym projekcie płytki drukowanej. 

Uwzględnij wartość współczynnika CTI swojego materiału

Po faktycznej wartości napięcia, najważniejszym czynnikiem decydującym o zasadach długości dróg upływów oraz prześwitów są właściwości materiału naszej płytki PCB. Poziom izolacji elektrycznej naszego materiału wskazuje wartość CTI (ang. Comparative Tracking Index). Współczynnik CTI jest wyrażany jako poziom napięcia i określa się go przez standaryzowany test badający powierzchnię materiału na przebicie.

Współczynnik CTI ma sześć kategorii, od 0 do 5, a oparte są one na właściwościach danego materiału. Obowiązkowe poziomy izolacji dla większości dostępnych produktów oparte są właśnie na tych sześciu kategoriach. Kategoria 5 jest w tym przypadku najniższą, z wartościami mniejszymi niż 100V. Z drugiej strony, z napięciem przebicia sięgającym ponad 600V, kategoria 0 ma najbardziej złożone i przeważnie najdroższe zalecenia dotyczące materiału izolacyjnego.

^{Materiały izolacyjne wykorzystywane na płytkach PCB mają różne stopnie napięcia przebicia i odpowiadające im kategorie bezpieczeństwa dla finalnego zastosowania produktu.} 

Skąd mam wiedzieć, jaki materiał i jakie odstępy stosować?

Ponieważ przy projektowaniu płytek PCB pojawia się tak wiele różnych zmiennych, najlepszym sposobem na spełnienie wszelkich wymogów bezpieczeństwa i standardów projektowania jest przejście bezpośrednio do źródła. Istnieją dwa typy standardów, do których sam odwołuję się najczęściej. Pierwszym jest IPC-2221, który jest ogólnym standardem w zakresie projektowania długości dróg upływów i prześwitów na płytkach PCB. Drugim jest IEC-60950-1 (jego druga wersja). IEC to standard, który powinien Cię zainteresować w przypadku produktów IT z zasilaniem sieciowym lub akumulatorowym, zwłaszcza jeżeli chcesz później sprzedawać te produkty na całym świecie.

Ponieważ konsekwencje nieprawidłowych długości dróg upływów oraz prześwitów rozpoczynają się od ich niezgodności z ogólnymi normami, kończąc natomiast na śmierci i zniszczeniu, tak warto poświęcić trochę czasu na zapoznanie się z głównymi standardami, które są wymagane dla Twojego indywidualnego projektu (i dodatkowo uniemożliwiają jego niekontrolowany samozapłon…).

Identyfikacja i przyswojenie określonych standardów mogą być czasochłonne i dlatego do projektowania najlepiej jest użyć dobrego oprogramowania. Najlepsze oprogramowanie do projektowania płytek PCB pozwoli Ci stworzyć unikalne reguły projektowania i pomoże wykrywać wszelkie problemy już na wczesnym etapie pracy. Altium Designer^® spełnia wszystkie te i jeszcze więcej wymagań. Z programem tym możesz zacząć projektować jeszcze przed wyborem rodzaju materiału izolacyjnego!

Masz pytania dotyczące długości dróg upływów oraz prześwitów? Koniecznie skontaktuj się z ekspertami z Altium.