Odstępy między ścieżkami a padami PCB: Niskie vs. Wysokie napięcie

Projekty wysokonapięciowe/wysokoprądowe wymagają spełnienia określonych wymogów bezpieczeństwa przez projektantów. Podobnie, projekty wysokiej prędkości muszą mieć tłumione przebicie sygnałów, aby zapewnić integralność sygnału. Kluczowe aspekty projektowe, które dotyczą obu obszarów, to odległość ścieżek PCB oraz wartości odstępu padów. Te wybory projektowe są kluczowe dla zrównoważenia bezpieczeństwa, tłumienia zakłóceń i możliwości produkcyjnych.

Standardy napięcia i odstępów IPC 2221 dostarczają wytycznych do zapobiegania ESD między przewodnikami, ale nie wszystkie płytki muszą spełniać ten standard. W zależności od napięcia i częstotliwości sygnałów na ścieżkach PCB (lub szybkości narastania dla sygnałów cyfrowych), możesz potrzebować innej wartości dla odległości ścieżek PCB. Oto jak zrównoważyć te dwa aspekty układu odstępów PCB, jednocześnie zapewniając możliwość produkcji.

Niskie napięcie (<15 V)

Zgodnie ze standardami napięcia i odstępów IPC 2221, minimalne zasady odstępu PCB (naprawdę, odstęp między dowolnymi dwoma przewodnikami) wynoszą 0,1 mm dla urządzeń ogólnego przeznaczenia lub 4 mils. Dla urządzeń do konwersji mocy, ten minimalny odstęp i szerokość ścieżki PCB wynosi 0,13 mm, czyli 5,1 mils. Te płytki z trudem można by uznać za „wysokonapięciowe”, a odstęp przewodników na tych płytach zaczyna graniczyć z reżimem HDI.

Przy tych napięciach możesz pracować z sygnałami cyfrowymi, sygnałami analogowymi o niskiej częstotliwości lub po prostu z prądem stałym o umiarkowanym natężeniu. W przypadku sygnałów cyfrowych typową zasadą jest stosowanie reguły "3W", gdzie odstęp między ścieżkami jest trzykrotnie większy niż szerokość ścieżki. Dla typowej mikropaski o kontrolowanej impedancji 50 omów, szerokość twojej ścieżki wyniesie około 20 mils, a zatem zalecany odstęp między ścieżkami PCB to 60 mils. Nadal jesteś dobrze w granicach wymagań IPC 2221 z tymi ścieżkami, a twoim głównym celem powinno być efektywne trasowanie i DFM. Nawet w reżimie HDI, gdzie możesz potrzebować trasować między padami o małym rozstawie w BGA, nie musisz martwić się o te wymagania napięciowe, ponieważ zazwyczaj pracujesz przy 3,3 V lub ~1 V.

Wysokie napięcie (>15 V)

Przy wysokim napięciu stałym DC głównym problemem przy wyborze wartości odstępu ścieżek PCB jest zapobieganie ESD (elektrostatycznemu wyładowaniu) i wzrostowi dendrytycznemu między odsłoniętymi przewodnikami. Przy wysokim napięciu zmiennym AC, lub przy użyciu regulatora przełączającego, który dostarcza wysoki prąd, musisz martwić się również o przebicie sygnału, a także ESD i wzrost dendrytyczny. Wytyczne dotyczące tłumienia przebicia sygnału nadal przewidują zbyt duże wymagania dotyczące odstępu napięcia PCB lub odstępu między przewodnikami, dopóki nie osiągniesz bardzo wysokich napięć.

Aby zobaczyć, jak możesz potrzebować znaleźć równowagę między IPC 2221 a tłumieniem przebicia sygnału, rozważ następującą hipotetyczną sytuację. Załóżmy, że masz mikropasek o kontrolowanej impedancji (szerokość 20 mil) w pobliżu linii wysokiego napięcia AC, lub w pobliżu ścieżek prowadzących do/z regulatora DC o wysokim prądzie. Jeśli będziesz stosować zasadę „3W”, odstęp między równoległymi mikropaskami a pobliską linią wysokiego napięcia powinien wynosić 1,5 mm, czyli około 60 mil. Jest to więcej niż wystarczające, aby spełnić wymagania IPC 2221, dopóki poziom wysokiego napięcia nie osiągnie 180 V dla urządzeń do konwersji mocy lub 340 V dla innych produktów wysokonapięciowych.

Przy wysokim napięciu problemem nie jest tyle szybkość zbocza sygnału cyfrowego, co częstotliwość linii wysokiego napięcia AC. Każdy oscylujący sygnał może indukować sygnał przeplotu w pobliskiej ścieżce, jeśli ścieżki są blisko siebie; jest to znany problem z zakłóceniami w regulatorach wysokiego napięcia DC oraz ich dolnostronnych liniach sygnałowych. Przy wysokich prądach wyjściowych taki przeplot może indukować niezamierzone przełączanie w komponentach cyfrowych o wysokiej prędkości. Najlepiej jest zdecydować się na większe odstępy między linią wysokiego napięcia AC a pobliskimi liniami DC lub cyfrowymi.

Podsumowanie

Ogólnie, możemy zdefiniować zasady dotyczące odstępów między ścieżkami PCB i odległości padów na trzy różne reżimy, w zależności od napięcia. W dwóch dolnych rzędach, upewnij się, że obliczasz wymagane odstępy między ścieżkami PCB, używając standardu IPC 2221, decydując, w którym reżimie pracować. Zauważ, że w wspomnianym artykule, odstępy między ścieżkami PCB mogą być mniejsze, gdy twoje ścieżki są pokryte lub umieszczone na wewnętrznych warstwach.

Upewnij się, że rozumiesz różnicę między prześwitami a odstępami w swojej konstrukcji. Sprawdź również, czy twoje ścieżki będą wystarczająco szerokie, aby przewodzić odpowiedni prąd bez nadmiernego nagrzewania się. Można to sprawdzić za pomocą nomografu IPC 2152.

Po ustaleniu najlepszych odstępów dla ścieżek i padów, które zamierzasz użyć na swojej płytce, musisz zakodować te wartości jako zasady projektowe w oprogramowaniu ECAD. Zintegrowany silnik projektowy w Altium Designer® pozwala na zdefiniowanie wymaganych zasad odstępów PCB (zarówno dla ścieżek, jak i padów) oraz wartości, a te zasady projektowe są natychmiast sprawdzane podczas trasowania płytki. To czyni Altium Designer idealnym narzędziem do zadań projektowych przy niskich i wysokich napięciach, jak również do projektów wysokiej prędkości i wysokiej częstotliwości.

Teraz możesz pobrać darmową wersję próbną Altium Designer i dowiedzieć się więcej o najlepszych w branży narzędziach do projektowania układów, symulacji i planowania produkcji. Porozmawiaj z ekspertem Altium już dziś, aby dowiedzieć się więcej.