Wykorzystanie kalkulatora odstępów PCB IPC-2221 do projektowania wysokonapięciowego

Standardy projektowania i montażu PCB nie mają na celu ograniczania Twojej produktywności. Zamiast tego, mają one na celu stworzenie jednolitych oczekiwań względem projektów produktów i ich wydajności w wielu branżach. Dzięki standaryzacji pojawiają się narzędzia do przestrzegania norm, takie jak kalkulatory dla pewnych aspektów projektowania, procesy audytu i inspekcji, i wiele więcej.

W projektowaniu PCB wysokiego napięcia ważnym ogólnym standardem dla projektowania PCB jest IPC-2221. Wiele ważnych aspektów projektowania jest podsumowanych w tym standardzie projektowym, niektóre z nich sprowadzają się do prostych wzorów matematycznych. Dla PCB wysokiego napięcia, kalkulator IPC-2221 może pomóc Ci szybko określić odpowiednie wymagania odstępu między elementami przewodzącymi na Twojej płytce PCB, co pomaga zapewnić bezpieczeństwo Twojej kolejnej płyty wysokiego napięcia przy jej napięciu roboczym. Kiedy Twoje oprogramowanie do projektowania zawiera te specyfikacje jako zautomatyzowane zasady projektowania, możesz pozostać produktywny i unikać popełniania błędów w układzie, budując swoją płytę.

Co to jest IPC-2221?

IPC-2221 (Rewizja B obowiązująca od 2012) to ogólnie akceptowany standard branżowy, który definiuje wiele aspektów projektowania PCB. Niektóre przykłady obejmują wymagania projektowe dotyczące materiałów (w tym substratów i powłok), testowalności, zarządzania ciepłem i ulg cieplnych, oraz pierścieni okólnych, żeby wymienić kilka.

Niektóre wytyczne projektowe są zastępowane przez bardziej szczegółowe normy projektowe. Na przykład, IPC-6012 i IPC-6018 dostarczają specyfikacji projektowych odpowiednio dla sztywnych PCB i PCB wysokiej częstotliwości. Te dodatkowe standardy mają być w dużej mierze zgodne ze standardami IPC-2221 dla ogólnych PCB. Jednak IPC-2221 zwykle nie jest standardem kwalifikacyjnym używanym do oceny niezawodności produktu lub wydajności/defektów produkcyjnych. Dla sztywnych płyt, albo IPC-6012 albo IPC-A-600 będą zwykle używane do kwalifikacji wyprodukowanych sztywnych PCB.

IPC-2221B Odległość przewodów w projektowaniu wysokiego napięcia

Ważne wymagania projektowe dla projektowania PCB wysokiego napięcia są określone w standardzie IPC-2221B. Jednym z nich są odstępy między przewodami, które mają na celu adresowanie dwóch kwestii:

• Możliwość wystąpienia korony lub przebicia dielektrycznego przy wysokiej sile pola elektrycznego
• Potencjał dla konduktywnej filamentacji anodowej, czasami nazywanej wzrostem dendrytycznym (patrz poniżej)

Pierwszy punkt jest najważniejszy, ponieważ można go najłatwiej kontrolować, ustawiając odpowiedni minimalny odstęp między przewodnikami na PCB. Drugi efekt również może być stłumiony poprzez odpowiednie rozmieszczenie ścieżek, jak również dobór materiałów i ogólną czystość w procesie obróbki. Wymagany odstęp potrzebny do zapobiegania tym efektom jest podsumowany jako funkcja napięcia między dwoma przewodnikami w standardzie IPC-2221.

Poniższy obraz pokazuje Tabelę 6-1 ze standardów IPC-2221. Te wartości wymieniają minimalny odstęp między przewodnikami jako funkcję napięcia między dwoma przewodnikami. Te wartości są określone w terminach albo szczytowego napięcia AC, albo DC między przewodnikami. Należy zauważyć, że IPC-2221 określa stałe minimalne wartości odstępu między przewodnikami tylko dla napięć do 500 V. Gdy napięcie między dwoma przewodnikami przekracza 500 V, wartości odstępu na wolt pokazane w tabeli poniżej są używane do obliczenia minimalnego odstępu między przewodnikami. Każdy wolt powyżej 500 V zwiększa wymagany minimalny odstęp o wartość pokazaną w dolnym wierszu tabeli.

Wzrost temperatury przy wysokim prądzie

Nie wszystkie PCB pracujące przy wysokim napięciu będą działać przy wysokim prądzie, ale te, które używają wysokiego prądu, mogą doświadczać wysokiego wzrostu temperatury, gdy przewodniki nie są wystarczająco duże. Wzrost temperatury na PCB występuje z powodu ogrzewania Joule'a, które jest związane z oporem stałoprądowym przewodnika. Dlatego przekrój przewodników przenoszących wysoki prąd powinien być duży, gdy prąd również jest duży.

Aby określić najlepszy przekrój, można użyć kalkulatorów opartych na danych opublikowanych w normach IPC-2221 i IPC-2152. Zestaw danych używany w kalkulatorze IPC-2152 jest bardziej skomplikowany, ale może dostarczyć dokładniejszych wyników niż kalkulator IPC-2221.

• Otwórz darmowy kalkulator online IPC-2221
• Dowiedz się więcej o różnicach między kalkulatorami IPC-2152 a IPC-2221

Standard IPC-9592B dotyczący urządzeń do konwersji mocy

Norma IPC-9592B określa wymagania dotyczące odstępów między przewodnikami specjalnie dla urządzeń do konwersji mocy. Te standardy są dość spójne, gdy są zestawiane obok wymaganego odstępu między przewodnikami określonego w IPC-2221. Poniższa tabela określa wymagania dotyczące odstępów zgodnie z IPC-9592B. Definiuje to minimalny wymagany odstęp ścieżek jako funkcję wartości szczytowych napięć; różnica polega na tym, że ten standard skaluje minimalne wartości odstępów między przewodnikami wraz z przyłożonym napięciem poniżej pokazanego w powyższej tabeli limitu 500 V.

Wymagania dotyczące odstępów między przewodnikami IPC-9592B dla urządzeń do konwersji mocy.

Jeśli poszukasz w internecie, znajdziesz kalkulatory, które są zaprogramowane z powyższymi wartościami. Po ustaleniu odpowiednich wartości odstępów, możesz zaprogramować je w swoich zasadach projektowania jako odległości obiekt-do-obiektu. Ponieważ zazwyczaj będziesz miał różne sieci działające przy różnych napięciach, możesz również zaprogramować te wartości w swoich zasadach projektowania na zasadzie sieć po sieci. Dzięki temu będziesz mógł ustawić niektóre sieci bliżej siebie, jeśli twój projekt stanie się bardzo gęsty.

IPC-9592 i IPC-2221B Kalkulator odstępów

Kalkulator poniżej dostarcza bezpieczne obliczenie odstępu na podstawie cytowanych powyżej standardów. Aby użyć tego kalkulatora, wprowadź napięcie robocze, przy którym będzie działać twoja płyta, a kalkulator zwróci wymagania dotyczące odstępu dla wewnętrznych, zewnętrznych i powlekanych ścieżek w układzie PCB. Kalkulator zwróci również wyniki zgodne z urządzeniami do konwersji mocy IPC-9592.

Wyniki IPC-2221B

Wyniki IPC-9592

Awaria przez migrację metalu

Migracja metalu to jeden z wielu mechanizmów awarii w projektach wysokiego napięcia z dużą gęstością przewodników. Gdy dwa przewodniki są podniesione do wysokiego potencjału, elektrochemiczny wzrost metalicznych dendrytów może wystąpić, gdy przewodniki zawierają resztki z rozpuszczalnymi w wodzie solami; poniżej pokazano obraz SEM wzrostu dendrytycznego między dwoma kulkami lutowniczymi.

Obraz SEM pokazujący ekstremalny wzrost dendrytyczny między dwoma kulkami lutowniczymi. Źródło obrazu.

Te metaliczne dendryty mogą spowodować zwarcie między dwoma punktami na PCB o wysokiej gęstości. Jest to tak naprawdę efekt pola elektrycznego, co wyjaśnia, dlaczego istnieje minimalny wymóg odstępu; zwiększenie odstępu między przewodnikami przy danej różnicy potencjałów zmniejsza pole między przewodnikami, co hamuje wzrost dendrytów.

Poza kalkulatorem IPC-2221

Należy zauważyć, że normy IPC-2221 są dobrowolne. Jednakże dla produktów objętych normami bezpieczeństwa, jak określono w kodeksach budowlanych i elektrycznych, wymagania dotyczące odległości izolacyjnych i prześwitów w odpowiednich normach UL lub IEC mogą stać się obowiązkowe. Jako przykład, odpowiedni zestaw wymagań bezpieczeństwa dotyczących produktów IT i telekomunikacyjnych z zasilaniem sieciowym AC i bateryjnym można znaleźć w normie IEC 62368-1 (zastąpiła ona normę IEC 60950-1). Dla odległości izolacyjnych, odstępy określone w IPC-2221B zależą od napięcia roboczego RMS, stopnia zanieczyszczenia (numerowanego od 1 do 3) oraz grupy materiałowej. Definicje dwóch ostatnich terminów można znaleźć w normach UL 62368-1. Niezależnie od tego, czy musisz przestrzegać norm IEC, IPC czy innych wymaganych standardów bezpieczeństwa, możesz określić wymagania dotyczące projektu jako zasady projektowania, gdy używasz odpowiedniego oprogramowania do projektowania PCB.

Aby zapobiec awarii między przewodnikami na jednej warstwie z powodu pełzania, wybór materiału jest równie ważny, jak odpowiednie rozmieszczenie przewodników. Zdolność materiału do oporu przed awarią jest podsumowana za pomocą metryki znanej jako indeks porównawczy śledzenia (CTI). Wartość CTI materiału laminatu PCB jest używana do ustalania limitów pełzania dla przewodników na powierzchni podłoża. Standard IEC-60112 definiuje wartości CTI tak, że substrat o wyższej klasie CTI może wytrzymać wyższe napięcie przed wystąpieniem przebicia dielektrycznego. Omówię ten punkt bardziej w nadchodzącym artykule na temat materiałów laminatu PCB wysokiego napięcia i jak je wybrać. Na razie zauważ tylko, że pełzanie i odstęp idą w parze, a określanie odstępu na podstawie odstępu jest dobrym punktem wyjścia w nowym projekcie.

Narzędzia CAD i funkcje trasowania w Altium Designer^® są oparte na zintegrowanym silniku projektowym sterowanym regułami, który automatycznie sprawdza układ podczas tworzenia płyty. Po ustaleniu wymagań dotyczących odstępu za pomocą kalkulatora IPC-2221, możesz zaprogramować swoje odstępy w regułach projektowych, aby zapewnić bezpieczeństwo i funkcjonalność płyty przy wysokim napięciu. Będziesz miał również dostęp do pełnego zestawu funkcji dokumentacji, które pomogą Ci przygotować się do produkcji i montażu.

Dotknęliśmy tylko powierzchni tego, co jest możliwe do zrobienia z Altium Designer na Altium 365. Zacznij swoją darmową wersję próbną Altium Designer + Altium 365 już dziś.