Design de PCB de Alta Tensão: Distâncias de Rastreamento e Espaçamento para Alta Tensão

Os produtos de alta voltagem podem experimentar múltiplos caminhos para falhas, e alguns desses caminhos se tornam problemas de segurança para os usuários desses sistemas. Quando um produto é energizado até alta voltagem, pode ter um problema de confiabilidade resultando em uma falha lenta ao longo do tempo, ou uma falha espetacular resultante de ruptura dielétrica. Não importa qual modo de falha você quer prevenir, ambas as categorias de modos de falha são abordadas por meio da imposição de dois tipos de espaçamento entre elementos condutores: folga e contaminação.

A folga e a contaminação são ambas limitações no espaçamento dos condutores em uma placa de circuito impresso (PCB). O espaçamento necessário é encontrado em normas da indústria, como IPC ou IEC, e alguns desses podem ser determinados usando uma calculadora simples. As duas falhas principais que queremos prevenir impondo folga e contaminação são:

• Ruptura dielétrica
• Filamentação anódica condutiva (CAF)

Vamos analisar esses fatores no design de PCBs de alta voltagem.

Quando a segurança exige regras específicas de espaçamento?

Nem todo design de PCB tem as mesmas regras rigorosas de espaçamento que um design de PCB de alta voltagem precisa. Em geral, as normas IPC para dispositivos de conversão de energia ou dispositivos de energia AC começam a especificar valores de folga para condutores internos e externos quando a diferença de voltagem entre os condutores começa a exceder 15 V (DC ou AC de pico). Você deve definir uma regra de espaçamento entre essas redes em seu design nesses casos. À medida que a diferença de voltagem entre os condutores aumenta, o espaçamento necessário (tanto interno quanto externo) também aumenta. O requisito exato de espaçamento depende da norma que governa o produto final.

O espaçamento é mais importante nas regras de design de PCB de alta voltagem porque uma diferença de potencial entre elementos condutores em uma placa pode criar um arco se a voltagem entre os condutores exceder a voltagem de ruptura para o dielétrico que separa as trilhas. Qualquer arco que ocorrer representa um risco significativamente maior tanto para o produto quanto para seus usuários. Para ajudar a mitigar esse risco, existem normas para duas medições principais de espaçamento em seu design de PCB: folga e distância de contaminação.

Quando a voltagem entre dois pontos supera a voltagem de ruptura, o arco pode ocorrer, danificando seu produto e criando um risco de segurança para os usuários. O espaçamento na sua placa é um parâmetro crítico de design para prevenir arcos.

O outro fator que afeta a confiabilidade é o CAF (e a eletromigração em geral). Como as PCBs são construídas em substratos orgânicos com algum conteúdo de sal e umidade, campos elétricos elevados entre condutores podem levar ao crescimento de CAF por meio de uma reação induzida eletroquimicamente. Isso pode ocorrer a voltagens muito mais baixas do que as necessárias para causar ruptura dielétrica.

Contaminação vs. Folga

Ambos os termos são usados para definir distâncias entre condutores em um layout de PCB e são especificados em normas de segurança. Contaminação e folga são definidas como o espaçamento entre dois condutores vizinhos, embora sejam definidas de maneiras diferentes.

O que é Folga em uma PCB?

As regras de layout de PCB para folga variam dependendo de os condutores serem externos ou internos, qual é a diferença de voltagem entre os condutores, e quais são as condições ambientais ao redor (altitude, e aplicação de um revestimento conformal). Os efeitos ambientais são bastante significativos. Comumente, a umidade altera a voltagem de ruptura do ar e afeta a probabilidade de arcos. O pó é outro fator, já que partículas que se acumulam na superfície da PCB podem formar uma trilha com o tempo, encurtando a distância entre os condutores.

• Use nossa calculadora IPC-2221 para folga no design de PCB de alta voltagem

O que é Contaminação em uma PCB?

Semelhante à folga, contaminação mede a distância entre condutores para PCB de alta voltagem. No entanto, em vez de medir a distância no ar, ela mede a distância mais curta ao longo da superfície do material isolante. O material da placa e o ambiente também afetam os requisitos de contaminação. A umidade ou o acúmulo de partículas na placa podem encurtar a distância de contaminação da mesma forma que fazem com a folga.

Quando você tem um design de placa de circuito impresso de alta densidade, a distância de fuga pode ser um requisito difícil de atender. Como mover as trilhas raramente é a primeira escolha, existem alguns outros truques para aumentar a distância de superfície no seu design. Adicionar uma ranhura entre as trilhas ou uma barreira vertical de isolamento pode aumentar significativamente a distância de fuga sem alterar o layout das trilhas na placa.

Distância de fuga vs. distância de folga em uma PCB. A linha vermelha mostra a distância de fuga entre duas trilhas na PCB.

Se isso parecer um pouco estranho, considere o layout da placa de circuito impresso da fonte de alimentação mostrado abaixo. Esse layout de fonte de alimentação foi modificado do meu projeto de módulo conversor flyback; nesta fonte de alimentação isolada, adicionei uma ranhura na região entre os dois lados do transformador.

Considere os pinos 4 e 5 e o T1; a distância de folga entre os pinos 4 e 5 é a distância direta entre eles e sempre será a mesma, independentemente do recorte. No entanto, a distância de fuga é medida ao longo da superfície da PCB, então ela deve incluir a curvatura inferior do recorte da placa na distância total entre esses pinos. Em uma fonte de alimentação isolada (ou qualquer sistema isolado), essa é uma técnica padrão para aumentar a distância de fuga.

Considere o Índice de Rastreamento Comparativo (CTI) do Seu Material

Após a tensão de operação, o fator mais significativo nos requisitos de folga e distância de fuga para uma placa de circuito impresso vem das propriedades do material da sua PCB. O isolamento elétrico do material é indicado por um valor de “Índice de Rastreamento Comparativo” ou valor CTI. O CTI é expresso como uma tensão e é determinado por um teste padronizado que mede quando a superfície do material se degrada.

Existem seis categorias de 0 a 5, baseadas no valor de degradação do material. Os níveis obrigatórios de isolamento para produtos são baseados nessas categorias de CTI. A Categoria 5 é a mais baixa, com valores inferiores a 100 V. Com quebras de 600+ V, a Categoria 0 tem as opções de material mais robustas e, muitas vezes, caras.

• Saiba mais sobre os valores de CTI para materiais de PCB de alta tensão

Os materiais isolantes de PCB têm diferentes tensões de degradação e categorias de segurança correspondentes para aplicações de produtos.

Normas Relevantes

IPC-2221 e IPC-9592

A primeira norma importante baseada em tensão para folga em PCB é a IPC-2221, que é a norma genérica para orientação sobre distância de fuga e folga em PCBs. Esta norma está cheia de requisitos sobre qualidade de material, rastreabilidade, diretrizes de layout para garantir a qualidade e muito mais. Você também pode usar uma calculadora de folga de alta tensão baseada nas normas IPC-2221 para determinar o espaçamento mínimo que você deve usar para sua PCB. O padrão de espaçamento é delineado pelo seguinte:

• Condutores internos vs. externos
• Presença de um revestimento conformal (como uma máscara de solda)
• Altitude
• Pino de componente vs. pad de cobre

Uma norma relacionada que se aplica a conversores de energia para equipamentos de TI e computadores é a IPC-9592. A norma especifica um requisito de espaçamento baseado em tensão que é mais conservador do que a IPC-2221, especialmente para linhas de alta tensão em camadas internas. A norma não faz distinção entre camadas internas e externas, altitude ou a presença de um revestimento conformal. A IPC-9592 define “dispositivos de conversão de energia” como qualquer módulo AC/DC ou DC/DC, conversor ou PCBA com diferenças de tensão aplicadas entre condutores abaixo de 500 V (DC ou pico de AC).

IEC-60950-1 (2ª edição)

A segunda norma importante é a IEC-60950-1 (2ª edição). A versão IEC é a norma que você deve consultar para qualquer produto de TI com alimentação de rede AC ou bateria, especialmente se você quiser vender esses produtos internacionalmente. Essas normas especificam requisitos de segurança para tudo, desde trituradores de escritório até equipamentos de telecomunicações.

Como as consequências de espaçamento incorreto variam de não conformidade legal a lesões graves e destruição de equipamentos importantes, vale muito a pena dedicar tempo para se familiarizar com as normas relevantes para o seu design. Além disso, isso impede que os alunos se machuquem.

As ferramentas CAD e os recursos de roteamento no Altium Designer^® são construídos sobre um mecanismo de design unificado baseado em regras que verifica automaticamente seu layout à medida que você cria sua placa. Depois de definir seus requisitos de folga com uma calculadora IPC-2221, você pode programar suas folgas nas regras de design para garantir que sua placa permaneça segura e funcional em alta tensão. Você também terá acesso a um conjunto completo de recursos de documentação que o ajudam a se preparar para fabricação e montagem.

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