Espaçamento de Trilha e Pad de PCB: Baixa vs. Alta Tensão

Designs de alta tensão/corrente carregam requisitos de segurança que precisam ser atendidos pelos projetistas. Da mesma forma, designs de alta velocidade precisam ter o crosstalk suprimido para garantir a integridade do sinal. Os aspectos de design chave relacionados a ambas as áreas são os valores de distância de trilha e de distância de pad na sua PCB. Essas escolhas de design são críticas para equilibrar segurança, supressão de ruído e fabricabilidade.

Os padrões de tensão e espaçamento IPC 2221 fornecem orientações para prevenir ESD entre condutores, mas nem todas as placas precisarão atender a este padrão. Dependendo da distância da trilha da PCB em relação à tensão e frequência dos seus sinais (ou taxa de borda para sinais digitais), você pode precisar de um valor diferente para a sua distância de trilha da PCB. Aqui está como equilibrar esses dois aspectos do layout de distância da sua PCB enquanto também garante a fabricabilidade.

Baixa Tensão (<15 V)

Sob os padrões de tensão e espaçamento IPC 2221, as regras mínimas de distância da PCB (realmente, a distância entre quaisquer dois condutores) é de 0.1 mm para dispositivos de uso geral ou 4 mils. Para dispositivos de conversão de energia, essa distância mínima de trilha e espaçamento da PCB é de 0.13 mm, ou 5.1 mils. Essas placas dificilmente poderiam ser consideradas de "alta tensão" e o espaçamento dos condutores nessas placas começa a se aproximar do regime HDI.

Nestas voltagens, você pode estar trabalhando com sinais digitais, sinais analógicos de baixa frequência ou simplesmente CC em corrente moderada. Com sinais digitais, a regra típica é simplesmente seguir a regra "3W", onde o espaçamento entre trilhas é o triplo da largura da trilha. Para uma microstrip típica de impedância controlada de 50 Ohms, a largura da sua trilha será de ~20 mils, assim, o espaçamento recomendado entre trilhas de PCB é de 60 mils. Você ainda está bem dentro dos requisitos da IPC 2221 com essas trilhas, e seu foco principal deve ser o roteamento eficiente e o DFM. Mesmo no regime HDI, onde você pode precisar rotear entre pads de passo fino em um BGA, você não precisará se preocupar com esses requisitos de voltagem, pois geralmente está trabalhando com 3,3 V ou ~1 V.

Alta Tensão (>15 V)

Em alta tensão DC, a principal preocupação ao escolher um valor de distância de rastreamento de PCB é prevenir ESD e crescimento dendrítico entre condutores expostos. Com alta tensão AC, ou com um regulador de comutação que fornece alta corrente, agora você precisa se preocupar com crosstalk, bem como ESD e crescimento dendrítico. As diretrizes de supressão de crosstalk ainda especificam demais a distância ou espaçamento necessário entre condutores de tensão de PCB até que se atinjam tensões muito altas.

Para ver como você pode precisar encontrar um equilíbrio entre IPC 2221 e supressão de crosstalk, considere a seguinte situação hipotética. Suponha que você tenha um microstrip de impedância controlada (20 mil de largura) próximo a uma linha de alta tensão AC, ou próximo a trilhas que entram/saem de um regulador de DC de alta corrente. Se você seguir a regra “3W”, o espaçamento entre microstrips paralelos e a linha de alta tensão próxima deve ser de 1,5 mm, ou ~60 mils. Isso é mais do que suficiente para cumprir com o IPC 2221 até que o nível de alta tensão atinja 180 V para dispositivos de conversão de energia ou 340 V para outros produtos de alta tensão.

Em alta tensão, a preocupação não é tanto a taxa de transição digital, mas sim a frequência de uma linha AC de alta tensão. Qualquer sinal oscilante pode induzir um sinal de diafonia em uma trilha próxima se as trilhas estiverem próximas; este é um problema de ruído conhecido com reguladores DC de alta tensão e suas linhas de sinal a jusante. Em correntes de saída altas, tal diafonia pode induzir comutação não intencional em componentes digitais de alta velocidade. É melhor optar por um maior espaçamento entre uma linha AC de alta tensão e linhas DC ou digitais próximas.

Resumo

De modo geral, podemos definir as regras de espaçamento de trilhas de PCB e de folga de pads em três regimes diferentes baseados na tensão. Nas duas linhas inferiores, certifique-se de calcular o espaçamento de trilhas de PCB necessário usando o padrão IPC 2221 ao determinar em qual regime trabalhar. Note que, no artigo mencionado, o seu espaçamento de trilhas de PCB pode ser reduzido quando suas trilhas são revestidas ou colocadas em camadas internas.

Certifique-se de entender a diferença entre creepage e clearance no seu projeto. Além disso, verifique se suas trilhas serão largas o suficiente para transportar corrente suficiente sem se tornarem muito quentes. Isso pode ser verificado usando o nomograma IPC 2152.

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