Usando um Calculador de Espaçamento de PCB IPC-2221 para Design de Alta Tensão

Os padrões de design e montagem de PCBs não estão aí para limitar sua produtividade. Em vez disso, eles existem para ajudar a criar expectativas uniformes de designs de produtos e desempenho em várias indústrias. Com a padronização, vêm as ferramentas para conformidade, como calculadoras para certos aspectos do design, processos para auditoria e inspeção, e muito mais.

No design de PCBs de alta tensão, o padrão genérico importante para o design de PCB é o IPC-2221. Muitos aspectos importantes do design são resumidos neste padrão de design, alguns dos quais se resumem a fórmulas matemáticas simples. Para PCBs de alta tensão, um calculador IPC-2221 pode ajudá-lo a determinar rapidamente os requisitos de espaçamento apropriados entre elementos condutores em seu PCB, o que ajuda a garantir que sua próxima placa de alta tensão permaneça segura em sua tensão de operação. Quando seu software de design inclui essas especificações como regras de design automatizadas, você pode permanecer produtivo e evitar cometer erros de layout enquanto constrói sua placa.

O que é IPC-2221?

IPC-2221 (Revisão B efetiva em 2012) é um padrão da indústria geralmente aceito que define uma multiplicidade de aspectos de design de PCB. Alguns exemplos incluem requisitos de design sobre materiais (incluindo substratos e revestimentos), testabilidade, gerenciamento térmico e alívios térmicos, e anéis anulares, para citar alguns.

Algumas das diretrizes de design são superadas por padrões de design mais específicos. Por exemplo, o IPC-6012 e o IPC-6018 fornecem especificações de design para PCBs rígidos e PCBs de alta frequência, respectivamente. Esses padrões adicionais destinam-se a ser largamente consistentes com os padrões IPC-2221 para PCBs genéricos. No entanto, o IPC-2221 normalmente não é o padrão de qualificação usado para avaliar a confiabilidade do produto ou o rendimento/defeitos de fabricação. Para placas rígidas, o IPC-6012 ou o IPC-A-600 normalmente serão usados para qualificar PCBs rígidos fabricados.

IPC-2221B Espaçamento de Condutores em Design de Alta Tensão

Requisitos de design importantes para o design de PCB de alta tensão são especificados no padrão IPC-2221B. Um desses é os espaçamentos dos condutores, que visa abordar dois pontos:

• A possibilidade de corona ou ruptura dielétrica em alta intensidade de campo elétrico
• O potencial para filamento anódico condutivo, às vezes chamado crescimento dendrítico (veja abaixo)

O primeiro ponto é o mais importante, pois pode ser mais facilmente controlado definindo a distância mínima correta entre os condutores na PCB. O segundo efeito também pode ser suprimido com um espaçamento de trilhas apropriado, bem como seleção de material e limpeza geral no processamento. O espaçamento necessário para prevenir esses efeitos é resumido como uma função da tensão entre dois condutores no padrão IPC-2221.

A imagem abaixo mostra a Tabela 6-1 dos padrões IPC-2221. Esses valores listam o espaçamento mínimo do condutor como uma função da tensão entre os dois condutores. Esses valores são especificados em termos de tensão AC ou DC de pico entre os condutores. Note que o IPC-2221 só especifica valores fixos de espaçamento mínimo do condutor para tensões de até 500 V. Uma vez que a tensão entre dois condutores excede 500 V, os valores de folga por-volt mostrados na tabela abaixo são usados para calcular o espaçamento mínimo do condutor. Cada volt acima de 500 V adicionará ao folga mínima requerida a quantidade mostrada na última linha da tabela.

Aumento de Temperatura em Alta Corrente

Nem todas as PCBs de alta tensão operam em alta corrente, mas aquelas que utilizam alta corrente podem experimentar um aumento significativo de temperatura quando os condutores não são suficientemente grandes. O aumento da temperatura em uma PCB ocorre devido ao aquecimento Joule, que está relacionado à resistência DC de um condutor. Portanto, a área de seção transversal nos condutores que transportam alta corrente deve ser grande quando a corrente também é grande.

Para determinar a melhor área de seção transversal, podem ser utilizados calculadoras baseadas em dados publicados nas normas IPC-2221 e IPC-2152. O conjunto de dados usado em uma calculadora IPC-2152 é mais complexo, mas pode fornecer resultados mais precisos do que uma calculadora IPC-2221.

• Acesse uma calculadora online gratuita IPC-2221
• Conheça as diferenças entre as calculadoras IPC-2152 e IPC-2221

Norma IPC-9592B sobre Dispositivos de Conversão de Energia

A norma IPC-9592B fornece requisitos de espaçamento de condutores especificamente para dispositivos de conversão de energia. Esses padrões são bastante consistentes quando grafados ao lado do espaçamento de condutores exigido especificado no IPC-2221. A tabela abaixo especifica os requisitos de espaçamento sob o IPC-9592B. Isso define o espaçamento mínimo de trilha exigido como uma função dos valores de tensão de pico; a diferença é que este padrão escala os valores mínimos de espaçamento de condutores com a tensão aplicada abaixo do limite de 500 V mostrado na tabela acima.

Requisitos de espaçamento de condutores IPC-9592B para dispositivos de conversão de energia.

Se você procurar online, encontrará algumas calculadoras que já vêm programadas com os valores acima. Uma vez que você determinar os valores de espaçamento apropriados, você pode programá-los nas suas regras de design como distâncias de objeto para objeto. Como geralmente você terá diferentes redes operando em diferentes tensões, você também pode programar esses valores nas suas regras de design numa base de rede por rede. Você então será capaz de definir certas redes mais próximas umas das outras se o seu design se tornar muito denso.

IPC-9592 e IPC-2221B Calculadora de Distância de Segurança

A calculadora abaixo fornece um cálculo de distância de segurança baseado nos padrões citados acima. Para usar esta calculadora, insira a tensão de trabalho na qual sua placa operará, e a calculadora retornará os requisitos de distância para trilhas internas, externas e revestidas no layout da PCB. A calculadora também retornará resultados para dispositivos de conversão de energia compatíveis com IPC-9592.

Resultados IPC-2221B

Resultados IPC-9592

Falha por Migração de Metal

A migração de metal é um dos muitos mecanismos de falha em designs de alta tensão com alta densidade de condutores. Quando dois condutores são submetidos a um alto potencial, o crescimento eletroquímico de dendritos metálicos pode ocorrer quando os condutores contêm resíduos com sais solúveis em água; uma imagem SEM de crescimento dendrítico entre duas esferas de solda é mostrada abaixo.

Imagem SEM mostrando crescimento dendrítico extremo entre duas esferas de solda. Fonte da imagem.

Estes dendritos metálicos podem curto-circuitar dois pontos em uma PCB de alta densidade. Isso é, na verdade, um efeito de campo elétrico, o que explica por que existe um requisito de espaçamento mínimo; aumentar o espaçamento entre condutores para uma diferença de potencial dada reduz o campo entre os condutores, o que inibe o crescimento de dendritos.

Além de um Calculador IPC-2221

Observe que as normas IPC-2221 são voluntárias. No entanto, para produtos cobertos por normas de segurança conforme definido nos códigos de construção e elétricos, os requisitos de distância de escoamento e separação na norma UL ou IEC relevante podem se tornar obrigatórios. Como exemplo, o conjunto relevante de requisitos de segurança em produtos de TI e telecomunicações com alimentação de rede AC e bateria pode ser encontrado na norma IEC 62368-1 (esta substituiu a norma IEC 60950-1). Para distância de escoamento, o espaçamento especificado sob IPC-2221B depende da tensão de trabalho RMS, grau de poluição (numerado de 1 a 3) e grupo de material. As definições dos dois últimos termos podem ser encontradas nas normas UL 62368-1. Seja para cumprir com as normas IEC, IPC ou outras normas de segurança exigidas, você pode especificar seus requisitos de design como regras de design quando usa o software de design de PCB adequado.

Para prevenir avarias entre condutores ao longo de uma camada devido à rasteira, a seleção de materiais é tão importante quanto o espaçamento adequado entre condutores. A capacidade de um material para resistir a avarias é resumida usando uma métrica conhecida como índice de rastreamento comparativo (CTI). O valor CTI de um material laminado de PCB é usado para definir limites de rasteira para condutores na superfície de um substrato. A norma IEC-60112 define os valores de CTI de forma que um substrato de grau CTI maior pode suportar uma voltagem mais alta antes de sofrer uma avaria dielétrica. Discutirei este ponto mais em um artigo futuro sobre materiais laminados de PCB de alta voltagem e como selecioná-los. Por agora, apenas note que rasteira e distância de isolamento andam juntas, e determinar o espaçamento com base na distância de isolamento é um bom ponto de partida em um novo design.

As ferramentas CAD e recursos de roteamento no Altium Designer^® são construídos sobre um motor de design orientado por regras unificado que verifica automaticamente seu layout enquanto você cria sua placa. Depois de ter definido seus requisitos de distância de isolamento com um calculador IPC-2221, você pode programar suas distâncias de isolamento nas regras de design para garantir que sua placa permaneça segura e funcional em alta voltagem. Você também terá acesso a um conjunto completo de recursos de documentação que ajudam a preparar para a fabricação e montagem.

Apenas começamos a explorar o que é possível fazer com o Altium Designer no Altium 365. Comece seu teste gratuito do Altium Designer + Altium 365 hoje.