Дизайн печатных плат высокого напряжения: Расстояния утечки и зазоры для высокого напряжения

Изделия, работающие при высоком напряжении, могут испытывать множество путей к отказу, и некоторые из этих путей становятся проблемами безопасности для пользователей этих систем. Когда продукт подключается к высокому напряжению, он может иметь проблему с надежностью, приводящую к медленному отказу со временем, или к зрелищному отказу в результате диэлектрического пробоя. Независимо от того, какой режим отказа вы хотите предотвратить, обе категории режимов отказа решаются путем обеспечения двух типов расстояний между проводящими элементами: зазора и дорожки утечки.

Зазор и дорожка утечки - это оба ограничения на расстояние между проводниками на печатной плате. Требуемое расстояние определяется в соответствии с отраслевыми стандартами, такими как IPC или IEC, и некоторые из них можно определить с помощью простого калькулятора. Два основных отказа, которые мы хотим предотвратить, обеспечивая зазор и дорожку утечки, это:

• Диэлектрический пробой
• Кондуктивная анодная филяция (CAF)

Давайте погрузимся и рассмотрим эти факторы в дизайне печатных плат для высокого напряжения.

Когда безопасность требует конкретных правил расстояния?

Не каждый дизайн печатной платы имеет такие же строгие правила по расстоянию, какие необходимы для печатной платы высокого напряжения. В общем, стандарты IPC для устройств преобразования мощности или устройств переменного тока начинают указывать значения зазоров для внутренних и внешних проводников, когда разница напряжений между проводниками начинает превышать 15 В (постоянного или пикового переменного тока). В таких случаях вы должны установить правило расстояния между этими сетями в вашем дизайне. По мере увеличения разницы напряжений между проводниками требуемое расстояние (как внутреннее, так и внешнее) также увеличивается. Точное требование к расстоянию зависит от стандарта, регулирующего конечный продукт.

Расстояние имеет большее значение в правилах дизайна печатных плат высокого напряжения, потому что разность потенциалов между проводящими элементами на плате может создать дугу, если напряжение между проводниками превышает напряжение пробоя для диэлектрика, разделяющего дорожки. Любая возникшая дуга представляет значительно больший риск как для продукта, так и для ваших пользователей. Чтобы помочь снизить этот риск, существуют стандарты для двух основных измерений расстояния в вашем дизайне печатной платы: зазор и расстояние утечки.

Когда напряжение между двумя точками превышает напряжение пробоя, может произойти дуговой разряд, повреждающий ваш продукт и создающий опасность для пользователей. Расстояние на вашей плате является критическим параметром дизайна для предотвращения дугового разряда.

Другой фактор, влияющий на надежность, это CAF (и электромиграция в целом). Поскольку печатные платы изготавливаются на органических подложках с некоторым содержанием соли и влаги, высокие электрические поля между проводниками могут привести к росту CAF через электрохимически индуцированную реакцию. Это может произойти при гораздо более низких напряжениях, чем те, которые требуются для вызова диэлектрического пробоя.

Промежуток просачивания против зазора

Оба эти термина используются для определения расстояний между проводниками в компоновке печатной платы и указаны в стандартах безопасности. Промежуток просачивания и зазор определяются как расстояние между двумя соседними проводниками, хотя они определяются двумя разными способами.

Что такое зазор на печатной плате?

Правила компоновки печатной платы для зазора варьируются в зависимости от того, наружные или внутренние проводники, каково напряжение между проводниками и какие окружающие условия среды (высота над уровнем моря и применение конформного покрытия). Влияние окружающей среды довольно значительно. Чаще всего влажность изменяет пробивное напряжение воздуха и влияет на вероятность возникновения дуги. Пыль является другим фактором, поскольку частицы, оседающие на поверхности печатной платы, могут со временем образовывать трек, сокращая расстояние между проводниками.

• Используйте наш калькулятор зазора IPC-2221 для дизайна печатных плат высокого напряжения

Что такое промежуток просачивания на печатной плате?

Аналогично зазору, расстояние утечки между проводниками на печатной плате для высокого напряжения измеряется несколько иначе. Вместо измерения расстояния в воздухе, оно измеряет кратчайшее расстояние вдоль поверхности изоляционного материала. Материал платы и окружающая среда также влияют на требования к расстоянию утечки. Влага или накопление частиц на плате могут уменьшить расстояние утечки так же, как они влияют на зазор.

Когда у вас плотно упакованная печатная плата, соответствие требованиям по расстоянию утечки может быть сложной задачей. Поскольку перемещение дорожек редко является первым выбором, существует несколько других способов увеличения поверхностного расстояния в вашем дизайне. Добавление либо прорези между дорожками, либо вертикального барьера изоляции может значительно увеличить расстояние утечки без изменения размещения дорожек на плате.

Расстояние утечки против зазора на печатной плате. Красная линия показывает расстояние утечки между двумя дорожками.

Если эта схема выглядит немного странно, рассмотрите ниже показанную компоновку печатной платы блока питания. Эта компоновка блока питания была изменена из моего проекта модуля преобразователя обратного хода; в этом изолированном блоке питания я добавил прорез в области между двумя сторонами трансформатора.

Рассмотрим контакты 4 и 5 и T1; расстояние между контактами 4 и 5 является прямым расстоянием между ними и всегда будет одинаковым независимо от выреза. Однако расстояние утечки измеряется вдоль поверхности печатной платы, поэтому оно должно включать нижнюю кривизну выреза платы в общее расстояние между этими контактами. В изолированном источнике питания (или любой изолированной системе) это является стандартной техникой для увеличения расстояния утечки.

Учитывайте индекс сравнительной следовой прочности (CTI) вашего материала

После рабочего напряжения наиболее значимым фактором в требованиях к зазору и расстоянию утечки для печатной платы являются свойства материала вашей ПП. Электрическая изоляция материала указывается «индексом сравнительной следовой прочности» или значением CTI. CTI выражается в вольтах и определяется стандартизированным тестом, измеряющим момент разрушения поверхности материала.

Существует шесть категорий от 0 до 5 на основе значения разрушения материала. Обязательные уровни изоляции для продуктов основаны на этих категориях CTI. Категория 5 является самой низкой, со значениями менее 100 В. С разрушениями 600+ В, категория 0 имеет наиболее надежные и часто дорогие варианты материалов.

• Узнайте больше о значениях CTI для материалов высоковольтных печатных плат

Материалы изоляторов печатных плат имеют различные напряжения пробоя и соответствующие категории безопасности для применения в продуктах.

Соответствующие стандарты

IPC-2221 и IPC-9592

Первый важный стандарт по напряжению для зазоров на печатных платах - это IPC-2221, который является общим стандартом для руководства по утечке и зазору на печатных платах. Этот стандарт содержит множество требований к качеству материалов, их прослеживаемости, рекомендации по компоновке для обеспечения качества и многое другое. Вы также можете использовать калькулятор зазора для высокого напряжения, основанный на стандартах IPC-2221, чтобы определить минимальное расстояние, которое вы должны использовать для вашей печатной платы. Стандарт расстояния определяется следующим:

• Внутренние против внешних проводников
• Наличие конформного покрытия (например, маски для пайки)
• Высота
• Вывод компонента против медной площадки

Связанный стандарт, который применяется к преобразователям мощности для ИТ и компьютерного оборудования, - это IPC-9592. Стандарт определяет требования к расстоянию на основе напряжения, которые более консервативны, чем IPC-2221, особенно для линий высокого напряжения на внутренних слоях. Стандарт не делает различий между внутренними и внешними слоями, высотой или наличием конформного покрытия. IPC-9592 определяет "устройства преобразования мощности" как любой модуль AC/DC или DC/DC, преобразователь или PCBA с разницей напряжений между проводниками ниже 500 В (DC или пиковое AC).

IEC-60950-1 (2-е издание)

Второй важный стандарт - IEC-60950-1 (2-е издание). Версия IEC - это стандарт, который вы хотите изучить для любых ИТ-продуктов с питанием от сети переменного тока или от аккумулятора, особенно если вы хотите продавать эти продукты на международном уровне. Эти стандарты определяют требования безопасности ко всему, от офисных шредеров до телекоммуникационного оборудования.

Поскольку последствия неправильного расстояния варьируются от юридического несоответствия до серьезных травм и уничтожения важного оборудования, очень важно ознакомиться со всеми стандартами, которые актуальны для вашего проекта. К тому же, это помогает предотвратить случаи, когда студенты могут случайно поразить себя током.

Инструменты CAD и функции трассировки в Altium Designer^® построены на основе единой, управляемой правилами системы проектирования, которая автоматически проверяет вашу плату в процессе создания. После того, как вы определите требования к зазорам с помощью калькулятора IPC-2221, вы можете запрограммировать ваши зазоры в правила проектирования, чтобы обеспечить безопасность и функциональность вашей платы при высоком напряжении. Вам также будет доступен полный набор функций документации, которые помогут вам подготовиться к производству и сборке.

Мы только коснулись поверхности того, что возможно сделать с Altium Designer на Altium 365. Начните вашу бесплатную пробную версию Altium Designer + Altium 365 сегодня.