Клиренс дорожек и площадок печатной платы: низкое против высокого напряжения

Конструкции с высоким напряжением/высоким током требуют соблюдения определенных мер безопасности, которые должны быть выполнены конструкторами. Аналогично, конструкции с высокой скоростью должны иметь подавленные перекрестные помехи для обеспечения целостности сигнала. Ключевые аспекты проектирования, относящиеся к обеим областям, это расстояние между дорожками печатной платы и расстояние между площадками. Эти проектные решения критически важны для обеспечения безопасности, подавления шумов и производственной пригодности.

Стандарты IPC 2221 по напряжению и расстоянию предоставляют рекомендации по предотвращению электростатического разряда между проводниками, но не все платы должны соответствовать этому стандарту. В зависимости от напряжения и частоты сигналов на дорожках печатной платы (или скорости фронта для цифровых сигналов) вам может потребоваться другое значение для расстояния между дорожками печатной платы. Вот как сбалансировать эти два аспекта расстояния в конструкции печатной платы, обеспечивая при этом производственную пригодность.

Низкое напряжение (<15 В)

Согласно стандартам IPC 2221 по напряжению и расстоянию, минимальные правила расстояния на печатной плате (на самом деле, расстояние между любыми двумя проводниками) составляют 0.1 мм для устройств общего назначения или 4 mils. Для устройств преобразования мощности это минимальное расстояние и промежуток между дорожками печатной платы составляет 0.13 мм или 5.1 mils. Эти платы вряд ли можно считать «высоковольтными», и расстояние между проводниками на этих платах начинает приближаться к режиму HDI.

На этих напряжениях вы можете работать с цифровыми сигналами, аналоговыми сигналами низкой частоты или просто с постоянным током при умеренном токе. В случае с цифровыми сигналами типичное правило - следовать правилу "3W", где расстояние между дорожками в три раза превышает ширину дорожки. Для типичной микрополосы с контролируемым импедансом 50 Ом ширина вашей дорожки будет ~20 mils, таким образом, рекомендуемое расстояние между дорожками на печатной плате составляет 60 mils. Вы все еще полностью соответствуете требованиям IPC 2221 с этими дорожками, и ваш основной фокус должен быть на эффективной трассировке и DFM. Даже в режиме HDI, где вам может потребоваться проложить трассы между контактными площадками с мелким шагом в BGA, вам не нужно будет беспокоиться об этих требованиях к напряжению, поскольку вы обычно работаете на 3,3 В или ~1 В.

Высокое напряжение (>15 В)

При высоком постоянном напряжении основной задачей при выборе значения зазора дорожки печатной платы является предотвращение ЭСР (электростатических разрядов) и дендритного роста между открытыми проводниками. С высоким переменным напряжением или с регулятором переключения, выдающим высокий ток, вам теперь нужно беспокоиться о перекрестных помехах, а также об ЭСР и дендритном росте. Руководства по подавлению перекрестных помех все еще слишком завышают требуемое значение зазора напряжения печатной платы или расстояние между проводниками, пока вы не достигнете очень высоких напряжений.

Чтобы понять, как вам может потребоваться найти баланс между IPC 2221 и подавлением перекрестных помех, рассмотрим следующую гипотетическую ситуацию. Предположим, у вас есть микрополоска с контролируемым импедансом (шириной 20 mil) рядом с линией высокого переменного напряжения или рядом с дорожками, идущими на вход/выход высокотокового регулятора постоянного тока. Если вы следуете правилу "3W", расстояние между параллельными микрополосками и близлежащей линией высокого напряжения должно составлять 1,5 мм или ~60 mils. Этого более чем достаточно, чтобы соответствовать IPC 2221 до тех пор, пока уровень высокого напряжения не достигнет 180 В для устройств преобразования мощности или 340 В для других высоковольтных продуктов.

При высоком напряжении проблема заключается не столько в скорости переключения цифровых сигналов, сколько в частоте высоковольтной переменной линии. Любой колеблющийся сигнал может вызвать наводку в близлежащем проводнике, если проводники расположены близко друг к другу; это известная проблема шума с высоковольтными постоянными регуляторами и их последующими сигнальными линиями. При высоких выходных токах такая наводка может вызвать непреднамеренное переключение в компонентах цифровой высокоскоростной электроники. Лучше всего предусмотреть большее расстояние между высоковольтной линией переменного тока и близлежащими линиями постоянного тока или цифровыми линиями.

Вывод

В общем, мы можем определить правила расстояния между дорожками печатной платы и зазоров для контактных площадок в три различных режима на основе напряжения. В двух нижних строках обязательно рассчитайте необходимое расстояние между дорожками печатной платы, используя стандарт IPC 2221, когда определяете, в каком режиме работать. Обратите внимание, что, как указано в упомянутой статье, расстояние между вашими дорожками может быть уменьшено, если ваши дорожки покрыты или расположены на внутренних слоях.

Убедитесь, что вы понимаете разницу между утечкой и зазором в вашем проекте. Также убедитесь, что ваши дорожки будут достаточно широкими, чтобы пропускать необходимый ток без перегрева. Это можно проверить с помощью номограммы IPC 2152.

Как только вы определите оптимальные зазоры для дорожек и площадок на вашей плате, вам нужно будет закодировать эти значения как правила проектирования в вашем программном обеспечении для электронного проектирования. Единая проектировочная система в Altium Designer® позволяет вам определить необходимые правила зазоров для печатной платы (как для дорожек, так и для площадок) и значения, и эти правила проектирования мгновенно проверяются в процессе трассировки вашей платы. Это делает Altium Designer идеальным приложением для задач проектирования на низком и высоком напряжении, а также для проектов высокоскоростных и высокочастотных устройств.

Теперь вы можете скачать бесплатную пробную версию Altium Designer и узнать больше о лучших в отрасли инструментах для разработки планирования, симуляции и производства. Поговорите с экспертом Altium сегодня, чтобы узнать больше.