Проектирование устройств высокого напряжения с помощью калькулятора зазора PCB по стандарту IPC-2221

Стандарты проектирования и сборки печатных плат существуют не для того, чтобы создавать вам трудности, а чтобы получать единообразные продукты, от которых можно ожидать одинаковой работы в разных отраслях. В целях стандартизации были созданы инструменты обеспечения соответствия, включая калькуляторы для определенных компонентов проекта, процедуры контроля и аудита и многое другое.

Важным общим стандартом проектирования печатных плат (PCB) высокого напряжения является IPC-2221. В этом стандарте описаны многие важные аспекты проектирования, некоторые из которых сводятся к простым математическим формулам. Калькулятор стандарта IPC-2221 поможет быстро определить требования к расстоянию между токопроводящими элементами PCB с высоким напряжением и обеспечить безопасность создаваемой платы при рабочем напряжении. Если задать эти спецификации в виде автоматических правил в программном обеспечении, используемом для проектирования, то вы сможете работать, не отвлекаясь и не совершая ошибок при разводке платы.

Что такое IPC-2221?

IPC-2221 (редакция B, действующая с 2012 года) является общепринятым отраслевым стандартом, который описывает разнообразные аспекты проектирования печатных плат, например требования к материалам (включая подложки и покрытие), контролепригодности, терморегулированию и тепловой разгрузке, а также контактным кольцам и многому другому.

Какие-то из его рекомендаций заменяются другими, более конкретными стандартами проектирования. Например, стандарты IPC-6012 и IPC-6018 содержат спецификации проектирования соответственно жестких и высокочастотных печатных плат. Эти дополнительные стандарты в основном не противоречат стандартам IPC-2221 для обычных PCB. Однако IPC-2221 обычно не является квалификационным стандартом, используемым для оценки надежности продукции или показателей/дефектов производства. Для квалификационного тестирования производимых жестких печатных плат обычно используется IPC-6012 или IPC-A-600.

Расстояние между проводниками устройств высокого напряжения по стандарту IPC-2221B

В стандарте IPC-2221B изложены важные требования к проектированию печатных плат с высоким напряжением. Одним из этих требований является зазор между проводниками, который решает две проблемы.

• Возможность возникновения коронного разряда или диэлектрического пробоя при высокой напряженности электрического поля.
• Возможность образования проводящих анодных нитей, иногда называемого дендритным ростом (см. ниже).

Первый пункт наиболее важен, так как его легче всего контролировать, задав подходящий минимальный зазор между проводниками в плате. Второй эффект также можно купировать должным расстоянием между каналами, а также выбором материала и общей чистотой обработки. Необходимое расстояние для предотвращения этих эффектов сводится в стандарте IPC-2221 к функции напряжения между двумя проводниками. 

Ниже показана таблица 6-1 из стандарта IPC-2221. Приведенные значения указывают минимальное расстояние между проводниками в зависимости от пикового напряжения постоянного или переменного тока между ними. Обратите внимание, что IPC-2221 устанавливает фиксированные значения минимального расстояния между проводниками только для напряжений до 500 В. Если напряжение превышает 500 В, то для расчета расстояния используются значения зазора на вольт, которые приведены в таблице. Каждый вольт выше 500 В увеличивает требуемый минимальный зазор на величину, указанную в нижней строке.

Повышение температуры при высоком токе

Не все печатные платы с высоким напряжением будут работать при высоком токе, но на тех, которые используют высокий ток, возможен значительный рост температуры, если проводники недостаточно крупные. Повышение температуры печатной платы происходит из-за джоулевого нагрева, который связан с сопротивлением проводника постоянному току. Из-за этого площадь поперечного сечения в проводниках с большим током тоже должна быть большой, соразмерно величине тока.

Для определения оптимальной площади поперечного сечения можно использовать калькуляторы на основе данных, опубликованных в стандартах IPC-2221 и IPC-2152. Набор данных, используемый в калькуляторе стандарта IPC-2152, более сложный, но он может давать более точные результаты, чем калькулятор IPC-2221.

• Воспользуйтесь бесплатным калькулятором IPC-2221 в Интернете
• Узнайте о различиях между калькуляторами IPC-2152 и IPC-2221

Стандарт IPC-9592B для силовых преобразовательных устройств

Стандарт IPC-9592B устанавливает требования к расстоянию между проводниками конкретно на силовых преобразовательных устройствах. При сопоставлении с требованиями IPC-2221 можно увидеть, что эти стандарты вполне согласованы. В таблице ниже приведены требования к расстояниям в соответствии с IPC-9592B. Они показывают минимально необходимое расстояние между каналами в зависимости от пиковых значений напряжения. Отличие данного стандарта в том, что расстояния при напряжении ниже лимита в 500 В из предыдущей таблицы указаны в виде формул с определенным шагом.

Требования IPC-9592B к расстоянию между проводниками для силовых преобразовательных устройств.

Если поискать в Интернете, можно найти калькуляторы, в которых уже запрограммированы вышеуказанные значения. Определив подходящие расстояния, вы можете запрограммировать их в виде правил для зазора между объектами в своем проекте. Поскольку у вас могут быть разные контуры с разными напряжениями, можно запрограммировать правила проектирования со значениями для каждого из них. В этом случае вы сможете располагать некоторые контуры ближе друг к другу при плотной разводке.

Калькулятор зазора по стандартам IPC-9592 и IPC-2221B

Доступный ниже калькулятор подсчитывает безопасный зазор на основе вышеприведенных стандартов. Введите рабочее напряжение своей платы, и он рассчитает требуемый зазор для внутренних и внешних каналов, а также каналов с покрытием в разводке PCB. Калькулятор также выдает результаты для силовых преобразовательных устройств по стандарту IPC-9592.

Результаты по IPC-2221B

Результаты по IPC-9592

Дефекты электромиграции

Электромиграция — один из многих механизмов образования дефектов в платах с высоким напряжением и плотным расположением проводников. Когда два проводника доведены до высокого потенциала, может произойти электрохимический рост металлических дендритов, если проводники содержат осадки с водорастворимыми солями. Ниже показано изображение дендритного роста между двумя каплями припоя, полученное на растровом электронном микроскопе.

Изображение с растрового электронного микроскопа, показывающее значительный дендритный рост между двумя каплями припоя. Источник изображения.

Эти металлические дендриты могут закоротить две точки на плате с высокой плотностью элементов. Это на самом деле является эффектом электрического поля, и именно поэтому существует требование к минимальному расстоянию между проводниками. Увеличение расстояния при определенной разности потенциалов уменьшает поле между проводниками, что тормозит рост дендритов.

Что есть помимо калькулятора IPC-2221?

Обратите внимание, что соблюдение стандарта IPC-2221 является добровольным. Однако если для изделий действуют строительные и электротехнические нормы и правила безопасности, то может потребоваться обязательное соблюдение стандартов UL или IEC в отношении утечек и зазоров. Например, соответствующий набор требований безопасности для ИТ- и телекоммуникационных изделий с питанием от сети переменного тока и аккумуляторов можно найти в стандарте IEC 62368-1 (заменившем стандарт IEC 60950-1). В отношении тока утечки расстояние, указанное в IPC-2221B, зависит от среднеквадратического значения рабочего напряжения, степени загрязнения (уровни от 1 до 3) и группы материалов. Определения последних двух терминов можно найти в стандартах UL 62368-1. Если вам необходимо выполнять требования IEC, IPC или других стандартов безопасности, вы можете задать соответствующие правила в подходящем программном обеспечении для проектирования печатных плат.

Чтобы предотвратить пробой между проводниками вдоль слоя из-за утечки, выбор материала так же важен, как и правильное расстояние между проводниками. Способность материала противодействовать пробою оценивается с помощью так называемого показателя стойкости к пробою (Comparative Tracking Index, «сравнительный индекс трекингостойкости», CTI). Значение CTI для слоистого материала печатной платы указывает пределы утечки для проводников по поверхности подложки. Стандарт IEC-60112 определяет значения CTI таким образом, что подложка с более высоким классом CTI может выдерживать более высокое напряжение, прежде чем произойдет пробой диэлектрика. Я расскажу об этом более подробно в следующей статье о высоковольтных слоистых материалах PCB и о том, как они выбираются. А пока просто отметьте, что утечка и зазор идут рука об руку и лучше всего начинать проектирование именно с определения правильных расстояний.

В основе инструментов САПР и функций маршрутизации Altium Designer^® лежит унифицированный механизм проектирования на базе правил, который автоматически проверяет вашу разводку по мере создания платы. Определив требования к зазору с помощью калькулятора IPC-2221, вы можете запрограммировать зазоры в правилах проектирования, чтобы обеспечить безопасную работу платы при высоком напряжении. Вам также будет доступен полный набор функций документирования, который поможет подготовиться к изготовлению и сборке.

Мы лишь поверхностно рассмотрели некоторые возможности Altium Designer на Altium 365. Начните использование бесплатной пробной версии Altium Designer + Altium 365 сегодня .