Thiết kế PCB Điện Áp Cao: Khoảng Cách Creepage và Clearance cho Điện Áp Cao

Sản phẩm điện áp cao có thể gặp phải nhiều con đường dẫn đến hỏng hóc, và một số con đường này trở thành vấn đề an toàn cho người sử dụng các hệ thống này. Khi một sản phẩm được nạp điện lên đến điện áp cao, nó có thể gặp phải vấn đề đáng tin cậy dẫn đến hỏng hóc chậm theo thời gian, hoặc một sự cố ngoạn mục xảy ra do sự đánh thủng điện môi. Dù bạn muốn ngăn chặn chế độ hỏng hóc nào, cả hai loại chế độ hỏng hóc đều được giải quyết bằng cách thực thi hai loại khoảng cách giữa các yếu tố dẫn điện: khoảng cách và đường đi rò.

Khoảng cách và đường đi rò đều là những hạn chế về khoảng cách giữa các dẫn điện trên một PCB. Khoảng cách yêu cầu được tìm thấy trong các tiêu chuẩn ngành như IPC hoặc IEC, và một số trong số này có thể được xác định bằng cách sử dụng một máy tính đơn giản. Hai lỗi chính mà chúng ta muốn ngăn chặn bằng cách thực thi khoảng cách và đường đi rò là:

• Sự đánh thủng điện môi
• Sự hình thành sợi anodic dẫn điện (CAF)

Hãy cùng nhau tìm hiểu những yếu tố này trong thiết kế PCB điện áp cao.

Khi nào An toàn Yêu cầu Quy tắc Khoảng cách Cụ thể?

Không phải thiết kế PCB nào cũng có những quy tắc nghiêm ngặt về khoảng cách như thiết kế PCB chịu điện áp cao. Nói chung, các tiêu chuẩn IPC đối với thiết bị chuyển đổi nguồn điện hoặc thiết bị điện AC bắt đầu quy định giá trị khoảng cách cho các dẫn điện bên trong và bên ngoài khi sự chênh lệch điện áp giữa các dẫn điện bắt đầu vượt quá 15 V (DC hoặc AC đỉnh). Bạn nên thiết lập một quy tắc khoảng cách giữa các mạng lưới này trong thiết kế của mình trong những trường hợp này. Khi sự chênh lệch điện áp giữa các dẫn điện càng lớn, khoảng cách yêu cầu (cả bên trong và bên ngoài) cũng trở nên lớn hơn. Yêu cầu khoảng cách chính xác phụ thuộc vào tiêu chuẩn quản lý sản phẩm cuối cùng.

Khoảng cách càng quan trọng hơn trong các quy tắc thiết kế PCB chịu điện áp cao vì sự chênh lệch điện thế giữa các yếu tố dẫn điện trên bảng mạch có thể tạo ra một tia lửa nếu điện áp giữa các dẫn điện vượt quá điện áp đánh thủng cho điện môi tách các đường dẫn. Bất kỳ tia lửa nào xảy ra đều đặt ra rủi ro đáng kể hơn cho cả sản phẩm và người dùng của bạn. Để giúp giảm thiểu rủi ro đó, có các tiêu chuẩn cho hai phép đo khoảng cách chính trong thiết kế PCB của bạn: khoảng cách sạch và khoảng cách bò.

Khi điện áp giữa hai điểm vượt qua điện áp đánh thủng, tia lửa có thể xảy ra, làm hỏng sản phẩm của bạn và tạo ra một mối nguy hiểm an toàn cho người dùng. Khoảng cách trên bảng mạch của bạn là một tham số thiết kế quan trọng để ngăn chặn tia lửa.

Yếu tố khác ảnh hưởng đến độ tin cậy là CAF (và hiện tượng di chuyển điện tử nói chung). Do PCB được xây dựng trên nền tảng hữu cơ với một số lượng muối và độ ẩm, trường điện cao giữa các dẫn điện có thể dẫn đến sự phát triển của CAF thông qua phản ứng điện hóa được kích thích. Điều này có thể xảy ra ở điện áp thấp hơn nhiều so với điện áp cần thiết để gây ra sự đánh thủng điện môi.

Khoảng cách Creepage và Clearance

Cả hai thuật ngữ này được sử dụng để xác định khoảng cách giữa các dẫn điện trong bố cục PCB và được quy định trong các tiêu chuẩn an toàn. Creepage và clearance được định nghĩa là khoảng cách giữa hai dẫn điện lân cận, mặc dù chúng được định nghĩa theo hai cách khác nhau.

Clearance trên PCB là gì?

Quy tắc bố cục PCB cho clearance thay đổi dựa trên việc dẫn điện là bên ngoài hay bên trong, sự chênh lệch điện áp giữa các dẫn điện là bao nhiêu, và điều kiện môi trường xung quanh như thế nào (độ cao, và việc áp dụng lớp phủ chống ẩm). Ảnh hưởng của môi trường là khá đáng kể. Thông thường, độ ẩm thay đổi điện áp đánh thủng của không khí và ảnh hưởng đến khả năng xảy ra hiện tượng hồ quang. Bụi là một yếu tố khác, vì các hạt bụi tích tụ trên bề mặt của PCB có thể hình thành một đường dẫn theo thời gian, làm ngắn khoảng cách giữa các dẫn điện.

• Sử dụng máy tính clearance IPC-2221 của chúng tôi cho thiết kế PCB điện áp cao

Creepage trên PCB là gì?

Tương tự như khoảng cách an toàn, khoảng cách chạy dọc giữa các dẫn điện trên mạch in áp suất cao. Tuy nhiên, thay vì đo khoảng cách trong không khí, nó đo khoảng cách ngắn nhất dọc theo bề mặt của vật liệu cách điện. Vật liệu mạch và môi trường cũng ảnh hưởng đến yêu cầu về khoảng cách chạy dọc. Độ ẩm hoặc sự tích tụ hạt bụi trên bảng mạch có thể làm giảm khoảng cách chạy dọc giống như chúng làm với khoảng cách an toàn.

Khi bạn có một thiết kế mạch in có mật độ cao, việc đáp ứng yêu cầu về khoảng cách chạy dọc có thể là một thách thức. Vì việc di chuyển các đường dẫn hiếm khi là lựa chọn đầu tiên, có một vài mẹo khác để tăng khoảng cách bề mặt trong thiết kế của bạn. Thêm một khe cắt giữa các đường dẫn hoặc một rào cản cách điện dọc có thể tăng đáng kể khoảng cách chạy dọc mà không thay đổi bố cục dấu vết trên bảng mạch.

Khoảng cách chạy dọc so với khoảng cách an toàn trên một PCB. Dòng đỏ cho thấy khoảng cách chạy dọc PCB giữa hai dấu vết.

Nếu bản vẽ này trông hơi lạ, hãy xem xét bố cục mạch cung cấp điện dưới đây. Bố cục mạch cung cấp điện này đã được chỉnh sửa từ dự án mô-đun chuyển đổi flyback của tôi; trong nguồn cung cấp điện cách ly này, tôi đã thêm một khe cắt ở khu vực giữa hai bên của biến áp.

Xem xét chân 4 và 5 và T1; khoảng cách giữa chân 4 và 5 là khoảng cách trực tiếp giữa chúng và sẽ luôn giữ nguyên bất kể sự cắt bỏ. Tuy nhiên, khoảng cách chống rò điện được đo dọc theo bề mặt của PCB, do đó nó phải bao gồm cả độ cong dưới cùng của bảng cắt trong tổng khoảng cách giữa các chân này. Trong một nguồn cung cấp điện cô lập (hoặc bất kỳ hệ thống cô lập nào), đây là một kỹ thuật tiêu chuẩn để tăng khoảng cách chống rò điện.

Xem xét Chỉ số Theo dõi So sánh (CTI) của Vật liệu của Bạn

Sau điện áp hoạt động, yếu tố quan trọng nhất trong các yêu cầu về khoảng cách và khoảng cách chống rò điện cho một bo mạch in là từ tính chất vật liệu của PCB của bạn. Sự cách điện điện của vật liệu được chỉ ra bởi một "Chỉ số Theo dõi So sánh" hoặc giá trị CTI. CTI được biểu thị dưới dạng một điện áp và được xác định bởi một bài kiểm tra tiêu chuẩn đo lường khi bề mặt của vật liệu bị hỏng.

Có sáu loại từ 0 đến 5 dựa trên giá trị hỏng của vật liệu. Các mức cách điện bắt buộc cho sản phẩm dựa trên các loại CTI này. Loại 5 là thấp nhất, với giá trị dưới 100 V. Với sự hỏng của 600+ V, Loại 0 có các lựa chọn vật liệu mạnh mẽ nhất, và thường là đắt đỏ nhất.

• Tìm hiểu thêm về giá trị CTI cho vật liệu PCB chịu điện áp cao

Vật liệu cách điện PCB có các điện áp đánh thủng khác nhau và các hạng mục an toàn tương ứng cho các ứng dụng sản phẩm.

Tiêu chuẩn Liên quan

IPC-2221 và IPC-9592

Tiêu chuẩn quan trọng đầu tiên dựa trên điện áp cho khoảng cách PCB là IPC-2221, đây là tiêu chuẩn chung cho hướng dẫn về sự rò rỉ và khoảng cách trên PCB. Tiêu chuẩn này đầy đủ các yêu cầu về chất lượng vật liệu, khả năng truy xuất, hướng dẫn bố trí để đảm bảo chất lượng và nhiều hơn nữa. Bạn cũng có thể sử dụng máy tính khoảng cách chịu điện áp cao dựa trên các tiêu chuẩn IPC-2221 để xác định khoảng cách tối thiểu bạn nên sử dụng cho PCB của mình. Tiêu chuẩn khoảng cách được phân định bởi những điều sau:

• Dẫn điện bên trong so với bên ngoài
• Sự hiện diện của lớp phủ tuân thủ (như mặt nạ hàn)
• Độ cao
• Chân linh kiện so với pad đồng

Tiêu chuẩn liên quan áp dụng cho bộ chuyển đổi nguồn cho thiết bị IT và máy tính là IPC-9592. Tiêu chuẩn này quy định yêu cầu khoảng cách dựa trên điện áp mà cẩn thận hơn IPC-2221, đặc biệt là cho các đường dây điện áp cao trên các lớp nội bộ. Tiêu chuẩn không phân biệt giữa các lớp nội bộ và ngoại vi, độ cao, hoặc sự hiện diện của lớp phủ tuân thủ. IPC-9592 định nghĩa "thiết bị chuyển đổi nguồn" là bất kỳ mô-đun AC/DC hoặc DC/DC, bộ chuyển đổi, hoặc PCBA nào có sự chênh lệch điện áp áp dụng giữa các dẫn điện dưới 500 V (DC hoặc đỉnh AC).

IEC-60950-1 (ấn bản thứ 2)

Tiêu chuẩn quan trọng thứ hai là IEC-60950-1 (ấn bản thứ 2). Phiên bản IEC là tiêu chuẩn bạn muốn đọc cho bất kỳ sản phẩm IT nào có nguồn điện AC chính hoặc nguồn điện pin, đặc biệt nếu bạn muốn bán những sản phẩm đó ra quốc tế. Những tiêu chuẩn này quy định các yêu cầu an toàn cho mọi thứ từ máy hủy tài liệu văn phòng đến thiết bị viễn thông.

Vì hậu quả của việc khoảng cách không chính xác có thể thay đổi từ không tuân thủ pháp luật đến chấn thương nghiêm trọng và hủy hoại thiết bị quan trọng, nên việc làm quen với bất kỳ tiêu chuẩn nào có liên quan đến thiết kế của bạn là rất đáng giá. Hơn nữa, nó còn giữ cho các sinh viên đại học không bị giật bản thân.

Các công cụ CAD và tính năng định tuyến trong Altium Designer^® được xây dựng trên một động cơ thiết kế tuân theo quy tắc thống nhất, tự động kiểm tra bố cục của bạn khi bạn tạo bảng mạch. Sau khi bạn đã xác định yêu cầu khoảng cách với máy tính IPC-2221, bạn có thể lập trình khoảng cách của mình vào các quy tắc thiết kế để đảm bảo bảng mạch của bạn vẫn an toàn và hoạt động ổn định ở điện áp cao. Bạn cũng sẽ có quyền truy cập vào một bộ đầy đủ các tính năng tài liệu giúp bạn chuẩn bị cho việc sản xuất và lắp ráp.

Chúng tôi chỉ mới khám phá bề mặt của những gì có thể thực hiện với Altium Designer trên Altium 365. Bắt đầu dùng thử miễn phí Altium Designer + Altium 365 ngay hôm nay.