Khoảng cách giữa đường dẫn và pad trên PCB: Điện áp thấp so với điện áp cao

Thiết kế với điện áp/dòng điện cao đòi hỏi phải tuân thủ các yêu cầu an toàn mà nhà thiết kế cần phải đáp ứng. Tương tự, thiết kế tốc độ cao cần phải giảm thiểu nhiễu chéo để đảm bảo tính toàn vẹn của tín hiệu. Các khía cạnh thiết kế chính liên quan đến cả hai lĩnh vực này là khoảng cách đường dẫn PCB và giá trị khoảng cách pad của bạn. Những lựa chọn thiết kế này rất quan trọng để cân bằng giữa an toàn, giảm nhiễu và khả năng sản xuất.

Tiêu chuẩn điện áp và khoảng cách IPC 2221 cung cấp hướng dẫn để ngăn chặn ESD giữa các dẫn điện, nhưng không phải tất cả các bảng mạch sẽ cần phải đáp ứng tiêu chuẩn này. Tùy thuộc vào khoảng cách đường dẫn PCB theo điện áp và tần số của tín hiệu của bạn (hoặc tốc độ biên cho tín hiệu số), bạn có thể cần một giá trị khác cho khoảng cách đường dẫn PCB của mình. Dưới đây là cách cân bằng hai khía cạnh này của bố trí khoảng cách PCB đồng thời đảm bảo khả năng sản xuất.

Điện áp thấp (<15 V)

Theo tiêu chuẩn điện áp và khoảng cách IPC 2221, quy tắc khoảng cách PCB tối thiểu (thực sự, khoảng cách giữa bất kỳ hai dẫn điện nào) là 0.1 mm cho các thiết bị đa năng hoặc 4 mil. Đối với các thiết bị chuyển đổi công suất, khoảng cách và độ rộng đường dẫn PCB tối thiểu này là 0.13 mm, hoặc 5.1 mil. Những bảng mạch này khó có thể được coi là “điện áp cao” và khoảng cách giữa các dẫn điện trong những bảng mạch này bắt đầu tiệm cận với khu vực HDI.

Tại những điện áp này, bạn có thể đang làm việc với tín hiệu số, tín hiệu tương tự tần số thấp, hoặc đơn giản là DC với dòng điện vừa phải. Với tín hiệu số, quy tắc thông thường là tuân theo quy tắc “3W”, nơi khoảng cách giữa các đường dẫn gấp ba lần chiều rộng của đường dẫn. Đối với một microstrip điều khiển trở kháng 50 Ohm tiêu biểu, chiều rộng đường dẫn của bạn sẽ là ~20 mils, do đó khoảng cách đường dẫn PCB được khuyến nghị là 60 mils. Bạn vẫn hoàn toàn nằm trong yêu cầu của IPC 2221 với những đường dẫn này, và điểm tập trung chính của bạn nên là định tuyến hiệu quả và DFM. Ngay cả trong chế độ HDI, nơi bạn có thể cần định tuyến giữa các pad có khoảng cách nhỏ trong một BGA, bạn không cần phải lo lắng về những yêu cầu về điện áp này vì bạn chung quy đang làm việc ở 3.3 V hoặc ~1 V.

Điện áp cao (>15 V)

Tại điện áp DC cao, mối quan tâm chính khi chọn giá trị khoảng cách dấu vết PCB là ngăn chặn ESD và sự phát triển dendritic giữa các dẫn điện tiếp xúc. Với điện áp AC cao, hoặc với một bộ điều chỉnh chuyển mạch phát ra dòng điện cao, bạn giờ đây phải lo lắng về crosstalk, cũng như ESD và sự phát triển dendritic. Hướng dẫn ngăn chặn crosstalk vẫn quá đặc tả giá trị khoảng cách điện áp PCB cần thiết hoặc khoảng cách giữa các dẫn điện cho đến khi bạn đạt đến điện áp rất cao.

Để xem bạn có thể cần tìm một sự cân bằng giữa IPC 2221 và ngăn chặn crosstalk như thế nào, hãy xem xét tình huống giả định sau. Giả sử bạn có một microstrip trở kháng kiểm soát (rộng 20 mil) gần một đường dây AC điện áp cao, hoặc gần các dấu vết chạy vào/ra từ một bộ điều chỉnh DC dòng điện cao. Nếu bạn tuân theo quy tắc “3W”, khoảng cách giữa các microstrip song song và dây điện áp cao gần đó nên là 1.5 mm, hoặc ~60 mils. Điều này là hơn đủ để tuân thủ IPC 2221 cho đến khi mức điện áp cao đạt 180 V cho các thiết bị chuyển đổi năng lượng hoặc 340 V cho các sản phẩm điện áp cao khác.

Ở điện áp cao, mối quan tâm không chỉ là tốc độ chuyển mạch số mà còn là tần số của dòng điện xoay chiều áp cao. Bất kỳ tín hiệu dao động nào cũng có thể gây ra tín hiệu nhiễu chéo trong một đường mạch gần đó nếu các đường mạch đó nằm gần nhau; đây là một vấn đề nhiễu đã biết với các bộ điều chỉnh DC áp cao và các đường tín hiệu hạ lưu của chúng. Ở dòng điện ra cao, nhiễu chéo như vậy có thể gây ra sự chuyển mạch không mong muốn trong các thành phần số tốc độ cao. Tốt nhất là chọn khoảng cách lớn hơn giữa dòng điện xoay chiều áp cao và các đường DC hoặc số gần đó.

Tóm tắt

Nói chung, chúng ta có thể định nghĩa các quy tắc khoảng cách mạch in PCB và khoảng cách giữa các pad dựa trên điện áp thành ba chế độ khác nhau. Trong hai hàng dưới cùng, hãy chắc chắn tính toán khoảng cách mạch in PCB cần thiết sử dụng tiêu chuẩn IPC 2221 khi xác định chế độ làm việc nào. Lưu ý rằng, trong bài viết đã nêu, khoảng cách mạch in PCB của bạn có thể được làm nhỏ hơn khi các đường mạch của bạn được phủ hoặc đặt trên các lớp bên trong.

Hãy chắc chắn rằng bạn hiểu sự khác biệt giữa khoảng cách chống rò và khoảng cách cách điện trong thiết kế của mình. Cũng đừng quên kiểm tra xem các đường dẫn của bạn có đủ rộng để dẫn dòng điện mà không bị quá nóng không. Điều này có thể được kiểm tra bằng cách sử dụng biểu đồ nomograph IPC 2152.

Sau khi bạn đã xác định được khoảng cách đường dẫn và pad tốt nhất để sử dụng trên bảng mạch của mình, bạn cần mã hóa các giá trị này thành các quy tắc thiết kế trong phần mềm ECAD của mình. Động cơ thiết kế thống nhất trong Altium Designer® cho phép bạn định nghĩa các quy tắc cần thiết về khoảng cách PCB (cả đường dẫn và pad) và giá trị, và các quy tắc thiết kế này được kiểm tra ngay lập tức khi bạn định tuyến bảng mạch của mình. Điều này làm cho Altium Designer trở thành ứng dụng lý tưởng cho các nhiệm vụ thiết kế điện áp thấp và cao, cũng như cho các thiết kế tốc độ cao và tần số cao.

Bây giờ, bạn có thể tải về bản dùng thử miễn phí của Altium Designer và tìm hiểu thêm về các công cụ lập kế hoạch, mô phỏng và sản xuất tốt nhất trong ngành. Nói chuyện với một chuyên gia Altium ngày hôm nay để tìm hiểu thêm.