Sử dụng Máy tính Khoảng cách PCB IPC-2221 cho Thiết kế Điện áp Cao

Các tiêu chuẩn thiết kế và lắp ráp PCB không nhằm hạn chế năng suất của bạn. Thay vào đó, chúng giúp tạo ra các kỳ vọng đồng nhất về thiết kế sản phẩm và hiệu suất qua nhiều ngành công nghiệp. Với sự chuẩn hóa, các công cụ hỗ trợ tuân thủ được ra đời, như máy tính cho một số khía cạnh thiết kế, quy trình kiểm toán và kiểm tra, và nhiều hơn nữa.

Trong thiết kế PCB chịu điện áp cao, tiêu chuẩn chung quan trọng cho thiết kế PCB là IPC-2221. Nhiều khía cạnh thiết kế quan trọng được tóm tắt trong tiêu chuẩn thiết kế này, một số trong đó được đơn giản hóa thành các công thức toán học. Đối với PCB chịu điện áp cao, máy tính IPC-2221 có thể giúp bạn nhanh chóng xác định yêu cầu khoảng cách phù hợp giữa các yếu tố dẫn điện trên PCB của mình, điều này giúp đảm bảo bảng mạch điện áp cao tiếp theo của bạn sẽ an toàn ở điện áp hoạt động. Khi phần mềm thiết kế của bạn bao gồm các thông số kỹ thuật này dưới dạng quy tắc thiết kế tự động, bạn có thể duy trì năng suất và tránh mắc lỗi bố trí khi bạn xây dựng bảng mạch của mình.

IPC-2221 là gì?

IPC-2221 (Phiên bản B có hiệu lực từ năm 2012) là một tiêu chuẩn công nghiệp được chấp nhận rộng rãi, định nghĩa nhiều khía cạnh thiết kế PCB. Một số ví dụ bao gồm yêu cầu thiết kế về vật liệu (bao gồm cả chất nền và phủ), khả năng kiểm tra, quản lý nhiệt và giảm nhiệt, và vòng tròn lỗ, chỉ để kể tên một vài.

Một số hướng dẫn thiết kế bị thay thế bởi các tiêu chuẩn thiết kế cụ thể hơn. Ví dụ, IPC-6012 và IPC-6018 cung cấp các thông số kỹ thuật thiết kế cho PCB cứng và PCB tần số cao, tương ứng. Những tiêu chuẩn bổ sung này được cho là phần lớn phù hợp với tiêu chuẩn IPC-2221 dành cho PCB chung. Tuy nhiên, IPC-2221 thường không phải là tiêu chuẩn đủ điều kiện được sử dụng để đánh giá độ tin cậy sản phẩm hoặc hiệu suất/yếu tố lỗi trong sản xuất. Đối với các bảng mạch cứng, IPC-6012 hoặc IPC-A-600 thường được sử dụng để đủ điều kiện cho các PCB cứng đã được sản xuất.

Khoảng Cách Dẫn Điện trong Thiết Kế Điện Áp Cao IPC-2221B

Các yêu cầu thiết kế quan trọng cho thiết kế PCB điện áp cao được quy định trong tiêu chuẩn IPC-2221B. Một trong số đó là khoảng cách giữa các dẫn điện, nhằm giải quyết hai vấn đề:

• Khả năng xảy ra hiện tượng corona hoặc đột phá điện môi ở cường độ điện trường cao
• Khả năng phát triển sợi dẫn anodic, đôi khi được gọi làsự tăng trưởng dendritic (xem bên dưới)

Điểm đầu tiên là quan trọng nhất vì nó có thể được kiểm soát dễ dàng nhất bằng cách thiết lập khoảng cách tối thiểu phù hợp giữa các dẫn điện trên PCB. Hiệu ứng thứ hai cũng có thể được giảm bớt với khoảng cách dấu vết phù hợp, cũng như lựa chọn vật liệu và sự sạch sẽ chung trong quá trình xử lý. Khoảng cách cần thiết để ngăn chặn những hiệu ứng này được tóm tắt dưới dạng một chức năng của điện áp giữa hai dẫn điện trong tiêu chuẩn IPC-2221.

Hình dưới đây cho thấy Bảng 6-1 từ các tiêu chuẩn IPC-2221. Những giá trị này liệt kê khoảng cách dẫn điện tối thiểu dưới dạng một chức năng của điện áp giữa hai dẫn điện. Những giá trị này được chỉ định dưới dạng điện áp AC hoặc DC đỉnh giữa các dẫn điện. Lưu ý rằng IPC-2221 chỉ quy định các giá trị khoảng cách dẫn điện tối thiểu cố định cho điện áp lên đến 500 V. Một khi điện áp giữa hai dẫn điện vượt quá 500 V, các giá trị khoảng cách theo từng volt được hiển thị trong bảng dưới đây được sử dụng để tính toán khoảng cách dẫn điện tối thiểu. Mỗi volt trên 500 V sẽ cộng thêm vào khoảng cách tối thiểu cần thiết bằng số lượng được hiển thị ở hàng dưới cùng của bảng.

Tăng Nhiệt độ ở Dòng Điện Cao

Không phải tất cả các PCB chịu điện áp cao đều hoạt động với dòng điện cao, nhưng những PCB sử dụng dòng điện cao có thể trải qua sự tăng nhiệt độ cao khi các dẫn điện không đủ lớn. Sự tăng nhiệt độ trong một PCB xảy ra do sự nóng lên Joule, liên quan đến điện trở DC của dẫn điện. Do đó, diện tích tiết diện trong các dẫn điện mang dòng điện cao nên lớn khi dòng điện cũng lớn.

Để xác định diện tích tiết diện tốt nhất, có thể sử dụng các máy tính dựa trên dữ liệu được công bố trong các tiêu chuẩn IPC-2221 và IPC-2152. Bộ dữ liệu được sử dụng trong máy tính IPC-2152 phức tạp hơn, nhưng nó có thể cung cấp kết quả chính xác hơn so với máy tính IPC-2221.

• Truy cập máy tính IPC-2221 trực tuyến miễn phí
• Tìm hiểu về sự khác biệt giữa máy tính IPC-2152 và IPC-2221

Tiêu chuẩn IPC-9592B về Thiết bị Chuyển đổi Năng lượng

Tiêu chuẩn IPC-9592B cung cấp các yêu cầu về khoảng cách dẫn cho các thiết bị chuyển đổi công suất. Các tiêu chuẩn này khá nhất quán khi được biểu đồ hóa cùng với khoảng cách dẫn yêu cầu được quy định trong IPC-2221. Bảng dưới đây quy định các yêu cầu về khoảng cách dưới IPC-9592B. Điều này xác định khoảng cách dấu vết tối thiểu cần thiết dựa trên chức năng của giá trị điện áp đỉnh; sự khác biệt là tiêu chuẩn này điều chỉnh các giá trị khoảng cách dẫn tối thiểu với điện áp áp dụng dưới giới hạn 500 V được hiển thị trong bảng trên.

Yêu cầu khoảng cách dẫn IPC-9592B cho các thiết bị chuyển đổi công suất.

Nếu bạn tìm kiếm trực tuyến, bạn sẽ tìm thấy một số máy tính đã được lập trình sẵn với các giá trị trên. Một khi bạn xác định được các giá trị khoảng cách phù hợp, bạn có thể lập trình chúng vào quy tắc thiết kế của mình dưới dạng khoảng cách giữa các đối tượng. Vì bạn sẽ có các mạng khác nhau hoạt động ở các điện áp khác nhau, bạn cũng có thể lập trình các giá trị này vào quy tắc thiết kế của mình trên cơ sở từng mạng. Bạn sẽ có thể đặt một số mạng gần nhau hơn nếu thiết kế của bạn trở nên rất dày đặc.

IPC-9592 và IPC-2221B Máy Tính Khoảng Cách

Máy tính dưới đây cung cấp một phép tính khoảng cách an toàn dựa trên các tiêu chuẩn được trích dẫn ở trên. Để sử dụng máy tính này, nhập điện áp làm việc mà bo mạch của bạn sẽ hoạt động, và máy tính sẽ trả về yêu cầu khoảng cách cho các dấu vết bên trong, bên ngoài, và được phủ trong bố cục PCB. Máy tính cũng sẽ trả về kết quả cho các thiết bị chuyển đổi năng lượng tuân thủ IPC-9592.

Kết quả IPC-2221B

Kết quả IPC-9592

Lỗi Di cư Kim loại

Di cư kim loại là một trong nhiều cơ chế hỏng hóc ở các thiết kế điện áp cao với mật độ dẫn điện cao. Khi hai dẫn điện được đưa lên một điện áp cao, sự tăng trưởng điện hóa của các dendrit kim loại có thể xảy ra khi các dẫn điện chứa các chất cặn có muối hòa tan trong nước; một hình ảnh SEM về sự tăng trưởng dendrit giữa hai quả cầu hàn được hiển thị bên dưới.

Hình ảnh SEM cho thấy sự tăng trưởng dendrit cực đoan giữa hai quả cầu hàn. Nguồn ảnh.

Những dendrit kim loại này có thể tạo ra một mạch ngắn giữa hai điểm trên một PCB mật độ cao. Đây thực sự là một hiệu ứng của trường điện, giải thích tại sao có yêu cầu khoảng cách tối thiểu; việc tăng khoảng cách giữa các dẫn điện cho một sự chênh lệch điện áp nhất định giảm trường giữa các dẫn điện, từ đó ngăn chặn sự tăng trưởng của dendrit.

Vượt qua Máy tính IPC-2221

Lưu ý rằng các tiêu chuẩn IPC-2221 là tự nguyện. Tuy nhiên, đối với các sản phẩm thuộc phạm vi của các tiêu chuẩn an toàn như được định nghĩa trong các quy định xây dựng và điện, yêu cầu về khoảng cách chống rò điện và khoảng cách cách điện trong tiêu chuẩn UL hoặc IEC liên quan có thể trở nên bắt buộc. Ví dụ, bộ tiêu chuẩn an toàn liên quan đến sản phẩm CNTT và viễn thông với nguồn điện AC chính và pin có thể được tìm thấy trong tiêu chuẩn IEC 62368-1 (tiêu chuẩn này đã thay thế tiêu chuẩn IEC 60950-1). Đối với khoảng cách chống rò điện, khoảng cách được quy định theo IPC-2221B phụ thuộc vào điện áp làm việc RMS, độ ô nhiễm (được đánh số từ 1 đến 3), và nhóm vật liệu. Định nghĩa của hai thuật ngữ sau có thể được tìm thấy trong tiêu chuẩn UL 62368-1. Cho dù bạn cần tuân thủ tiêu chuẩn an toàn IEC, IPC, hay các tiêu chuẩn an toàn khác yêu cầu, bạn có thể xác định yêu cầu thiết kế của mình như là các quy tắc thiết kế khi bạn sử dụng phần mềm thiết kế PCB phù hợp.

Để ngăn chặn sự hỏng hóc giữa các dẫn điện trên một lớp do hiện tượng creepage, việc lựa chọn vật liệu cũng quan trọng như việc đảm bảo khoảng cách phù hợp giữa các dẫn điện. Khả năng của một vật liệu chống lại sự hỏng hóc được tóm tắt bằng một chỉ số gọi là chỉ số theo dõi so sánh (CTI). Giá trị CTI của vật liệu làm PCB được sử dụng để thiết lập giới hạn creepage cho các dẫn điện trên bề mặt của một chất nền. Tiêu chuẩn IEC-60112 định nghĩa các giá trị CTI sao cho một chất nền có cấp CTI lớn hơn có thể chịu được điện áp cao hơn trước khi nó trải qua sự đứt gãy điện môi. Tôi sẽ thảo luận thêm về điểm này trong một bài viết sắp tới về vật liệu làm PCB chịu điện áp cao và cách chọn chúng. Bây giờ, chỉ cần lưu ý rằng creepage và clearance đi cùng nhau, và việc xác định khoảng cách dựa trên clearance là một điểm khởi đầu tốt trong một thiết kế mới.

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 được yêu cầu về clearance với máy tính IPC-2221, bạn có thể lập trình các khoảng cách của mình vào trong quy tắc thiết kế để đảm bảo bảng mạch của bạn vẫn an toàn và hoạt động 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 mới chỉ 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.