设计電(diàn)路板布局中的PCB爬電(diàn)和電(diàn)气间隙标准

2021-05-07

设计電(diàn)路板布局中的PCB爬電(diàn)和電(diàn)气间隙标准

什么是PCB爬電(diàn)距离和電(diàn)气间隙？

决定爬電(diàn)距离和電(diàn)气间隙标准的因素

满足PCB爬電(diàn)距离和電(diàn)气间隙标准的设计方法

印刷電(diàn)路板上的高压零件

有(yǒu)许多(duō)篝火，例如篝火或壁炉，可(kě)以提高生产效率，变暖甚至浪漫。但是，在印刷電(diàn)路板上您永遠(yuǎn)都不会看到火灾的地方，如果PCB的设计不适合高压，这可(kě)能(néng)是一个真正的风险。在某些情况下，设计不正确的電(diàn)路板可(kě)能(néng)会产生静電(diàn)放電(diàn)，进而可(kě)能(néng)损坏電(diàn)路板和组件，并可(kě)能(néng)引发火灾。

為(wèi)避免此问题，从事高压应用(yòng)的PCB设计人员应特别注意设计中裸露金属导體(tǐ)之间的分(fēn)隔。有(yǒu)两种方法可(kě)以测量这种间距，即爬電(diàn)距离和间隙，并且保持两者所需的间距非常重要。我们将在这里了解PCB爬電(diàn)距离和電(diàn)气间隙标准之间的差异，以及為(wèi)避免高压问题或PCB意外燃烧所需要采取的步骤。

PCB爬電(diàn)距离和電(diàn)气间隙的區(qū)别

如果金属之间的距离太近，则传导高压的印刷電(diàn)路板可(kě)能(néng)会因暴露的金属之间的静電(diàn)放電(diàn)而受害。这种放電(diàn)可(kě)能(néng)会损坏電(diàn)路板及其组件，对于PCB设计人员而言，观察電(diàn)路板上金属导體(tǐ)之间的适当间距非常重要。電(diàn)路板上的导體(tǐ)间距可(kě)通过两种方法来测量：爬電(diàn)距离和電(diàn)气间隙：

爬電(diàn)距离：这是指電(diàn)路板表面或绝缘材料表面上两个导體(tǐ)之间的距离。

间隙：这是两条导體(tǐ)通过空中的视線(xiàn)距离。

在電(diàn)压高于30VAC或60VDC的高压電(diàn)路中，必须遵守爬電(diàn)距离和電(diàn)气间隙间隔规则，以防止两根导體(tǐ)之间意外電(diàn)弧。通常，这两个测量值是相同的，就像在板的无障碍部分(fēn)上的两个组件焊盘或金属的其他(tā)裸露區(qū)域之间的距离一样。但是，在某些情况下，这两种测量方法会有(yǒu)所不同，具體(tǐ)取决于组件的放置方式或裸板的轮廓是否异常。如下所示，爬電(diàn)距离是指两个组件焊盘之间的電(diàn)路板表面间距。另一方面，该间隙是左侧组件的金属散热器和右侧组件垫之间的气隙。

如侧视图所示，PCB上的爬電(diàn)距离和電(diàn)气间隙的示例

接下来，我们将研究在哪里可(kě)以找到这些爬電(diàn)距离和電(diàn)气间隙标准。

什么是PCB爬電(diàn)和间隙标准？

计算PCB爬電(diàn)距离和電(diàn)气间隙标准需要考虑不同的因素，包括工作電(diàn)压，污染程度（電(diàn)路板上的灰尘和冷凝水）以及要评估的電(diàn)路类型。爬電(diàn)距离计算的另一个重要因素是层材料被用(yòng)来建造原始板。電(diàn)压将在電(diàn)路板表面形成一条导電(diàn)路径，这将破坏其绝缘性能(néng)，某些電(diàn)路板材料比其他(tā)電(diàn)路板更能(néng)抵抗这种影响。比较跟踪指数（CTI）定义了每种材料的電(diàn)阻值；该数字越高，其抗击穿性就越大。例如，FR-4的默认CTI值為(wèi)175，而其他(tā)更专业的材料的CTI值可(kě)以高达600。

有(yǒu)许多(duō)文(wén)件涉及PCB爬電(diàn)和電(diàn)气间隙标准，主要文(wén)件是IPC-2221。这是一个通用(yòng)标准，涵盖了许多(duō)不同的设计规则，包括高压電(diàn)路所需的间距。这些限制由DC或AC電(diàn)压電(diàn)平，内层，已涂覆或未涂覆的外层以及基材材料来描述。除了IPC-2221，您还可(kě)以在这些标准中找到其他(tā)信息：

IPC-9592：该标准比IPC-2221更具體(tǐ)，因為(wèi)它定义了高于100伏的電(diàn)源转换设备的间距要求。

UL-61010-1：这些标准规定了電(diàn)气测试和实验室设备以及其他(tā)工业设备设计中的安全要求。

UL-60950-1：该标准适用(yòng)于各种设备的高低压应用(yòng)。

这些标准将為(wèi)设置PCB所需的间隙提供坚实的基础，以保护PCB免受过電(diàn)压事件的影响，该事件可(kě)能(néng)会在两个不同的导體(tǐ)之间产生電(diàn)弧。在设计中模拟功率分(fēn)布并使用(yòng)这些结果来帮助设置布局的物(wù)理(lǐ)属性也很(hěn)重要。

電(diàn)源组件在電(diàn)路板上的布局

如何使用(yòng)这些标准设计PCB布局

达到间距要求后，電(diàn)路板将需要适当的爬電(diàn)距离和電(diàn)气间隙，下一步是在PCB布局系统的设计规则中设置这些值。可(kě)以為(wèi)金属与金属之间的间隙设置规则和约束，无论是在走線(xiàn)，焊盘，铜浇注之间，还是这三者的任意组合之间。您还将需要為(wèi)您的组件占用(yòng)空间设置正确的间距，尤其是那些导通大量電(diàn)压的较大部件。在某些情况下，您甚至可(kě)以在特定的占位空间周围设置独特的避开间隙，以解决散热器和其他(tā)异常配置的问题。所有(yǒu)这些规则将帮助您在所需的高压组件之间保持必要的间距。

当你放元器件的布局，确保当你把他(tā)们考虑零件的各个方面。这将包括可(kě)能(néng)悬垂在零件上的任何金属导體(tǐ)（例如散热器），尤其是在您无法在零件周围设置唯一的避开區(qū)域的情况下。在布局期间，您还需要确保对组件放置的任何编辑或更改都不会超出您已经在零件之间仔细设置的间距。即使将组件旋转90度也会导致形状异常的零件违反電(diàn)压间隙。

这是在布局间距时要考虑的其他(tā)两种技术：

為(wèi)了帮助保持正确的间距，请尝试在電(diàn)路板的一侧放置高压组件，在另一侧放置低压组件。在某些情况下，高压零件之间的间隔规则可(kě)能(néng)不如低压零件那样严格。

爬電(diàn)将需要另一种解决方案，因為(wèi)将零件放在電(diàn)路板的另一侧不会给您所需的穿过電(diàn)路板表面的隔离。取而代之的是，您可(kě)能(néng)想在板上安装绝缘屏障或切开凹槽或插槽。電(diàn)路板轮廓的变化将增加電(diàn)压必须传播的整个表面的距离，从而為(wèi)您提供所需的爬電(diàn)距离。

幸运的是，您的PCB设计工具中具有(yǒu)许多(duō)可(kě)以提供帮助的功能(néng)，我们将在接下来的内容中进行介绍。

依靠PCB布局工具的强大功能(néng)

Allegro中的约束管理(lǐ)器，显示组件封装之间的间距值

设置设计规则和约束是确保布局符合PCB爬電(diàn)和電(diàn)气间隙标准的最佳方法。如上图所示，Cadence的Allegro PCB编辑器中的约束管理(lǐ)器可(kě)以使用(yòng)特定的封装进行设置，以封装间隙，以保持高压零件的正确爬電(diàn)距离。此外，您还可(kě)以為(wèi)電(diàn)源和接地网创建网类，并為(wèi)其分(fēn)配必要的间距。这些设置与设计规则一起使用(yòng)将帮助您保持所需的间距。

您还应该充分(fēn)利用(yòng)PCB设计系统随附的電(diàn)路模拟器和分(fēn)析工具。这些可(kě)用(yòng)于对電(diàn)路板的配電(diàn)网络进行建模，以确保按照您的需要连接高压网络。最后，请确保在您的PCB设计工具中使用(yòng)3D查看和检查功能(néng)。传导高压的零件可(kě)能(néng)具有(yǒu)不规则的轮廓，例如散热片，并且能(néng)够以3D形式对其进行检查并目视确认其位置对于您的设计而言是一项重要的资产。