重要要點

• 什么是PCB爬電距離和電氣間隙？

• 決定爬電距離和電氣間隙標(biāo)準(zhǔn)的因素

• 滿足PCB爬電距離和電氣間隙標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計方法

印刷電路板上的高壓零件

有許多篝火，例如篝火或壁爐，可以提高生產(chǎn)效率，變暖甚至浪漫。但是，在印刷電路板上您永遠(yuǎn)都不會看到火災(zāi)的地方，如果PCB的設(shè)計不適合高壓，這可能是一個真正的風(fēng)險。在某些情況下，設(shè)計不正確的電路板可能會產(chǎn)生靜電放電，進(jìn)而可能損壞電路板和組件，并可能引發(fā)火災(zāi)。

為避免此問題，從事高壓應(yīng)用的PCB設(shè)計人員應(yīng)特別注意設(shè)計中裸露金屬導(dǎo)體之間的分隔。有兩種方法可以測量這種間距，即爬電距離和間隙，并且保持兩者所需的間距非常重要。我們將在這里了解PCB爬電距離和電氣間隙標(biāo)準(zhǔn)之間的差異，以及為避免高壓問題或PCB意外燃燒所需要采取的步驟。

PCB爬電距離和電氣間隙的區(qū)別

如果金屬之間的距離太近，則傳導(dǎo)高壓的印刷電路板可能會因暴露的金屬之間的靜電放電而受害。這種放電可能會損壞電路板及其組件，對于PCB設(shè)計人員而言，觀察電路板上金屬導(dǎo)體之間的適當(dāng)間距非常重要。電路板上的導(dǎo)體間距可通過兩種方法來測量：爬電距離和電氣間隙：

• 爬電距離：這是指電路板表面或絕緣材料表面上兩個導(dǎo)體之間的距離。

• 間隙：這是兩條導(dǎo)體通過空中的視線距離。

在電壓高于30VAC或60VDC的高壓電路中，必須遵守爬電距離和電氣間隙間隔規(guī)則，以防止兩根導(dǎo)體之間意外電弧。通常，這兩個測量值是相同的，就像在板的無障礙部分上的兩個組件焊盤或金屬的其他裸露區(qū)域之間的距離一樣。但是，在某些情況下，這兩種測量方法會有所不同，具體取決于組件的放置方式或裸板的輪廓是否異常。如下所示，爬電距離是指兩個組件焊盤之間的電路板表面間距。另一方面，該間隙是左側(cè)組件的金屬散熱器和右側(cè)組件墊之間的氣隙。

如側(cè)視圖所示，PCB上的爬電距離和電氣間隙的示例

接下來，我們將研究在哪里可以找到這些爬電距離和電氣間隙標(biāo)準(zhǔn)。

什么是PCB爬電和間隙標(biāo)準(zhǔn)？

計算PCB爬電距離和電氣間隙標(biāo)準(zhǔn)需要考慮不同的因素，包括工作電壓，污染程度（電路板上的灰塵和冷凝水）以及要評估的電路類型。爬電距離計算的另一個重要因素是層材料被用來建造原始板。電壓將在電路板表面形成一條導(dǎo)電路徑，這將破壞其絕緣性能，某些電路板材料比其他電路板更能抵抗這種影響。比較跟蹤指數(shù)（CTI）定義了每種材料的電阻值；該數(shù)字越高，其抗擊穿性就越大。例如，F(xiàn)R-4的默認(rèn)CTI值為175，而其他更專業(yè)的材料的CTI值可以高達(dá)600。

有許多文件涉及PCB爬電和電氣間隙標(biāo)準(zhǔn)，主要文件是IPC-2221。這是一個通用標(biāo)準(zhǔn)，涵蓋了許多不同的設(shè)計規(guī)則，包括高壓電路所需的間距。這些限制由DC或AC電壓電平，內(nèi)層，已涂覆或未涂覆的外層以及基材材料來描述。除了IPC-2221，您還可以在這些標(biāo)準(zhǔn)中找到其他信息：

• IPC-9592：該標(biāo)準(zhǔn)比IPC-2221更具體，因為它定義了高于100伏的電源轉(zhuǎn)換設(shè)備的間距要求。

• UL-61010-1：這些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了電氣測試和實驗室設(shè)備以及其他工業(yè)設(shè)備設(shè)計中的安全要求。

• UL-60950-1：該標(biāo)準(zhǔn)適用于各種設(shè)備的高低壓應(yīng)用。

這些標(biāo)準(zhǔn)將為設(shè)置PCB所需的間隙提供堅實的基礎(chǔ)，以保護(hù)PCB免受過電壓事件的影響，該事件可能會在兩個不同的導(dǎo)體之間產(chǎn)生電弧。在設(shè)計中模擬功率分布并使用這些結(jié)果來幫助設(shè)置布局的物理屬性也很重要。

電源組件在電路板上的布局

如何使用這些標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計PCB布局

達(dá)到間距要求后，電路板將需要適當(dāng)?shù)呐离娋嚯x和電氣間隙，下一步是在PCB布局系統(tǒng)的設(shè)計規(guī)則中設(shè)置這些值。可以為金屬與金屬之間的間隙設(shè)置規(guī)則和約束，無論是在走線，焊盤，銅澆注之間，還是這三者的任意組合之間。您還將需要為您的組件占用空間設(shè)置正確的間距，尤其是那些導(dǎo)通大量電壓的較大部件。在某些情況下，您甚至可以在特定的占位空間周圍設(shè)置獨特的避開間隙，以解決散熱器和其他異常配置的問題。所有這些規(guī)則將幫助您在所需的高壓組件之間保持必要的間距。

當(dāng)你放元器件的布局，確保當(dāng)你把他們考慮零件的各個方面。這將包括可能懸垂在零件上的任何金屬導(dǎo)體（例如散熱器），尤其是在您無法在零件周圍設(shè)置唯一的避開區(qū)域的情況下。在布局期間，您還需要確保對組件放置的任何編輯或更改都不會超出您已經(jīng)在零件之間仔細(xì)設(shè)置的間距。即使將組件旋轉(zhuǎn)90度也會導(dǎo)致形狀異常的零件違反電壓間隙。

這是在布局間距時要考慮的其他兩種技術(shù)：

• 為了幫助保持正確的間距，請嘗試在電路板的一側(cè)放置高壓組件，在另一側(cè)放置低壓組件。在某些情況下，高壓零件之間的間隔規(guī)則可能不如低壓零件那樣嚴(yán)格。

• 爬電將需要另一種解決方案，因為將零件放在電路板的另一側(cè)不會給您所需的穿過電路板表面的隔離。取而代之的是，您可能想在板上安裝絕緣屏障或切開凹槽或插槽。電路板輪廓的變化將增加電壓必須傳播的整個表面的距離，從而為您提供所需的爬電距離。

幸運的是，您的PCB設(shè)計工具中有許多功能可以提供幫助，我們將在接下來的內(nèi)容中進(jìn)行介紹。

依靠PCB布局工具的強(qiáng)大功能

Allegro中的約束管理器，顯示組件封裝之間的間距值

設(shè)置設(shè)計規(guī)則和約束是確保布局符合PCB爬電和電氣間隙標(biāo)準(zhǔn)的最佳方法。如上圖所示，Cadence的Allegro PCB編輯器中的約束管理器可以使用特定的封裝進(jìn)行設(shè)置，以封裝間隙，以保持高壓零件的正確爬電距離。此外，您還可以為電源和接地網(wǎng)創(chuàng)建網(wǎng)類，并為其分配必要的間距。這些設(shè)置與設(shè)計規(guī)則一起使用將幫助您保持所需的間距。

您還應(yīng)該充分利用PCB設(shè)計系統(tǒng)隨附的電路模擬器和分析工具。這些可用于對電路板的配電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建模，以確保按照您的需要連接高壓網(wǎng)絡(luò)。最后，請確保在您的PCB設(shè)計工具中使用3D查看和檢查功能。傳導(dǎo)高壓的零件可能具有不規(guī)則的輪廓，例如散熱片，并且能夠以3D形式對其進(jìn)行檢查并目視確認(rèn)其位置對于您的設(shè)計而言是一項重要的資產(chǎn)。