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設計電路板布局中的PCB爬電和電氣間隙標準
設計電路板布局中的PCB爬電和電氣間隙標準
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準的因素
滿足PCB爬電距離和電氣間隙標準的設計方法
印刷電路板上的高壓零件
有許多篝火，例如篝火或壁爐，可以提高生產效率，變暖甚至浪漫。但是，在印刷電路板上您永遠都不會看到火災的地方，如果PCB的設計不適合高壓，這可能是一個真正的風險。在某些情況下，設計不正確的電路板可能會產生靜電放電，進而可能損壞電路板和組件，并可能引發火災。
為避免此問題，從事高壓應用的PCB設計人員應特別注意設計中裸露金屬導體之間的分隔。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準之間的差異，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別
如果金屬之間的距離太近，則傳導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設計人員而言，觀察電路板上金屬導體之間的適當間距非常重要。電路板上的導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體之間的距離。
間隙：這是兩條導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則，以防止兩根導體之間意外電弧。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，該間隙是左側組件的金屬散熱器和右側組件墊之間的氣隙。
如側視圖所示，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準。
什么是PCB爬電和間隙標準？
計算PCB爬電距離和電氣間隙標準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（CTI）定義了每種材料的電阻值；該數字越高，其抗擊穿性就越大。例如，FR-4的默認CTI值為175，而其他更專業的材料的CTI值可以高達600。
有許多文件涉及PCB爬電和電氣間隙標準，主要文件是IPC-2221。這是一個通用標準，涵蓋了許多不同的設計規則，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，您還可以在這些標準中找到其他信息：
IPC-9592：該標準比IPC-2221更具體，因為它定義了高于100伏的電源轉換設備的間距要求。
UL-61010-1：這些標準規定了電氣測試和實驗室設備以及其他工業設備設計中的安全要求。
UL-60950-1：該標準適用于各種設備的高低壓應用。
這些標準將為設置PCB所需的間隙提供堅實的基礎，以保護PCB免受過電壓事件的影響，該事件可能會在兩個不同的導體之間產生電弧。在設計中模擬功率分布并使用這些結果來幫助設置布局的物理屬性也很重要。
電源組件在電路板上的布局
如何使用這些標準設計PCB布局
達到間距要求后，電路板將需要適當的爬電距離和電氣間隙，下一步是在PCB布局系統的設計規則中設置這些值。可以為金屬與金屬之間的間隙設置規則和約束，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置正確的間距，尤其是那些導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。所有這些規則將幫助您在所需的高壓組件之間保持必要的間距。
當你放元器件的布局，確保當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體（例如散熱器），尤其是在您無法在零件周圍設置唯一的避開區域的情況下。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在零件之間仔細設置的間距。即使將組件旋轉90度也會導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：
為了幫助保持正確的間距，請嘗試在電路板的一側放置高壓組件，在另一側放置低壓組件。在某些情況下，高壓零件之間的間隔規則可能不如低壓零件那樣嚴格。
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設計工具中具有許多可以提供幫助的功能，我們將在接下來的內容中進行介紹。
依靠PCB布局工具的強大功能
Allegro中的約束管理器，顯示組件封裝之間的間距值
設置設計規則和約束是確保布局符合PCB爬電和電氣間隙標準的最佳方法。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行設置，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創建網類，并為其分配必要的間距。這些設置與設計規則一起使用將幫助您保持所需的間距。
您還應該充分利用PCB設計系統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絡進行建模，以確保按照您的需要連接高壓網絡。最后，請確保在您的PCB設計工具中使用3D查看和檢查功能。傳導高壓的零件可能具有不規則的輪廓，例如散熱片，并且能夠以3D形式對其進行檢查并目視確認其位置對于您的設計而言是一項重要的資產。