电路板布局中高压爬电和间隙标准的设计
关键的外卖
什么是PCB爬电和间隙?
决定高压漏电和间隙标准的因素。
设计方法满足PCB爬电和间隙标准。
印刷电路板上的高压部件
火的很多用途都是有益的、温暖的，甚至是浪漫的。然而，有一个地方你绝对不想看到火是在印刷电路板上。如果PCB没有为高电压正确设计，火灾可能是一个真正的风险。在某些情况下，设计错误的电路板可能会产生静电放电，从而导致电路板损坏，甚至可能引发火灾。
为了避免这个问题，PCB设计人员在高压应用中应该特别注意在设计中暴露的金属导体之间的分离。有两种方法来测量这种分离-爬电和间隙-重要的是保持所需的分离量为两个。在本文中，我们将了解具有高压漏电和间隙标准的PCB之间的差异，以及为避免高压问题或计划外PCB燃烧所需采取的步骤。
清关是什么?
要从更入门的角度理解间隙，可以考虑空中飞行。乘飞机旅行是从A点到B点的最快方式，原因有很多，但很大一部分是由于路径。除了起飞和降落，当飞机在上空的大气海洋中飞行时，它不关心下面的表面轮廓。
一般来说，间隙在低压设计中是不太重要的——电弧间隙是如此之小，以至于在间隙有机会显现之前，在操作(甚至可能放置)过程中会遇到更多的问题。由于间隙定义了导体之间最直接的路径，从一般意义上讲，它意味着所考虑的导电表面形成了一个电容器，在两者之间的空间中，大气作为电介质工作。由于空气是不良导体，电荷储存作用很小，当足够的电荷在某一特定距离的表面上积聚时，就可能形成位移电流。任何意外的电荷运动对电路板的操作和功能都是危险的，并且更高的电压更快地达到击穿，以及表现出增加的严重程度(在相同的距离)。
在某种程度上，人们的担忧超出了设备的操作，还包括潜在操作人员的安全以及火灾和烟雾危害。在设计高压间隙时，还必须考虑其他环境因素;湿度和颗粒浓度等因素会对两个带电表面之间的击穿电压产生直接影响。
爬电是什么?
爬电是路径依赖的间隙。在运输比喻中，蠕变层相当于火车(或汽车或船只)，因为按照设计，它必须沿着介质表面行进。至少，这意味着爬电必须和间隙一样长，但不能更短。在许多情况下，遵循表面轮廓大大增加了爬电距离相对于相同带电表面的间隙。
虽然间隙可能在高压电路的组件表面之间表现出来，但漏电则更为隐蔽。它通常出现在电路板表面的痕迹之间。虽然组件间距可能是密集设计中的一个因素，但由于其相对普遍，因此更有可能遇到迹间距问题。幸运的是，有一些新颖的解决方案可以在不进行重大更改的情况下对已完成的设计或修订进行调整。
PCB爬电与间隙的区别
如果暴露的金属之间靠得太近，传导高电压的印刷电路板可能会受到静电放电的伤害。这种放电可能会对电路板及其组件造成损坏，PCB设计人员需要观察电路板上金属导体之间的适当间距。总而言之，电路板上导体间距的测量方法有两种:爬电和间隙:
- 蠕变:这是在电路板表面或沿绝缘材料表面的两个导体之间的距离。
- 间隙:这是两个导体在空中的视线距离。
在电压高于30VAC或60VDC的高压电路中，必须遵守漏电和间隙间距规则，以防止两导体之间意外起弧。通常，这两种测量方法是相同的，如两个组件垫之间的距离或板上无阻塞部分的其他金属暴露区域。然而，在某些情况下，这两种测量方法是不同的，这取决于组件的放置方式或原始板是否有任何不寻常的轮廓。如下图所示，蠕滑距是在板的表面之间的间距双组分垫．间隙是指左侧部件的金属散热器与右侧部件垫之间的空气间隙。
PCB上爬电和间隙间距的示例
接下来，我们将看看这些爬电和间隙标准可以在哪里找到。
PCB板高压漏电和间隙标准是什么?
计算高压漏电和间隙标准需要考虑不同的因素，包括工作电压、污染程度(电路板上的灰尘和冷凝物)以及正在评估的电路类型。蠕滑计算的另一个重要因素是层材料用来制作原始板。电压会沿着电路板表面形成一条导电路径，从而破坏其绝缘性能，有些电路板材料比其他材料更能抵抗这种影响。比较跟踪指数(CTI)定义了每种材料的阻力量;这个数字越大，它的抗分解能力就越大。例如，FR-4的缺省CTI值为175，而其他更专业的材料的CTI值可高达600。
不同的文档涉及PCB漏电和间隙标准，主要的是IPC-2221。这是一个通用标准，涵盖了许多不同的设计规则，包括高压电路所需的间距。该极限由直流或交流电压水平、内层、涂覆或未涂覆的外层以及衬底材料划定。除了IPC-2221，您还可以在这些标准中找到更多信息:
- IPC-9592:该标准比IPC-2221更具体，它定义了运行电压高于100伏的功率转换设备的间距要求。
- UL-61010-1:这些标准规定了电气测试和实验室设备以及其他工业设备设计中的安全要求。
- UL-60950-1:该标准适用于各种设备的高压和低压应用。
这些标准将为设置PCB上所需的间隙提供坚实的基础，以保护其免受过电压事件的影响，过电压事件可以在两个不同的导体之间产生电弧。模拟也是很重要的配电在你的设计中使用这些结果来帮助设置布局的物理属性。
电源组件在电路板上的布局
将安全与爬电和间隙结合起来
如上所述，UL-60950-1，特别是表2K-2N，根据板绝缘等级、涂层和其他因素，为设计人员提供最小间隙和爬电值。高电压安全设计的一个重要方面是为极有可能发生电弧的电路提供绝缘。当需要在高压电源电路附近放置低压二次电路时，该标准根据所涉及电压的严重程度建立了多种不同的绝缘选择。例如，低压电路周围的高压电源电路应该有双重或加强绝缘。有了预期的峰值电压和距离，设计师可以使用计算器确定最小间距距离，并制定设计规则，以满足高电压安全要求。
如何设计PCB布局与这些标准
一旦你有间距要求板将需要适当的爬电和间隙，下一步是设置这些值在你的PCB布局系统的设计规则。规则和约束可以设置金属到金属间隙，无论是在痕迹，垫，铜倒，或三者的任何组合之间。您还需要为组件占用设置正确的间距，特别是那些传导大量电压的较大部件。在某些情况下，您甚至可以在特定足迹周围设置独特的隔离间隙，以考虑散热器和其他不寻常的配置。所有这些规则允许您在高压元件之间保持必要的间距。
当你是放置组件在布局中，确保在放置部件时考虑到它们的所有方面。这将包括任何金属导体，如散热器，可能会悬垂的部分，特别是如果你不能在它周围设置一个独特的隔离区。在布局过程中，您还需要确保对组件位置的任何编辑或更改最终不会违反您已经仔细设置的部件之间的间距。即使将组件旋转90度也会导致形状异常的部件违反电压间隙。
以下是在布局间距时需要考虑的一些其他技术:
- 为了帮助保持适当的间隙间距，请尝试将高压部件定位在电路板的一侧，将低压部件定位在另一侧。在某些情况下，高压部件之间可能没有像低压部件那样严格的间距规则。
- 蠕滑将需要另一种解决方案，因为将部件放在板的另一侧不会给你通过板的表面所需的分离。相反，您可能想要安装绝缘屏障或在电路板上切割沟槽或槽。电路板轮廓的改变会增加电压在表面上的距离，给你你需要的爬电分离。
幸运的是，PCB设计工具中有许多功能可以提供帮助，我们接下来将看看这些功能。
依靠PCB布局工具的力量
Allegro中的约束管理器显示组件占用空间之间的间距值
建立设计规则和约束是确保布局符合PCB高压漏电和间隙标准的最佳方法。正如你在上图中看到的，约束管理器Cadence的Allegro PCB编辑器可设置特定的包与包间隙，以保持适当的爬电间距的高压部件。此外，您还可以创建网络类的电力和地面net，并为它们分配必要的间距。这些设置与设计规则一起工作，将帮助您保持所需的间距。
您还应该充分利用PCB设计系统自带的电路模拟器和分析工具。这些可以用来模拟配电网以确保你的高压网络以你需要的方式连接。最后，一定要使用PCB设计工具中的3D查看和检查功能。传导高压的部件可能具有不寻常的轮廓，例如散热器，能够在3D中检查它们并从视觉上确认它们的位置，这对您的设计来说是一个很大的资产。
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