使用IPC-2221 PCB間距計(jì)算器進(jìn)行高壓電路設(shè)計(jì)

PCB設(shè)計(jì)和裝配標(biāo)準(zhǔn)不會(huì)限制您的工作效率。相反，其存在是為了幫助跨多個(gè)行業(yè)構(gòu)建統(tǒng)一產(chǎn)品設(shè)計(jì)和性能的期望。標(biāo)準(zhǔn)化帶來(lái)了合規(guī)工具，例如某些設(shè)計(jì)方面的計(jì)算器、審計(jì)和檢查流程等。

在高壓PCB設(shè)計(jì)中，重要的PCB設(shè)計(jì)通用標(biāo)準(zhǔn)是IPC-2221。該設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)總結(jié)了許多重要的設(shè)計(jì)方面，其中一些歸結(jié)為簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)公式。對(duì)于高壓PCB，IPC-2221計(jì)算器可以幫助您快速確定PCB上導(dǎo)電元件之間的適當(dāng)間距要求，這有助于確保您的下一塊高壓電路板在其工作電壓下保持安全。當(dāng)設(shè)計(jì)軟件包含這些規(guī)范作為自動(dòng)設(shè)計(jì)規(guī)則時(shí)，您就可以保持高效并避免在構(gòu)建電路板時(shí)出現(xiàn)布局錯(cuò)誤。

什么是IPC-2221？ IPC-2221（修訂版B，2012年生效）是公認(rèn)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，定義了PCB設(shè)計(jì)的多個(gè)方面。部分示例包括材料（包括基板和鍍層）的設(shè)計(jì)要求、可測(cè)試性、熱管理和散熱裝置以及環(huán)形圈等。

某些設(shè)計(jì)指南被更具體的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)所取代。例如，IPC-6012和IPC-6018分別提供了剛性PCB和高頻PCB的設(shè)計(jì)規(guī)范。這些附加標(biāo)準(zhǔn)旨在與通用PCB的IPC-2221標(biāo)準(zhǔn)基本一致。不過(guò)，IPC-2221通常不是用于評(píng)估產(chǎn)品可靠性或制造良率/缺陷的資格標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于剛性電路板，通常使用IPC-6012或IPC-A-600來(lái)鑒定已制造的剛性PCB。

IPC-2221B高壓設(shè)計(jì)的導(dǎo)體間距 IPC-2221B標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了高壓PCB設(shè)計(jì)的重要設(shè)計(jì)要求。其中之一是導(dǎo)體間距，旨在解決兩點(diǎn)：

在高電場(chǎng)強(qiáng)度下發(fā)生電暈或介質(zhì)擊穿的可能性

導(dǎo)電陽(yáng)極絲化的可能性，有時(shí)稱(chēng)為枝晶生長(zhǎng)（參見(jiàn)下文）

第一點(diǎn)最重要，因?yàn)樵O(shè)置PCB中導(dǎo)體之間的真正最小間距最有利于控制。第二種效應(yīng)也可以抑制，即采用適當(dāng)?shù)膶?dǎo)線(xiàn)間距、選擇適當(dāng)?shù)牟牧喜⒃谥圃爝^(guò)程中保持常規(guī)的清潔度。在IPC-2221標(biāo)準(zhǔn)中，防止這些效應(yīng)所需的間距總結(jié)為兩個(gè)導(dǎo)體之間的電壓函數(shù)。 下圖所示為IPC-2221標(biāo)準(zhǔn)中的表6-1。這些值列出了最小導(dǎo)體間距作為兩個(gè)導(dǎo)體之間的電壓函數(shù)。這些值根據(jù)導(dǎo)體之間的峰值交流或直流電壓而定。請(qǐng)注意，IPC-2221僅針對(duì)最高500V的電壓規(guī)定了固定的最小導(dǎo)體間距值。一旦兩個(gè)導(dǎo)體之間的電壓超過(guò)500V，則下表所示的每伏特間距值將用于計(jì)算最小導(dǎo)體間距。超過(guò)500V之后，所需的最小間距就會(huì)相對(duì)應(yīng)增加，如表最下面一行所示。

IPC-2221B導(dǎo)體間距要求

電流過(guò)高時(shí)的溫度上升 并非所有高壓PCB都會(huì)在大電流下運(yùn)行，但那些要求使用大電流的PCB在導(dǎo)體不夠大時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)高的溫升。PCB中的溫度升高是由于焦耳熱引起的，這與導(dǎo)體的直流電阻有關(guān)。因此，當(dāng)電流也很大時(shí)，承載高電流的導(dǎo)體的橫截面積應(yīng)較大。 要確定最佳橫截面積，可以使用基于IPC-2221和IPC-2152標(biāo)準(zhǔn)中所發(fā)布數(shù)據(jù)的計(jì)算器。IPC-2152計(jì)算器中使用的數(shù)據(jù)集更復(fù)雜，但可以提供比IPC-2221計(jì)算器更準(zhǔn)確的結(jié)果。

IPC-9592B電源轉(zhuǎn)換設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)

IPC-9592B標(biāo)準(zhǔn)專(zhuān)門(mén)針對(duì)電源轉(zhuǎn)換設(shè)備提供了導(dǎo)體間距要求。與IPC-2221中規(guī)定的所需導(dǎo)體間距同時(shí)繪制時(shí)，這些標(biāo)準(zhǔn)相當(dāng)一致。下表規(guī)定了IPC-9592B下的間距要求。這將所需的最小導(dǎo)線(xiàn)間距定義為峰值電壓值的函數(shù)；不同之處在于，該標(biāo)準(zhǔn)使用低于上表所示500V限值的施加電壓以標(biāo)度最小導(dǎo)體間距值。

適用于電源轉(zhuǎn)換設(shè)備的IPC-9592B導(dǎo)體間距要求

如果上網(wǎng)查找，您會(huì)發(fā)現(xiàn)一些計(jì)算器已使用上述值完成預(yù)編程。確定適當(dāng)?shù)拈g距值后，您就可以將這些作為對(duì)象到對(duì)象的間距，編程到設(shè)計(jì)規(guī)則中。由于不同的電壓下通常會(huì)運(yùn)行不同的網(wǎng)絡(luò)，因此您也可以逐個(gè)網(wǎng)絡(luò)將這些值編程到您的設(shè)計(jì)規(guī)則中。如果您的設(shè)計(jì)變得非常密集，您就可以將某些網(wǎng)絡(luò)設(shè)置得更靠近彼此。

IPC-9592和IPC-2221B間距計(jì)算器 間距計(jì)算器提供了基于上述標(biāo)準(zhǔn)的安全間距計(jì)算。要使用此計(jì)算器，請(qǐng)輸入電路板運(yùn)行的工作電壓，計(jì)算器將返回PCB布局中內(nèi)部、外部和涂層導(dǎo)線(xiàn)的間距要求。該計(jì)算器還將返回符合IPC-9592標(biāo)準(zhǔn)的電源轉(zhuǎn)換設(shè)備的結(jié)果。

金屬轉(zhuǎn)換失敗 金屬轉(zhuǎn)換是具備高導(dǎo)體密度的高壓設(shè)計(jì)中的眾多失效機(jī)制之一。如果兩個(gè)導(dǎo)體達(dá)到高電位，當(dāng)導(dǎo)體含有水溶性鹽類(lèi)殘留物時(shí)，就會(huì)發(fā)生金屬枝晶的電化學(xué)生長(zhǎng)；兩個(gè)焊球之間枝晶生長(zhǎng)的SEM圖像如下所示。

SEM圖像顯示了兩個(gè)焊球之間的極端枝晶生長(zhǎng) 這些金屬枝晶可以使高密度PCB上的兩個(gè)點(diǎn)短路。實(shí)際上這是一種電場(chǎng)效應(yīng)，這就解釋了為什么有最小間距要求；對(duì)于給定的電位差，增加導(dǎo)體之間的間距會(huì)降低導(dǎo)體之間的電場(chǎng)，從而抑制枝晶生長(zhǎng)。

不只是IPC-2221計(jì)算器

請(qǐng)注意，IPC-2221標(biāo)準(zhǔn)是自愿的。但是，對(duì)于建筑和電氣規(guī)范中定義的安全標(biāo)準(zhǔn)所涵蓋的產(chǎn)品，相關(guān)UL或IEC標(biāo)準(zhǔn)中的爬電距離和電氣間距要求可能會(huì)成為強(qiáng)制性要求。例如，在IEC 62368-1標(biāo)準(zhǔn)（已取代IEC 60950-1標(biāo)準(zhǔn)）中，可以找到有關(guān)使用交流電源和電池電源的IT和電信產(chǎn)品的一組相關(guān)安全要求。對(duì)于爬電距離，IPC-2221B下指定的間距取決于RMS工作電壓、污染程度（編號(hào)1到3）和材料組。后兩個(gè)術(shù)語(yǔ)的定義可以在UL 62368-1標(biāo)準(zhǔn)中找到。無(wú)論您需要遵守IEC、IPC還是其他要求的安全標(biāo)準(zhǔn)，在使用正確的PCB設(shè)計(jì)軟件時(shí)，您都可以將設(shè)計(jì)要求指定為設(shè)計(jì)規(guī)則。

為了防止沿層的導(dǎo)體之間因爬電而擊穿，材料選擇與導(dǎo)體之間的適當(dāng)間距同樣重要。材料抗擊穿的能力可以用相對(duì)漏電起痕指數(shù)（CTI）來(lái)概括。PCB層壓材料的CTI值用于設(shè)置基板表面上導(dǎo)體的爬電距離限制。IEC-60112標(biāo)準(zhǔn)定義了CTI值，這樣更大的CTI級(jí)基板在發(fā)生介質(zhì)擊穿之前可以承受更高的電壓。我將在即將發(fā)表的關(guān)于高壓PCB層壓材料以及如何選擇它們的文章中詳細(xì)討論這一點(diǎn)。

現(xiàn)在，請(qǐng)注意，爬電距離和電氣間距是相輔相成的，根據(jù)電氣間距確定間距是新設(shè)計(jì)的良好開(kāi)端。

Altium Designer中的CAD工具和布線(xiàn)功能建立在統(tǒng)一的規(guī)則驅(qū)動(dòng)型設(shè)計(jì)引擎之上，可在您創(chuàng)建電路板時(shí)自動(dòng)檢查您的布局。使用IPC-2221計(jì)算器計(jì)算出您的間距要求后，即可將間距編程到設(shè)計(jì)規(guī)則中，以確保您的電路板在高壓下保持安全并維持功能。您還可以訪問(wèn)全套文檔功能，為制造和裝配做好準(zhǔn)備。