PCB-Designs “Sicherheitsrote Linien”: Eingehende Analyse des Luft- und Kriechstreckendesigns für die Hochspannungsführung

In kompakten Leistungsmodulen, Steuergeräte für neue Energiefahrzeuge, oder leistungsstarke Industrieanlagen, Leiterplatte Designer stehen oft vor einer großen Herausforderung: Wie man Hochspannung auf begrenztem Platz auf der Platine sicher verwaltet? Ein scheinbar geringfügiger Fehler bei der Abstandsgestaltung kann zu einer Lichtbogenentladung führen, Isolationsfehler, oder sogar Sicherheitsvorfälle. Dieser Artikel bietet eine detaillierte Analyse zweier Kernkonzepte bei der Hochspannungsführung – Luft- und Kriechstrecke – und schafft eine solide Sicherheitsgrundlage für Ihre Leiterplatte und Leiterplatte Design basierend auf maßgeblichen Standards.

Konzeptklärung: Der grundlegende Unterschied zwischen Luft- und Kriechstrecke

Erste, Wir müssen diese beiden häufig verwechselten Sicherheitskonzepte klar definieren. Entsprechend IPC-2221B (Allgemeiner Standard auf Leiterplattendesign) Und IEC 60664-1 (Isolationskoordination für Geräte in Niederspannungssystemen):

• Freigabe: Der kürzeste geradlinige Abstand in der Luft zwischen zwei leitenden Teilen, oder zwischen einem leitfähigen Teil und dem Gerätegehäuse. Es verhindert in erster Linie, dass das Luftdielektrikum durch Hochspannung zerstört wird, was zu sofortiger Lichtbogenbildung führt. Betrachten Sie es als das “Luftlinie, um über eine Schlucht zu fliegen.”

• Kriechstrecke: Die kürzeste Weglänge entlang der Oberfläche eines Isoliermaterials zwischen zwei leitenden Teilen. Es verhindert vor allem Verunreinigungen (wie Staub, Feuchtigkeit, Flussmittelrückstände) dass sich auf der Isolationsoberfläche ein leitfähiger Pfad bildet, Dies führt zu langsamer Leckage oder Trackingfehlern. Dies ist vergleichbar mit dem “Der kürzeste Weg für eine Ameise, entlang der Schluchtwand zu kriechen.”

Der Kernunterschied liegt im Medium: man verlässt sich auf Luft, der andere betrifft den Zustand der Dämmoberfläche. In Umgebungen mit höherem Verschmutzungsgrad, Die Anforderungen an die Kriechstrecke sind oft strenger als die Luftstrecke.

Design-Grundstein: Maßgebliche Standards und datengesteuerte PCB-Designspezifikationen

Design ohne Standards ist blind. Für Hochspannung PCB-Design, Ingenieure müssen entsprechende Sicherheitsstandards befolgen (z.B., UL, IEC, GB) basierend auf dem Produktanwendungsbereich (wie zum Beispiel Unterhaltungselektronik, Industrielle Steuerung, medizinische Geräte, Automobilelektronik). Unter diesen, IEC 60664-1 ist ein grundlegender internationaler Standard, der eine auf der Arbeitsspannung basierende Entwurfsmethode für Nachschlagetabellen bereitstellt, Verschmutzungsgrad, Materialgruppe, und Überspannungskategorie.

Nehmen wir ein typisches AC-DC-Schaltnetzteil (Eingang 100-240VAC, mit PFC-Schaltung) Beispiel Sicherheitstrennung zwischen Primär- und Sekundärseite, Zu den Isolationsanforderungen gehören typischerweise::

1. Grundisolierung: Grundlegender Schutz vor elektrischem Schlag.

2. Verstärkte Isolierung: Entspricht einer doppelten Basisisolierung, sorgt für eine höhere Zuverlässigkeit.

Entsprechend IEC 62368-1 (Sicherheitsstandard für Audio/Video, Ausrüstung für Informations- und Kommunikationstechnologie) und allgemeine Zertifizierungsanforderungen, unter Verschmutzungsgrad 2 (allgemeine industrielle Umgebung), für eine Arbeitsspannung von 240VAC (entsprechende Spitzenspannung ~340V), Die Mindestanforderungen an Kriechstrecken und Luftstrecken sind typischerweise wie folgt:

(Notiz: Die oben genannten Werte sind typische Werte. Der tatsächliche Entwurf muss dem vollständigen Lookup-Table-Prozess des gewählten Standards folgen, unter Berücksichtigung von Faktoren wie Höhe und vorübergehender Überspannung.)

Lösungen für begrenzte PCB-Immobilien: Fünf technische Strategien

Wenn der Platz auf der Platine knapp ist und die Anforderungen an den geradlinigen Abstand nicht eingehalten werden können, erfahren PCBA-Design Ingenieure wenden die folgenden Strategien an, um die Kriechweglänge effektiv zu erhöhen:

1. Schlitzung zur Abstandsvergrößerung

Dies ist die klassischste und effektivste technische Methode. Fräsen oder stanzen Sie einen Isolationsschlitz im Kupfergussbereich zwischen zwei Hochspannungsleitern.

• V-Nut / U-Nut: Geeignet für moderaten Distanzausgleich. Der Schlitz dringt nicht in die Leiterplatte ein; Tiefe ist typischerweise 1/3 Zu 2/3 der Plattendicke. Dies zwingt den Kriechpfad effektiv dazu, entlang der Schlitzwand umzuleiten, deutlich größerer Flächenabstand.

• Langer Durchgangsschlitz: Am effektivsten. Ein vollständig durchdringender Isolationsschlitz (oft Breite ≥1,0 ​​mm) entsteht direkt zwischen Leitern. Der Kriechweg muss über die gesamte Länge des Schlitzes verlaufen, Vergrößerung des Abstands um mehr als das Doppelte der Schlitzbreite. Dies ist eine gängige Technik bei Schaltnetzteil-Leiterplatten zur Isolierung der Primärseite von der Sekundärseite.

 

2. PCB-Material-Upgrade

• Wählen Sie „Hochleistung“. PCB -Substrat: Der vergleichende Tracking-Index (CTI) des Standard-FR-4 liegt typischerweise zwischen 175 und 250 V. Auswahl von Materialien mit hohem CTI (z.B., Spezielle Sicherheitsisolationsmaterialien mit CTI ≥600 V) Ermöglicht kürzere Kriechstreckenanforderungen gemäß IEC-Normen. Zum Beispiel, Materialgruppe I (CTI ≥600 V) kann fast die Hälfte der Kriechstrecke der Gruppe IIIa erfordern (100V ≤ CTI <175V).

• Verwenden Sie Keramiksubstrate: Für Designs mit ultrahoher Leistungsdichte, wie IGBT-Treibermodule in Automobil-Leiterplatten, Aluminiumoxid direkt verwenden (Al₂O₃) oder Aluminiumnitrid (AlN) Keramiksubstrate. Keramik verfügt nicht nur über einen extrem hohen CTI, sondern auch über eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit, Dadurch werden die Risiken der Oberflächenverfolgung grundsätzlich eliminiert.

3. Verbesserung der PCB-Oberflächenbeschichtung

Tragen Sie Schutzlack oder spezielle Anti-Kriechstrom-Farbe auf Hochspannungsbereiche der Leiterplatte auf. Dies kann den Oberflächenisolationswiderstand verbessern und bis zu einem gewissen Grad Feuchtigkeit und Verschmutzung widerstehen. Jedoch, Beachten Sie, dass die meisten Sicherheitsstandards (z.B., UL) Es ist nicht völlig zulässig, sich ausschließlich auf Beschichtungen zu verlassen, um die Kriechstrecke zu verringern. Es handelt sich eher um eine Hilfsverstärkungsmethode, und die Beschichtungsqualität sowie die Langzeitzuverlässigkeit müssen validiert werden.

4. Dreidimensionales Design Thinking

Denken Sie über das 2D-Ebenenlayout hinaus; Nutzen Sie die dritte Dimension.

• Verwenden Sie Isolierwände/Barrieren: Isolierende Kunststofftrennwände auf die Platine auflöten.

• Verwenden Sie Brücken oder vertikal montierte Isolatoren: Erzielen Sie Hochspannungsverbindungen über fliegende Drähte (zufriedenstellende Freigabe), Oberflächenkriechprobleme werden vollständig vermieden.

5. Kernpunkte des Transformatorprozesses

In isolierter Schaltnetzteilausführung, Die innere Isolierung des Transformators ist von entscheidender Bedeutung. Dreifach isolierter Draht oder ausreichend Spulenwände (schwimmt) muss zwischen Primär- und Sekundärwicklung verwendet werden. Der Isolationsabstand entspricht der Summe der Wandbreiten auf beiden Seiten plus dem Luftspalt über die Wicklungslänge. Die Stifte müssen mit Isolierschlauch ummantelt sein, und der Schlauch muss durch die Spulenwand geführt werden, um dies zu verhindern “Abkürzung” Panne an den Stiften.

Designverifizierung und zukünftige Trends

Nach Abschluss des Entwurfs, strenge Kontrolle mit DFM (Design für die Herstellung) Und DFA (Design für die Montage) Regeln sind unerlässlich, insbesondere für Hochspannungsabschnitte. Professional PCB -Hersteller und PCBA-Lieferanten sollten über entsprechende Fähigkeiten zur Überprüfung von Sicherheitsstandards verfügen.

Blick nach vorn, wenn die Spannungen der Geräte steigen und die Größen schrumpfen, die Verbreitung von Halbleitern mit großer Bandlücke wie SiC (Siliziumkarbid) Und GaN (Galliumnitrid) stellt strengere Anforderungen an die Spannungsfestigkeit und das thermische Design der Leiterplatte. Der Einsatz von Simulationssoftware für die Analyse der elektrischen Feldverteilung vor dem Layout wird zum Standardprozess für das High-End-Leistungs-PCB-Design werden.

Abschluss

Das Sicherheitsdesign für Hochspannungsleitungen ist ein konzentriertes Spiegelbild der Professionalität und des Verantwortungsbewusstseins eines Leiterplatteningenieurs. Luft- und Kriechstrecke – diese beiden sind unsichtbar “rote Sicherheitslinien” — die langfristige Zuverlässigkeit des Produkts zu gewährleisten und, noch wichtiger, die Sicherheit der Endbenutzer’ Leben und Eigentum. Im heutigen Streben nach Leistungsdichte und Effizienz, Die Beherrschung dieser Sicherheitsprinzipien und die flexible Anwendung technischer Lösungen ist eine entscheidende technische Hürde, die jeder Praktiker, der sich mit dem Design von Hochspannungs-Leiterplatten und der Herstellung hochwertiger Leiterplatten beschäftigt, überwinden muss. Wenn Sie vor solchen Designherausforderungen stehen, Beratungsprofi PCB -Lieferanten oder PCBA-Dienstleister mit umfassender Erfahrung im Bereich Sicherheitsstandards, wie UGPCB, denn eine frühe Designzusammenarbeit ist zweifellos der beste Weg, um Risiken zu mindern und Kosten zu optimieren.