En módulos de potencia compactos, Unidades de control de vehículos de nueva energía., o equipos industriales de alta potencia, tarjeta de circuito impreso Los diseñadores a menudo enfrentan un desafío severo.: cómo gestionar de forma segura el alto voltaje en un espacio limitado en la placa? Un error aparentemente menor en el diseño del espaciado puede provocar la descarga del arco., falla de aislamiento, o incluso incidentes de seguridad. Este artículo proporciona un análisis en profundidad de dos conceptos básicos en el enrutamiento de alto voltaje (espacio libre y distancia de fuga) y establece una base de seguridad sólida para su PCB y tarjeta de circuito impreso Diseño basado en estándares autorizados..
Aclaración de conceptos: La diferencia fundamental entre holgura y fuga
Primero, debemos definir claramente estos dos conceptos de seguridad frecuentemente confusos. De acuerdo a IPC-2221B (Estándar genérico en Diseño de tablero impreso) y CEI 60664-1 (Coordinación de aislamiento para equipos dentro de sistemas de bajo voltaje):
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Autorización: La distancia en línea recta más corta en el aire entre dos partes conductoras., o entre una parte conductora y la carcasa del equipo. Principalmente evita que el dieléctrico del aire se descomponga por el alto voltaje., causando arco instantáneo. Piensa en ello como el “straight-line distance to fly across a canyon.”
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Distancia de fuga: La longitud del camino más corto a lo largo de la superficie de un material aislante entre dos partes conductoras.. Previene principalmente los contaminantes. (como el polvo, humedad, residuo de fundente) de formar una ruta conductora en la superficie del aislamiento, lo que lleva a fugas lentas o fallas en el seguimiento. Esto es similar al “shortest path for an ant to crawl along the canyon wall.”
La distinción central radica en el medio.: uno depende del aire, el otro se refiere al estado de la superficie de aislamiento. En ambientes con mayores grados de contaminación, Los requisitos de distancia de fuga suelen ser más estrictos que los de espacio libre..
Piedra angular del diseño: Estándares autorizados y especificaciones de diseño de PCB basadas en datos
El diseño sin estándares es ciego. Para alto voltaje diseño de PCB, Los ingenieros deben seguir las normas de seguridad correspondientes. (p.ej., UL, CEI, ES) Basado en el campo de aplicación del producto. (como la electrónica de consumo, controles industriales, dispositivos medicos, electrónica automotriz). Entre estos, CEI 60664-1 es un estándar internacional fundamental que proporciona un método de diseño de tablas de búsqueda basado en el voltaje de trabajo., grado de contaminación, grupo de materiales, y categoría de sobretensión.
Tomando una fuente de alimentación conmutada AC-DC típica (entrada 100-240 VCA, con circuito PFC) aislamiento de seguridad entre los lados primario y secundario como ejemplo, sus requisitos de aislamiento generalmente incluyen:
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Aislamiento Básico: Protección fundamental contra descargas eléctricas..
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Aislamiento Reforzado: Equivale a doble aislamiento básico, proporcionando mayor confiabilidad.
De acuerdo a CEI 62368-1 (Estándar de seguridad para audio/vídeo, Equipos de tecnología de la información y la comunicación.) y requisitos de certificación comunes, bajo Grado de contaminación 2 (entorno industrial general), para una tensión de trabajo de 240VACACIONES (voltaje pico correspondiente ~340V), Los requisitos mínimos de fuga y espacio libre suelen ser los siguientes:
| Tipo de aislamiento | Autorización (Mín.) | Distancia de fuga (Mín., Grupo de materiales IIIa) |
|---|---|---|
| Aislamiento Básico | 2.0 milímetros | 3.2 milímetros |
| Aislamiento Reforzado | 4.0 milímetros | 6.4 milímetros |
(Nota: Los anteriores son valores típicos.. El diseño real debe seguir el proceso completo de la tabla de búsqueda del estándar elegido., considerando factores como la altitud y la sobretensión transitoria.)
Soluciones para bienes raíces limitados de PCB: Cinco estrategias de ingeniería
Cuando el espacio en la placa es reducido y no se pueden cumplir los requisitos de distancia en línea recta, experimentado diseño de PCBA Los ingenieros emplean las siguientes estrategias para aumentar efectivamente la longitud del camino de fuga.:
1. Ranurado para aumentar la distancia
Este es el método de ingeniería más clásico y eficaz.. Frese o perfore una ranura de aislamiento en el área de vertido de cobre entre dos conductores de alto voltaje..
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Ranura en V / Ranura en U: Adecuado para compensación de distancia moderada. La ranura no penetra en la PCB.; la profundidad es típicamente 1/3 a 2/3 del espesor del tablero. Esto efectivamente obliga a la ruta de fuga a desviarse a lo largo de la pared de la ranura., aumentando significativamente la distancia a la superficie.
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Ranura pasante larga: Más efectivo. Una ranura de aislamiento completamente penetrante (a menudo ancho ≥1,0 mm) Se crea directamente entre conductores.. El camino de fuga debe recorrer toda la longitud de la ranura., aumentar la distancia en más del doble del ancho de la ranura. Esta es una técnica común en PCB de fuente de alimentación de modo conmutado para aislar los lados primario y secundario..
2. Actualización de materiales de PCB
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Seleccione Alto Rendimiento Sustrato de PCB: El índice de seguimiento comparativo (TIC) del FR-4 estándar normalmente oscila entre 175 y 250 V. Elegir materiales con alto CTI (p.ej., materiales de aislamiento de seguridad dedicados con CTI ≥600V) permite requisitos de distancia de fuga más cortos según los estándares IEC. Por ejemplo, Grupo de materiales I (CTI ≥600V) Puede requerir casi la mitad de la distancia de fuga del Grupo IIIa. (100V ≤ CTI <175V).
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Utilizar sustratos cerámicos: Para diseños de densidad de potencia ultraalta, como módulos de controlador IGBT en PCB automotrices, utilizar directamente alúmina (Al₂O₃) o nitruro de aluminio (AlN) sustratos de cerámica. La cerámica no sólo tiene un CTI extremadamente alto sino también una excelente conductividad térmica., eliminando fundamentalmente los riesgos de seguimiento de la superficie.
3. Mejora del revestimiento de la superficie de PCB
Aplique un revestimiento conformado o pintura anti-rastreo especializada a las áreas de alto voltaje de la PCB. Esto puede mejorar la resistencia del aislamiento de la superficie y resistir la humedad y la contaminación hasta cierto punto.. Sin embargo, tenga en cuenta que la mayoría de las normas de seguridad (p.ej., UL) no permita completamente depender únicamente de recubrimientos para reducir la distancia de fuga. Es más un método de refuerzo auxiliar., y la calidad del recubrimiento y la confiabilidad a largo plazo deben validarse.
4. Pensamiento de diseño tridimensional
Piense más allá del diseño del plano 2D; utilizar la tercera dimensión.
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Utilice paredes/barreras aislantes: Soldar particiones de plástico aislantes en la PCB..
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Emplear puentes o aisladores montados verticalmente: Logre conexiones de alto voltaje mediante cables voladores (autorización satisfactoria), evitando completamente los problemas de fuga de la superficie.
5. Puntos clave del proceso del transformador
En diseño de fuente de alimentación conmutada aislada, El aislamiento interno del transformador es crítico.. Alambre con triple aislamiento o paredes de bobina suficientes (flota) debe usarse entre los devanados primario y secundario. La distancia de aislamiento es igual a la suma de los anchos de las paredes en ambos lados más el espacio de aire a lo largo de la longitud del devanado.. Los pasadores deben estar revestidos con tubo aislante., and the tubing must pass through the bobbin wall to prevent “shortcut” breakdown at the pins.
Verificación del diseño y tendencias futuras
Al finalizar el diseño, control estricto utilizando DFM (Diseño para la fabricación) y DFA (Diseño para montaje) las reglas son esenciales, especialmente para secciones de alta tensión. Profesional Fabricantes de PCB y los proveedores de PCBA deben poseer las capacidades de revisión de estándares de seguridad correspondientes..
Mirando hacia adelante, a medida que los voltajes de los dispositivos aumentan y los tamaños se reducen, la proliferación de semiconductores de banda ancha como Sic (Carburo de Silicio) y GaN (Nitruro de galio) plantea desafíos más estrictos para la tensión soportada y el diseño térmico de PCB. El uso de software de simulación para el análisis de distribución de campos eléctricos previo al diseño se convertirá en el proceso estándar para el diseño de PCB de potencia de alta gama..
Conclusión
El diseño de seguridad para enrutamiento de alto voltaje es un reflejo concentrado del profesionalismo y el sentido de responsabilidad de un ingeniero de PCB.. Espacio libre y distancia de fuga: estos dos invisibles “safety red lines” — proteger la fiabilidad a largo plazo del producto y, más importante, the safety of end-users’ lives and property. En la búsqueda actual de densidad de potencia y eficiencia, Dominar estos principios de seguridad y aplicar soluciones de ingeniería de manera flexible es un obstáculo técnico crucial que todo profesional comprometido con el diseño de PCB de alto voltaje y la fabricación de PCBA de alta calidad debe superar.. Al enfrentar tales desafíos de diseño, profesional de consultoría Proveedores de PCB o proveedores de servicios de PCBA con amplia experiencia en estándares de seguridad, como UGPCB, La colaboración en el diseño en las primeras etapas es sin duda el mejor camino para mitigar los riesgos y optimizar los costos..