PCB 디자인 “안전 레드라인”: 고전압 라우팅을 위한 공간거리 및 연면거리 설계에 대한 심층 분석

소형 전원 모듈, 새로운 에너지 차량 제어 장치, 또는 고전력 산업용 장비, PCB 디자이너들은 종종 심각한 도전에 직면합니다: 제한된 보드 공간 내에서 고전압을 안전하게 관리하는 방법? 사소해 보이는 간격 설계 오류로 인해 아크 방전이 발생할 수 있습니다., 절연 실패, 아니면 안전사고라도. 이 기사에서는 고전압 라우팅의 두 가지 핵심 개념인 공간거리와 연면거리에 대한 심층 분석을 제공하고 PCB 및 PCB에 대한 견고한 안전 기반을 구축합니다. PCB 권위 있는 표준에 기반한 디자인.

개념 설명: 클리어런스와 크리피지의 근본적인 차이점

첫 번째, 우리는 자주 혼동되는 이 두 가지 안전 개념을 명확하게 정의해야 합니다.. 에 따르면 IPC-2221B (일반 표준 켜짐 인쇄된 보드 디자인) 그리고 IEC 60664-1 (저전압 시스템 내 장비의 절연 조정):

• 정리: 두 전도성 부품 사이의 공기 중 가장 짧은 직선 거리, 또는 전도성 부품과 장비 인클로저 사이. 이는 주로 고전압으로 인해 공기 유전체가 파손되는 것을 방지합니다., 순간적인 아크 발생. 그것을 다음과 같이 생각하십시오. “협곡을 가로질러 날아갈 수 있는 직선 거리.”

• 연면 거리: 두 전도성 부분 사이의 절연 재료 표면을 따른 최단 경로 길이. 주로 오염 물질을 방지합니다. (먼지와 같은, 수분, 플럭스 잔류물) 절연 표면에 전도성 경로를 형성하는 것으로부터, 느린 누출 또는 추적 실패로 이어짐. 이는 다음과 유사합니다. “개미가 협곡 벽을 따라 기어갈 수 있는 최단 경로.”

핵심 구별은 매체에 있습니다.: 사람은 공기에 의존한다, 다른 하나는 단열재 표면의 상태에 관한 것입니다.. 오염도가 높은 환경에서, 연면거리 요구사항은 공간거리보다 더 엄격한 경우가 많습니다..

디자인 초석: 권위 있는 표준 및 데이터 기반 PCB 설계 사양

기준 없는 디자인은 맹목적이다. 고전압용 PCB 설계, 엔지니어는 해당 안전 표준을 따라야 합니다. (예를 들어, UL, IEC, GB) 제품 적용 분야를 기반으로 (가전제품과 같은, 산업 제어, 의료기기, 자동차 전자). 이들 중, IEC 60664-1 작동 전압을 기반으로 한 룩업 테이블 설계 방법을 제공하는 기초 국제 표준입니다., 오염도, 소재 그룹, 및 과전압 카테고리.

일반적인 AC-DC 스위칭 전원 공급 장치 사용 (입력 100-240VAC, PFC 회로 포함) 예를 들어 1차측과 2차측 사이의 안전 절연, 절연 요구 사항에는 일반적으로 다음이 포함됩니다.:

1. 기초절연: 감전에 대한 근본적인 보호.

2. 강화절연: 이중기초절연과 동일, 더 높은 신뢰성 제공.

에 따르면 IEC 62368-1 (오디오/비디오 안전 표준, 정보통신기술 장비) 및 공통 인증 요구 사항, 아래에 오염도 2 (일반 산업 환경), 작동 전압의 경우 240VAC (해당 피크 전압 ~340V), 최소 연면거리 및 공간거리 요구사항은 일반적으로 다음과 같습니다.:

(메모: 위의 값은 일반적인 값입니다.. 실제 설계는 선택한 표준의 전체 조회 테이블 프로세스를 따라야 합니다., 고도 및 일시적인 과전압과 같은 요인을 고려합니다.)

제한된 PCB 공간을 위한 솔루션: 5가지 엔지니어링 전략

보드 공간이 좁고 직선 거리 요구 사항을 충족할 수 없는 경우, 경험이 풍부한 PCBA 설계 엔지니어는 크리피지 경로 길이를 효과적으로 늘리기 위해 다음 전략을 사용합니다.:

1. 거리 증가를 위한 슬롯팅

이것은 가장 고전적이고 효과적인 엔지니어링 방법입니다.. 두 개의 고전압 도체 사이의 구리 주입 영역에 절연 슬롯을 밀링하거나 펀칭합니다..

• V홈 / U 홈: 적당한 거리 보상에 적합. 슬롯이 PCB를 관통하지 않습니다.; 깊이는 일반적으로 1/3 에게 2/3 보드 두께의. 이렇게 하면 크리피지 경로가 슬롯 벽을 따라 우회하도록 효과적으로 강제됩니다., 표면 거리가 크게 증가함.

• 긴 스루 슬롯: 가장 효과적. 완전히 관통하는 격리 슬롯 (종종 너비 ≥1.0mm) 도체 사이에 직접 생성됩니다.. 크리피지 경로는 전체 슬롯 길이를 둘러싸야 합니다., 슬롯 너비의 두 배 이상 거리 증가. 이는 1차측과 2차측을 분리하기 위한 스위치 모드 전원 공급 장치 PCB의 일반적인 기술입니다..

 

2. PCB 재료 업그레이드

• 고성능 선택 PCB 기판: 비교 추적 지수 (CTI) 표준 FR-4의 범위는 일반적으로 175-250V입니다.. 높은 CTI 재료 선택 (예를 들어, CTI ≥600V의 전용 안전 절연재) IEC 표준에 따라 더 짧은 연면 거리 요구 사항을 허용합니다.. 예를 들어, 재료 그룹 I (CTI ≥600V) 그룹 IIIa에 비해 거의 절반의 연면 거리가 필요할 수 있습니다. (100V ≤ CTI <175다섯).

• 세라믹 기판 활용: 초고전력 밀도 설계용, 자동차 PCB의 IGBT 드라이버 모듈과 같은, 직접 알루미나를 사용 (Al₂O₃) 또는 질화알루미늄 (AlN) 세라믹 기판. 세라믹은 CTI가 매우 높을 뿐만 아니라 열전도율도 우수합니다., 표면 추적 위험을 근본적으로 제거.

3. PCB 표면 코팅 강화

PCB의 고전압 영역에 컨포멀 코팅 또는 특수 추적 방지 페인트 적용. 이는 표면 절연 저항을 향상시키고 습기 및 오염을 어느 정도 방지할 수 있습니다.. 하지만, 대부분의 안전 표준은 (예를 들어, UL) 연면거리를 줄이기 위해 코팅에만 의존하는 것을 완전히 허용하지 않음. 보조 강화 방식에 가깝습니다., 코팅 품질과 장기적인 신뢰성을 검증해야 합니다..

4. 3차원 디자인 사고

2D 평면 레이아웃 그 이상을 생각해보세요; 3차원을 활용하다.

• 단열벽/장벽 사용: 절연 플라스틱 파티션을 PCB에 납땜.

• 점퍼 또는 수직으로 장착된 절연체 사용: 플라잉 와이어를 통해 고전압 연결 달성 (만족스러운 클리어런스), 표면 크리피지 문제를 완전히 방지.

5. 변압기 공정 핵심 사항

절연된 스위칭 전원 공급 장치 설계, 변압기의 내부 절연이 중요합니다.. 삼중 절연 전선 또는 충분한 보빈 벽 (수레) 1차 권선과 2차 권선 사이에 사용해야 합니다.. 격리 거리는 양쪽 벽의 너비와 권선 길이에 대한 공극의 합과 같습니다.. 핀은 절연 튜브로 슬리브 처리되어야 합니다., 방지하려면 튜브가 보빈 벽을 통과해야 합니다. “지름길” 핀 고장.

설계 검증 및 향후 동향

디자인이 완성되면, 엄격한 검사를 사용하여 DFM (제조 가능성을위한 설계) 그리고 DFA (조립을 위한 디자인) 규칙은 필수적이다, 특히 고전압 섹션의 경우. 전문적인 PCB 제조업체 PCBA 공급업체는 해당 안전 표준 검토 역량을 보유해야 합니다..

앞을 내다보며, 장치 전압이 증가하고 크기가 축소됨에 따라, 광대역갭 반도체의 확산 SiC (실리콘 카바이드) 그리고 GaN (질화갈륨) PCB 내전압 및 열 설계에 대한 더 엄격한 문제 제기. 사전 레이아웃 전기장 분포 분석을 위한 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하는 것은 고급 전력 PCB 설계를 위한 표준 프로세스가 될 것입니다..

결론

고전압 라우팅을 위한 안전 설계는 PCB 엔지니어의 전문성과 책임감이 집중적으로 반영된 것입니다.. 클리어런스 및 연면 거리 - 이 두 가지는 보이지 않습니다. “안전 레드 라인” — 제품의 장기적인 신뢰성을 보호하고, 더 중요한 것은, 최종 사용자의 안전’ 생명과 재산. 오늘날의 전력 밀도와 효율성 추구, 이러한 안전 원칙을 숙지하고 엔지니어링 솔루션을 유연하게 적용하는 것은 고전압 PCB 설계 및 고품질 PCBA 제조에 전념하는 모든 실무자가 극복해야 하는 중요한 기술적 장애물입니다.. 이러한 디자인 문제에 직면했을 때, 컨설팅 전문가 PCB 공급 업체 또는 풍부한 안전 표준 경험을 갖춘 PCBA 서비스 제공업체, UGPCB와 같은, 초기 단계의 설계 협업은 의심할 여지 없이 위험을 완화하고 비용을 최적화하는 가장 좋은 방법입니다..