În module de putere compacte, unități de control pentru vehicule cu energie nouă, sau echipamente industriale de mare putere, PCB designerii se confruntă adesea cu o provocare severă: cum să gestionați în siguranță tensiunea înaltă în spațiul limitat pe placă? O eroare aparent minoră de proiectare a distanței poate duce la descărcarea arcului, defectarea izolației, sau chiar incidente de siguranță. Acest articol oferă o analiză aprofundată a două concepte de bază în rutarea de înaltă tensiune — Clearance and Creepage Distance — și stabilește o bază solidă de siguranță pentru PCB și PCB proiectare bazată pe standarde de autoritate.
Clarificarea conceptului: Diferența fundamentală dintre clearance-ul și curajul
Primul, trebuie să definim clar aceste două concepte de siguranță frecvent confuze. Conform IPC-2221B (Standard generic activat Design de bord imprimat) şi IEC 60664-1 (Coordonarea izolației pentru echipamente din sistemele de joasă tensiune):
-
Clearance: Cea mai scurtă distanță în linie dreaptă în aer între două părți conductoare, sau între o parte conductoare și carcasa echipamentului. În primul rând, împiedică distrugerea dielectricului aerului de înaltă tensiune, provocând arcul instantaneu. Gândește-te la asta ca la “straight-line distance to fly across a canyon.”
-
Distanța de scurgere: Cea mai scurtă lungime a căii de-a lungul suprafeței unui material izolator între două părți conductoare. Previne în primul rând contaminanții (precum praful, umiditate, reziduu de flux) de la formarea unei căi conductoare pe suprafața de izolație, conducând la scurgeri lente sau eșec de urmărire. Acest lucru este asemănător cu “shortest path for an ant to crawl along the canyon wall.”
Distincția de bază constă în mediu: se bazează pe aer, celălalt se referă la starea suprafeței de izolație. În medii cu grade mai ridicate de poluare, Cerințele privind distanța de fuga sunt adesea mai stricte decât spațiul liber.
Piatra de temelie a designului: Standarde autorizate și specificații de proiectare PCB bazate pe date
Designul fără standarde este orb. Pentru înaltă tensiune Design PCB, inginerii trebuie să respecte standardele de siguranță corespunzătoare (De ex., Ul, IEC, GB) pe baza domeniului de aplicare a produsului (cum ar fi electronica de consum, control industrial, dispozitive medicale, electronice auto). Printre acestea, IEC 60664-1 este un standard internațional de bază care oferă o metodă de proiectare a tabelului de căutare bazată pe tensiunea de lucru, gradul de poluare, grup material, și categoria de supratensiune.
Luând o sursă de alimentare cu comutație tipică AC-DC (intrare 100-240VAC, cu circuit PFC) izolarea de siguranță între părțile primare și secundare ca exemplu, cerințele sale de izolare includ de obicei:
-
Izolație de bază: Protecție fundamentală împotriva șocurilor electrice.
-
Izolație ranforsată: Echivalent cu izolația de bază dublă, oferind o fiabilitate mai mare.
Conform IEC 62368-1 (Standard de siguranță pentru audio/video, Echipamente pentru Tehnologia Informației și Comunicațiilor) și cerințe comune de certificare, sub Gradul de poluare 2 (mediul industrial general), pentru o tensiune de lucru de 240VAC (tensiune de vârf corespunzătoare ~340V), cerințele minime de curgere și degajare sunt de obicei după cum urmează:
| Tip de izolare | Clearance (Min.) | Distanța de scurgere (Min., Grupa de materiale IIIa) |
|---|---|---|
| Izolație de bază | 2.0 mm | 3.2 mm |
| Izolație ranforsată | 4.0 mm | 6.4 mm |
(Nota: Cele de mai sus sunt valori tipice. Proiectarea reală trebuie să urmeze procesul complet al tabelului de căutare a standardului ales, luând în considerare factori precum altitudinea și supratensiunea tranzitorie.)
Soluții pentru imobiliare limitate de PCB: Cinci strategii de inginerie
Când spațiul la bord este îngust și cerințele privind distanța în linie dreaptă nu pot fi îndeplinite, experimentat Design PCBA inginerii folosesc următoarele strategii pentru a crește în mod eficient lungimea căii de curgere:
1. Slotting pentru creșterea distanței
Aceasta este cea mai clasică și eficientă metodă de inginerie. Frezați sau perforați o fantă de izolare în zona de turnare a cuprului dintre doi conductori de înaltă tensiune.
-
V-Groove / U-Groove: Potrivit pentru compensarea distanței moderate. Slotul nu pătrunde în PCB; adâncimea este de obicei 1/3 la 2/3 de grosimea plăcii. Acest lucru forțează efectiv calea de scurgere să ocolească de-a lungul peretelui fantei, creșterea semnificativă a distanței la suprafață.
-
Slot de trecere lung: Cel mai eficient. Un slot de izolare complet penetrant (adesea lățimea ≥1,0 mm) este creat direct între conductori. Calea de fuga trebuie să ocolească toată lungimea slotului, mărind distanța cu mai mult de două ori lățimea slotului. Aceasta este o tehnică comună la PCB-urile de alimentare cu comutare pentru izolarea primarului de laturile secundare.
2. Upgrade material PCB
-
Selectați Înaltă performanță Substratul PCB: Indicele de urmărire comparativ (CTI) al standardului FR-4 variază de obicei între 175-250V. Alegerea materialelor CTI ridicate (De ex., materiale de izolare de siguranță dedicate cu CTI ≥600V) permite cerințe de distanță de curgere mai scurtă conform standardelor IEC. De exemplu, Grupa de materiale I (CTI ≥600V) poate necesita aproape jumătate din distanța de curgere a grupului IIIa (100V ≤ CTI <175V).
-
Utilizați substraturi ceramice: Pentru modele cu densitate de putere ultra-înaltă, cum ar fi modulele driver IGBT din PCB-urile auto, utilizați direct alumină (Al₂O₃) sau nitrură de aluminiu (AlN) substraturi ceramice. Ceramica nu numai că are un CTI extrem de ridicat, ci și o conductivitate termică excelentă, eliminând în mod fundamental riscurile de urmărire a suprafeței.
3. Îmbunătățirea acoperirii suprafeței PCB
Aplicați acoperire conformă sau vopsea specială anti-urmărire pe zonele de înaltă tensiune ale PCB-ului. Acest lucru poate îmbunătăți rezistența la izolarea suprafeței și poate rezista la umiditate și contaminare într-o oarecare măsură. Cu toate acestea, rețineți că majoritatea standardelor de siguranță (De ex., Ul) nu permiteți să vă bazați exclusiv pe acoperiri pentru a reduce distanța de scurgere. Este mai mult o metodă de întărire auxiliară, iar calitatea acoperirii și fiabilitatea pe termen lung trebuie validate.
4. Gândirea de proiectare tridimensională
Gândiți-vă dincolo de aspectul planului 2D; utilizați cea de-a treia dimensiune.
-
Utilizați pereți/bariere de izolare: Lipiți partițiile izolatoare din plastic pe PCB.
-
Folosiți jumperi sau izolatoare montate vertical: Realizați conexiuni de înaltă tensiune prin fire zburătoare (clearance-ul satisfăcător), evitând complet problemele de curgere la suprafață.
5. Puncte cheie ale procesului de transformare
În design izolat de alimentare cu comutație, izolarea internă a transformatorului este critică. Sârmă cu izolație triplă sau suficienți pereți ai bobinei (plutește) trebuie utilizat între înfășurările primare și secundare. Distanța de izolare este egală cu suma lățimilor pereților de pe ambele părți plus spațiul de aer peste lungimea înfășurării. Ştifturile trebuie să fie acoperite cu tuburi izolatoare, and the tubing must pass through the bobbin wall to prevent “shortcut” breakdown at the pins.
Verificarea designului și tendințele viitoare
La finalizarea designului, verificare strictă folosind DFM (Proiectare pentru producție) şi DFA (Design pentru asamblare) regulile sunt esențiale, în special pentru secţiile de înaltă tensiune. Profesional Producătorii de PCB-uri și furnizorii de PCBA ar trebui să aibă capabilități corespunzătoare de revizuire a standardelor de siguranță.
Privind în viitor, pe măsură ce tensiunile dispozitivului cresc și dimensiunile se micșorează, proliferarea semiconductoarelor cu bandă interzisă largă, cum ar fi Sic (Carbură de siliciu) şi GaN (Nitrură de galiu) ridică provocări mai stricte pentru tensiunea de rezistență a PCB-ului și proiectarea termică. Folosirea software-ului de simulare pentru analiza distribuției câmpului electric înainte de aranjare va deveni procesul standard pentru proiectarea PCB-urilor de înaltă putere.
Concluzie
Designul de siguranță pentru rutarea de înaltă tensiune este o reflectare concentrată a profesionalismului și simțului responsabilității unui inginer PCB. Clearance and Creepage Distance - aceste două invizibile “safety red lines” — să asigure fiabilitatea pe termen lung a produsului și, mai important, the safety of end-users’ lives and property. În căutarea de astăzi a densității și eficienței puterii, stăpânirea acestor principii de siguranță și aplicarea flexibilă a soluțiilor de inginerie este un obstacol tehnic crucial pe care trebuie să îl depășească orice practician angajat în proiectarea PCB-urilor de înaltă tensiune și fabricarea de înaltă calitate a PCBA. Când se confruntă cu astfel de provocări de proiectare, profesionist consultant Furnizori de PCB sau furnizori de servicii PCBA cu experiență bogată în standardele de siguranță, precum UGPCB, pentru stadiul incipient, colaborarea este, fără îndoială, cea mai bună cale de a reduce riscurile și de a optimiza costurile.