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设计电路板布局中的PCB爬电和电气间隙标准

日期: 2021-05-18
浏览次数: 172
作者: PCB
来源: PCB

重要要点

  • 什么是PCB爬电距离和电气间隙?

  • 决定爬电距离和电气间隙标准的因素

  • 满足PCB爬电距离和电气间隙标准的设计方法

设计电路板布局中的PCB爬电和电气间隙标准

印刷电路板上的高压零件

有许多篝火,例如篝火或壁炉,可以提高生产效率,变暖甚至浪漫。但是,在印刷电路板上您永远都不会看到火灾的地方,如果PCB的设计不适合高压,这可能是一个真正的风险。在某些情况下,设计不正确的电路板可能会产生静电放电,进而可能损坏电路板和组件,并可能引发火灾。

为避免此问题,从事高压应用的PCB设计人员应特别注意设计中裸露金属导体之间的分隔。有两种方法可以测量这种间距,即爬电距离和间隙,并且保持两者所需的间距非常重要我们将在这里了解PCB爬电距离和电气间隙标准之间的差异,以及为避免高压问题或PCB意外燃烧所需要采取的步骤。



PCB爬电距离和电气间隙的区别

如果金属之间的距离太近,则传导高压的印刷电路板可能会因暴露的金属之间的静电放电而受害。这种放电可能会损坏电路板及其组件,对于PCB设计人员而言,观察电路板上金属导体之间的适当间距非常重要。电路板上的导体间距可通过两种方法来测量:爬电距离和电气间隙:

  • 爬电距离:这是指电路板表面或绝缘材料表面上两个导体之间的距离。

  • 间隙:这是两条导体通过空中的视线距离。

在电压高于30VAC或60VDC的高压电路中,必须遵守爬电距离和电气间隙间隔规则,以防止两根导体之间意外电弧。通常,这两个测量值是相同的,就像在板的无障碍部分上的两个组件焊盘或金属的其他裸露区域之间的距离一样。但是,在某些情况下,这两种测量方法会有所不同,具体取决于组件的放置方式或裸板的轮廓是否异常。如下所示,爬电距离是指两个组件焊盘之间的电路板表面间距另一方面,该间隙是左侧组件的金属散热器和右侧组件垫之间的气隙。

设计电路板布局中的PCB爬电和电气间隙标准

如侧视图所示,PCB上的爬电距离和电气间隙的示例

接下来,我们将研究在哪里可以找到这些爬电距离和电气间隙标准。

什么是PCB爬电和间隙标准?

计算PCB爬电距离和电气间隙标准需要考虑不同的因素,包括工作电压,污染程度(电路板上的灰尘和冷凝水)以及要评估的电路类型。爬电距离计算的另一个重要因素是层材料被用来建造原始板。电压将在电路板表面形成一条导电路径,这将破坏其绝缘性能,某些电路板材料比其他电路板更能抵抗这种影响。比较跟踪指数(CTI)定义了每种材料的电阻值;该数字越高,其抗击穿性就越大。例如,FR-4的默认CTI值为175,而其他更专业的材料的CTI值可以高达600。

有许多文件涉及PCB爬电和电气间隙标准,主要文件是IPC-2221。这是一个通用标准,涵盖了许多不同的设计规则,包括高压电路所需的间距。这些限制由DC或AC电压电平,内层,已涂覆或未涂覆的外层以及基材材料来描述。除了IPC-2221,您还可以在这些标准中找到其他信息:

  • IPC-9592:该标准比IPC-2221更具体,因为它定义了高于100伏的电源转换设备的间距要求。

  • UL-61010-1:这些标准规定了电气测试和实验室设备以及其他工业设备设计中的安全要求。

  • UL-60950-1:该标准适用于各种设备的高低压应用。

这些标准将为设置PCB所需的间隙提供坚实的基础,以保护PCB免受过电压事件的影响,该事件可能会在两个不同的导体之间产生电弧。在设计中模拟功率分布并使用这些结果来帮助设置布局的物理属性也很重要

设计电路板布局中的PCB爬电和电气间隙标准

电源组件在电路板上的布局

如何使用这些标准设计PCB布局

达到间距要求后,电路板将需要适当的爬电距离和电气间隙,下一步是在PCB布局系统的设计规则中设置这些值。可以为金属与金属之间的间隙设置规则和约束,无论是在走线,焊盘,铜浇注之间,还是这三者的任意组合之间。您还将需要为您的组件占用空间设置正确的间距,尤其是那些导通大量电压的较大部件。在某些情况下,您甚至可以在特定的占位空间周围设置独特的避开间隙,以解决散热器和其他异常配置的问题。所有这些规则将帮助您在所需的高压组件之间保持必要的间距。

当你放元器件的布局,确保当你把他们考虑零件的各个方面。这将包括可能悬垂在零件上的任何金属导体(例如散热器),尤其是在您无法在零件周围设置唯一的避开区域的情况下。在布局期间,您还需要确保对组件放置的任何编辑或更改都不会超出您已经在零件之间仔细设置的间距。即使将组件旋转90度也会导致形状异常的零件违反电压间隙。

这是在布局间距时要考虑的其他两种技术:

  • 为了帮助保持正确的间距,请尝试在电路板的一侧放置高压组件,在另一侧放置低压组件。在某些情况下,高压零件之间的间隔规则可能不如低压零件那样严格。

  • 爬电将需要另一种解决方案,因为将零件放在电路板的另一侧不会给您所需的穿过电路板表面的隔离。取而代之的是,您可能想在板上安装绝缘屏障或切开凹槽或插槽。电路板轮廓的变化将增加电压必须传播的整个表面的距离,从而为您提供所需的爬电距离。

幸运的是,您的PCB设计工具中有许多功能可以提供帮助,我们将在接下来的内容中进行介绍。

依靠PCB布局工具的强大功能

设计电路板布局中的PCB爬电和电气间隙标准

Allegro中的约束管理器,显示组件封装之间的间距值

设置设计规则和约束是确保布局符合PCB爬电和电气间隙标准的最佳方法。如上图所示,Cadence的Allegro PCB编辑器中的约束管理可以使用特定的封装进行设置,以封装间隙,以保持高压零件的正确爬电距离。此外,您还可以为电源和接地创建网类,并为其分配必要的间距。这些设置与设计规则一起使用将帮助您保持所需的间距。

您还应该充分利用PCB设计系统随附的电路模拟器和分析工具。这些可用于对电路板的配电网络进行建模,以确保按照您的需要连接高压网络。最后,请确保在您的PCB设计工具中使用3D查看和检查功能。传导高压的零件可能具有不规则的轮廓,例如散热片,并且能够以3D形式对其进行检查并目视确认其位置对于您的设计而言是一项重要的资产。


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