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        蘇州萊瑞測信息科技有限公司
        開關電源PCB安規設計規范
        2017-03-24     來源:安規與電磁兼容網    瀏覽:4048    評論:4        
        導讀:在電子產品的PCB 布線時,導線之間合適的電氣間隙的設置是一件非常重要的工作,合適的線間間距的設置可以防止產品工作中的各有關導體之間發生閃爍和擊穿,并能順利通過有關產品安全標準的審核。在各種產品工業標準和

        在電子產品的PCB 布線時,導線之間合適的電氣間隙的設置是一件非常重要的工作,合適的線間間距的設置可以防止產品工作中的各有關導體之間發生閃爍和擊穿,并能順利通過有關產品安全標準的審核。在各種產品工業標準和安全標準中,根據工作電壓和不同的應用場合以及其他因素,對導體間的電氣間隙和爬電距離有著不同的規定,PCB 布線工程師往往對此莫衷一是,無所適從。接下來就幫大家解決這一難題。

        首先了解下基本概念:

        安規常用術語

        1) 工作絕緣(或功能絕緣) functional insulation

        僅為設備正常工作所需的絕緣。所定義的功能絕緣并不起防電擊的作用。

        2) 基本絕緣  basic insulation 

        對防電擊提供基本保護的絕緣。

        3) 附加絕緣  supplementary insulation 

        除基本絕緣以外施加的獨立的絕緣,用以在基本絕緣一旦失效時仍能防止電擊。

        4) 雙重絕緣  double insulation 
        由基本絕緣加上附加絕緣組合構成的絕緣。

        5) 加強絕緣  reinforced insulation 
        一種單一的絕緣結構,在本標準規定的條件下,其所提供的防電擊的保護相當于雙重絕緣。

        6) 一次電路  primary circuit 
        直接與AC電網電源連接的電路。例如:與AC電網電源連接的裝置,變壓器、電動機、其它負載裝置初級繞組,以及與電網連接的各種裝置。

        7) 二次電路  secondary circuit 
        不與一次電路直接連接,而是由變壓器、變換器或等效的隔離裝置供電或只用電池供電的一種電路。

        8) 電氣間隙  clearance 
        在兩個導電零部件之間或導電零部件與設備界面之間測得的最短空間距離。

        9) 爬電距離  creepage distance
        沿絕緣表面測得的兩個導電零部件之間或導電零部件與設備界面之間的最短距離。見下圖抽象說明。

        窄溝槽

        寬溝槽

        V溝槽

        10)海拔高度 altitude
        設備工作所在位置相對海平面的落差。在IEC60950-1中,默認的設備工作的最大海拔高度為2000m,如果設計要求設備工作的最大海拔高度高于2000m,則設計電氣間隙的時候要在2000m下要求的最小電擊間隙的基礎上乘以一個系數,不同海拔對應的系數關系如下表:

        11)污染等級  Pollution degree

        設備運行時,由于灰塵等物質在設備表面或內部積累的程度,一般分為3級; 

         污染等級 1   污染等級  2  污染等級 3
         密封環境或類似  辦公環境或類似  工廠環境或類似

        12)材料類別  Material group

        根據材料的CTI的大小,對材料進行的分類,具體分類可見下表:

         Ⅰ組材料  Ⅱ組材料   Ⅲa組材料   Ⅲb組材料
         CTI≥600  600>CTI≥400  400>CTI≥175  175>CTI≥100

        基于標準的安全要求如果我們設計的產品必須要得到某個安全認證機構的承認,那么我們首先要考慮產品需要符合相應安全認證機構頒布的有關標準中所規定的絕緣和隔離要求。在這種情況下,我們就能夠直接根據有關標準的要求進行PCB 布線的間距定義。 例如,有的要按照UL60950,有的要求IPC9592等等。

        對于常見的交流電供電或電池供電的信息技術設備,大都依從IEC/EN/UL60950這一標準,那么其PCB 導線之間允許的最小的電氣間隙和爬電距離的要求將可以直接從IEC/EN/UL60950-1 標準的表2K,2L 和表2N 中查到。 附2K,2L,2N表。

        實際上,電氣間隙和爬電距離的設置是和工作電壓,絕緣等級,污染等級,PCB 材料等級, 甚至和產品工作的海拔高度等等相關。查表時,我們首先要搞清上述因素的界定。

        1. 如何確定工作電壓? 根據60950 的解釋,我們在定義電氣間隙時,應該使用峰值電壓和可能出現的外部瞬態過電壓。而定義爬電距離時,則使用均方根值電壓。

        2. 如何確定絕緣等級?60950 的表2H 有詳細的定義。見下述圖示:

        簡單地說來,在大多數應用中,我們可以憑借 以下簡單的分析來進行絕緣等級的定義:

        -  如果在絕緣被破壞的情況下,會對人體易接觸未接地的部件產生危險電壓的,絕緣等級應該設置為加強絕緣。

        - 對于有連接保護地的導體,我們可以設置為基本絕緣?;谶@個觀點,在PE,金屬外殼,金屬固定件周圍,我們一般都需要設置為基本絕緣。 

        3. 如何確定污染等級?首先根據產品定義,大多數情況下定義為II 級。 可參考上面污染等級概念。

        4. 如何定義PCB 的材料等級??筛鶕CB 的CTI 指數,用60950 的2.10.4.2 進行定義。但大多數情況下,材料等級可以列為IIIa 和IIIb。 

        5. 如何定義雙重絕緣或加強絕緣的爬電距離?60950 的表2N 對爬電距離的定義僅適用于功能絕緣,基本絕緣以及增補絕緣。對于雙重絕緣何加強絕緣,應該把表中查到的值乘以2。 

        6. 海拔高度對電氣間隙的影響?海拔高度只對電氣間隙有影響,和爬電距離無關。對于IEC61010 的產品,要乘上基本概念Table A.2表的系數。對適用于其他標準的產品,也要小心備查海拔高度對電氣間 隙設置的影響。 

        7. 如何開槽增加Creepage?根據污染等級來定義,查60950 表F-1。大多數情況下,開槽的寬度不得小于1mm。但如果如果Creepage 的查表值小于Clearance 的查表值,開槽無用。

        基于產品安全運行的要求上述有關標準中對于電氣間隙何爬電距離的定義,是出于安全的考慮和需要。如果我們在PCB 設計時遵守了標準的中規定,當然是件好事情,起碼在電氣安全上不用考慮會出現電擊穿的現象。但是在實際工作中,PCB 的設計往往受到產品體積和尺寸的限制,完全按照標準的規定去設置導線之間的間距,往往使PCB 布線難以在希望的空間和尺寸內得以實現而陷入困境。

        根據60950-1 中5.3.4 節的內容,工程師們這時往往會傾向于利用只要通過短路試驗,電氣間隙和爬電距離可以縮小的定義,來對初級電路中那些不要求電擊防護部分的PCB進行密集布線。但是,在利用5.3.4節的定義的時候,記著不要無節制地應用,一定要記著能夠通過60950 短路的試驗的條件,即:

        -  短路產生的熱量不能引起產品附近棉花紙的燃燒;

        -  短路產生的熱量不能引起基本絕緣,增補絕緣或加強絕緣的破壞從而帶來電擊的危險。

        所以,對于開放式(Open frame)結構或開通風窗的產品,設計時最好采用帶滅弧功能的保險絲管產品或在玻璃保險管上配上防護套管防止短路試驗時熔斷的保險絲管芯引燃棉花紙。 

        除了考慮滿足標準安全要求,PCB 的布線間距的設置還要考慮如何讓產品的功能穩定可靠。如果一味追求60950-1 5.3.4 款的運用來縮小PCB 線的間距,在進行標準安全檢查時,你雖然可以通過短路試驗來獲得安全標準認證機構的認可,但是產品會不會因此而容易在某些應用條件下引起較高概率的閃爍和電擊穿而影響產品的可靠性?

        所以,雖然你的PCB 布線設計通過了5.3.4 中的短路試驗,獲得了安全標準的承認,但是從產品功能和可靠性方面來考慮,你還得需要進行5.2.2 中表5B 規定的電氣絕緣強度試驗,俗稱打高壓或Hi-pot 試驗。只有通過了Hi-pot 試驗,這樣你布出的PCB 才能在標準安全,空間節省和產品可靠性之間得到兼顧和平衡。

        這帶來了一個新的問題,布線間距和試驗耐壓之間會是一個什么樣的關系呢?有關指導PCB 布線的文獻中鮮有這樣的定義或描述。UL 的專家在鍍銀PCB 板的分析實驗中發現,平行導體之間的耐壓和導體間距完全是一個線性函數關系,和導體表面處理工藝沒有關系。根據這一實驗,UL規定了印制線路板耐壓的測試標準是40V/mil 或1.6KV/mm。這一數據對指導在PCB 導線之間設置能夠承受Hipot 的耐壓試驗的安全間距非常有用。

        舉例說,根據60950-1 表5B 的規定,500V 的工作電壓之間的導體應該要滿足1740Vrms的耐壓試驗,而1740Vrms 的峰值應該是740X1.414=2460V。根據40V/mil 的設置標準,可以計算出PCB 兩導體之間的間距應該不小于2460/40=62mil 或1.6mm。

        對于哪些不要求遵守60950 或其他安全標準的產品,設計工程師可以參考IPC-2221 表6.1 來進行PCB 導線之間的電氣間隙的設置,見以下表格。IPC-2221 是在世界上被廣泛接受的一個用于商業或工業類產品的PCB 通用標準。

        IPC-2221, 表6.1:

        另外根據最新頒布的IPC-9592,

        一個用于電源變換器電路的IPC 指導標準,推薦了PCB 導線之間的間距應該依從于一個線性公式:
        SPACING (mm) = 0.6 + Vpeak x .005 

        還有個UL840這個上面的要求稍微低一些,見下表:

         通過比較后,我們可以看到60950 的表5B,UL840和UL 40V/mil 的耐壓測試標準對PCB 線間間距的計算結果最小,也就是條件最為寬松,見下圖。

        然而,畢竟IPC-2221 和 IPC-9592 要照顧的產品范圍更為寬泛,能夠遵守其中的PCB 線間間距的定義,產品的安全余量和對其他安全標準的適應性相對而言就更有把握。 

        另附UL840部分參考表格,供大家參考。

         

         

         

         

         

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