Altium Designer中的CAD工具和布线功能

 

PCB设计和装配标准不会限制您的工作效率。相反，其存在是为了帮助跨多个行业构建统一产品设计和性能的期望。标准化带来了合规工具，例如某些设计方面的计算器、审计和检查流程等。 在高压PCB设计中，重要的PCB设计通用标准是IPC-2221。该设计标准总结了许多重要的设计方面，其中一些归结为简单的数学公式。对于高压PCB，IPC-2221计算器可以帮助您快速确定PCB上导电元件之间的适当间距要求，这有助于确保您的下一块高压电路板在其工作电压下保持安全。

当设计软件包含这些规范作为自动设计规则时，您就可以保持高效并避免在构建电路板时出现布局错误。什么是IPC-2221？IPC-2221（修订版B，2012年生效）是公认的行业标准，定义了PCB设计的多个方面。部分示例包括材料（包括基板和镀层）的设计要求、可测试性、热管理和散热装置以及环形圈等。 某些设计指南被更具体的设计标准所取代。例如，IPC-6012和IPC-6018分别提供了刚性PCB和高频PCB的设计规范。这些附加标准旨在与通用PCB的IPC-2221标准基本一致。


不过，IPC-2221通常不是用于评估产品可靠性或制造良率/缺陷的资格标准。对于刚性电路板，通常使用IPC-6012或IPC-A-600来鉴定已制造的刚性PCB。IPC-2221B高压设计的导体间距IPC-2221B标准规定了高压PCB设计的重要设计要求。其中之一是导体间距，旨在解决两点：

在高电场强度下发生电晕或介质击穿的可能性

导电阳极丝化的可能性，有时称为枝晶生长（参见下文）

第一点最重要，因为设置PCB中导体之间的真正最小间距最有利于控制。第二种效应也可以抑制，即采用适当的导线间距、选择适当的材料并在制造过程中保持常规的清洁度。在IPC-2221标准中，防止这些效应所需的间距总结为两个导体之间的电压函数。 下图所示为IPC-2221标准中的表6-1。这些值列出了最小导体间距作为两个导体之间的电压函数。这些值根据导体之间的峰值交流或直流电压而定。请注意，IPC-2221仅针对最高500V的电压规定了固定的最小导体间距值。一旦两个导体之间的电压超过500V，则下表所示的每伏特间距值将用于计算最小导体间距。超过500V之后，所需的最小间距就会相对应增加，如表最下面一行所示。

IPC-2221B导体间距要求电流过高时的温度上升并非所有高压PCB都会在大电流下运行，但那些要求使用大电流的PCB在导体不够大时可能会出现高的温升。PCB中的温度升高是由于焦耳热引起的，这与导体的直流电阻有关。因此，当电流也很大时，承载高电流的导体的横截面积应较大。 要确定最佳横截面积，可以使用基于IPC-2221和IPC-2152标准中所发布数据的计算器。IPC-2152计算器中使用的数据集更复杂，但可以提供比IPC-2221计算器更准确的结果。

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了解IPC-2152和IPC-2221计算器之间的区别

IPC-9592B电源转换设备标准IPC-9592B标准专门针对电源转换设备提供了导体间距要求。与IPC-2221中规定的所需导体间距同时绘制时，这些标准相当一致。下表规定了IPC-9592B下的间距要求。这将所需的最小导线间距定义为峰值电压值的函数；不同之处在于，该标准使用低于上表所示500V限值的施加电压以标度最小导体间距值。

 

最小间距（mm）	电压范围（V）
0.13	V峰值 < 15
0.25	15 ≤ V峰值 < 30
0.1 +（0.01*V峰值）	30 ≤ V峰值 < 100
0.6 +（0.005*V峰值）	100 ≤ V峰值

 

适用于电源转换设备的IPC-9592B导体间距要求 如果上网查找，您会发现一些计算器已使用上述值完成预编程。确定适当的间距值后，您就可以将这些作为对象到对象的间距，编程到设计规则中。由于不同的电压下通常会运行不同的网络，因此您也可以逐个网络将这些值编程到您的设计规则中。如果您的设计变得非常密集，您就可以将某些网络设置得更靠近彼此。IPC-9592和IPC-2221B间距计算器间距计算器提供了基于上述标准的安全间距计算。要使用此计算器，请输入电路板运行的工作电压，计算器将返回PCB布局中内部、外部和涂层导线的间距要求。该计算器还将返回符合IPC-9592标准的电源转换设备的结果。点击前往使用间距计算器金属转换失败金属转换是具备高导体密度的高压设计中的众多失效机制之一。如果两个导体达到高电位，当导体含有水溶性盐类残留物时，就会发生金属枝晶的电化学生长；两个焊球之间枝晶生长的SEM图像如下所示。

 

SEM图像显示了两个焊球之间的极端枝晶生长 这些金属枝晶可以使高密度PCB上的两个点短路。实际上这是一种电场效应，这就解释了为什么有最小间距要求；对于给定的电位差，增加导体之间的间距会降低导体之间的电场，从而抑制枝晶生长。不只是IPC-2221计算器请注意，IPC-2221标准是自愿的。但是，对于建筑和电气规范中定义的安全标准所涵盖的产品，相关UL或IEC标准中的爬电距离和电气间距要求可能会成为强制性要求。例如，在IEC 62368-1标准（已取代IEC 60950-1标准）中，可以找到有关使用交流电源和电池电源的IT和电信产品的一组相关安全要求。对于爬电距离，IPC-2221B下指定的间距取决于RMS工作电压、污染程度（编号1到3）和材料组。后两个术语的定义可以在UL 62368-1标准中找到。无论您需要遵守IEC、IPC还是其他要求的安全标准，在使用正确的PCB设计软件时，您都可以将设计要求指定为设计规则。


为了防止沿层的导体之间因爬电而击穿，材料选择与导体之间的适当间距同样重要。材料抗击穿的能力可以用相对漏电起痕指数（CTI）来概括。PCB层压材料的CTI值用于设置基板表面上导体的爬电距离限制。IEC-60112标准定义了CTI值，这样更大的CTI级基板在发生介质击穿之前可以承受更高的电压。我将在即将发表的关于高压PCB层压材料以及如何选择它们的文章中详细讨论这一点。现在，请注意，爬电距离和电气间距是相辅相成的，根据电气间距确定间距是新设计的良好开端。 Altium Designer中的CAD工具和布线功能建立在统一的规则驱动型设计引擎之上，可在您创建电路板时自动检查您的布局。使用IPC-2221计算器计算出您的间距要求后，即可将间距编程到设计规则中，以确保您的电路板在高压下保持安全并维持功能。

        审核编辑：彭菁