“本系列將從電壓需求與隔離、電流需求與分配、功率需求與熱管理三個(gè)章節(jié)來(lái)介紹大功率 PCB 設(shè)計(jì)。建議提前安裝 Saturn PCB Toolkit，用于查找資料信息。”

在大功率PCB設(shè)計(jì)中，對(duì)電壓需求的管理是確保安全性和可靠性的首要任務(wù)。疏忽電壓隔離不僅會(huì)導(dǎo)致電路板故障，還可能引發(fā)短路、電弧，甚至對(duì)操作人員構(gòu)成嚴(yán)重威脅。本文將深入探討如何識(shí)別和實(shí)施 PCB 的電壓隔離需求。

1. 盡早識(shí)別隔離需求

在設(shè)計(jì)過(guò)程的最初階段就必須明確電壓隔離需求。這包括：

• 最大工作電壓：您的設(shè)計(jì)將承受的最高電壓是多少？是28V、270V還是1000V？

• 應(yīng)用特定標(biāo)準(zhǔn)：設(shè)計(jì)是否需要遵守特定的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)？例如：

  • IEC 62368-1（音視頻及IT設(shè)備）

  • IEC 60601（醫(yī)療設(shè)備）

  • NASA-STD-4005A（低地球軌道航天器充電）

• 安全邊界：是否需要為操作員安全設(shè)置隔離邊界？

• HiPot 測(cè)試：硬件是否需要進(jìn)行高壓測(cè)試？測(cè)試電壓是多少？

這些需求將直接影響您的布局規(guī)劃、可用布線面積和元件選擇。

2. 理解IPC-2221標(biāo)準(zhǔn)

當(dāng)沒(méi)有特定的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，IPC-2221（通用印制電路板設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)）是我們的黃金準(zhǔn)則。該標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)電壓水平和設(shè)備類型來(lái)規(guī)定最小導(dǎo)體間距。

IPC-2221將導(dǎo)體分為不同類型，例如：

• B1:內(nèi)部導(dǎo)體

• B4:帶有永久聚合物涂層（如阻焊層）的外部導(dǎo)體

• A6:未涂覆的外部元件引線/端子

• A7:帶有保形涂層（Conformal Coating）的外部元件引線/端子

目前大部分的計(jì)算器仍使用 IPC-2221 Rev B，比如打開(kāi) Saturn PCB Tools，切換到 “最小導(dǎo)體間距” 標(biāo)簽，可以看到支持 7 種器件類型。下圖展示了導(dǎo)體間電壓為 31-50V，器件類型為 A6 時(shí)，最小間距要求為 15.75 mil。

IPC-2221標(biāo)準(zhǔn)在C版本（2003年12月發(fā)布）中進(jìn)行了更新，調(diào)整了間距值并增加了 A8 設(shè)備類型。下表為 2221 C 的查找表。

3. 爬電距離 (Creepage) vs. 電氣間隙 (Clearance)

在討論隔離時(shí)，必須區(qū)分兩個(gè)關(guān)鍵概念：

• 電氣間隙 (Clearance):兩導(dǎo)體之間通過(guò)空氣的最短直線距離。這主要受空氣中顆粒物的影響。

• 爬電距離 (Creepage):兩導(dǎo)體之間沿絕緣表面的最短距離。這受表面污染、濕氣和殘留物積聚的影響。

應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)通常會(huì)根據(jù)預(yù)期的環(huán)境污染等級(jí)來(lái)定義所需的爬電距離和電氣間隙。

4. 布局中的實(shí)際考量

明確需求后，必須在布局中嚴(yán)格執(zhí)行：

• 劃分電壓區(qū)域：在布局中明確劃分高壓區(qū)和低壓區(qū)。

• 執(zhí)行設(shè)計(jì)規(guī)則：在EDA工具中設(shè)置嚴(yán)格的間隙和爬電距離規(guī)則，不要依賴手動(dòng)檢查。

• 跨邊界元件：任何跨越隔離邊界的元件（如光耦、變壓器）本身必須具有足夠的隔離等級(jí)。

上圖中的位置必須進(jìn)行耐壓測(cè)試。

5. 元件封裝的限制

高壓額定值的元件并不意味著在您的設(shè)計(jì)中就能實(shí)現(xiàn)該額定值。封裝和焊盤布局往往是真正的限制因素。

• 通孔器件 (THT)：必須同時(shí)檢查元件引腳之間（例如，100mil間距的連接器）和PCB焊盤之間的間隙。在某些情況下，焊盤間的距離（例如39mil）可能成為瓶頸，將設(shè)計(jì)的電壓上限從720V拉低到300V。

• 表貼器件 (SMD)：同樣，一個(gè)額定2000V的0805電容，其端子間的物理距離（例如60mil）可能根據(jù)IPC-2221標(biāo)準(zhǔn)（如A6類型）將其在應(yīng)用中的最大電壓限制在720V。

6. 關(guān)鍵材料特性：CTI

CTI (Comparative Tracking Index)是衡量絕緣材料在暴露于污染時(shí)抵抗電壓擊穿能力的指標(biāo)。

• 測(cè)試方法：在材料表面施加電壓，并滴加電解液，觀察材料何時(shí)開(kāi)始碳化（即“漏電起痕”）。

• PLC等級(jí)：CTI值被分為0到5的性能等級(jí)（PLC）。PLC 0代表最佳性能（>600V）。

• 選材標(biāo)準(zhǔn)：IPC-2221的默認(rèn)間距值基于CTI為175（PLC 3）的材料。如果您的工作電壓高于175V，強(qiáng)烈建議選擇CTI值高于最大工作電壓的材料（例如PLC 1或0），以顯著降低漏電起痕的風(fēng)險(xiǎn)。

7. 隔離對(duì)可用面積的影響

最后，更高的電壓隔離需求會(huì)顯著減少PCB的可用布局面積。例如，在一個(gè)3x5英寸的電路板上，安裝孔所需的隔離間隙：

• 50V隔離：損失2.3%的可用外層空間。

• 1500V隔離：損失11.2%的可用外層空間。

這種面積損失會(huì)嚴(yán)重影響布線密度和元件布局。因此，在項(xiàng)目初期就明確電壓需求至關(guān)重要，這可以避免在設(shè)計(jì)后期因空間不足而進(jìn)行昂貴的返工。

結(jié)合 Saturn PCB tools，以下是 50 V 的示例（3x5英寸 PCB）：

以下是 500V 的示例（3x5英寸 PCB）：

以下是 1000V 的示例（3x5英寸 PCB）：

以下是 1500V 的示例（3x5英寸 PCB）：

可以看到，電壓隔離要求對(duì)可用的布局、布線區(qū)域有不小的影響。如果可能的話，盡量在原理圖中也清晰地標(biāo)記電壓隔離的需求。必須在 EDA 工具中設(shè)定爬電距離和信號(hào)間距的規(guī)則，不要依靠人工的檢查！