开关电源之PCB安规设计规范
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工作中的各有關導體之間發生閃爍或擊穿，并能順利通過有關產品安全標準的審核。在各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（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。
?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在2000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；
?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：
?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，我們就能夠根據有關標準的要求進行PCB布線的距離定義。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。
電氣間隙是兩個導電體之間的空氣中最短的距離，而最小電氣絕緣間隙主要由表2J、2K和2L來確定。具體查表方法如下：
?1、根據交流電網電壓有效值和過電壓類別確認交流電網電源瞬態電壓（由附表Z和2J確定）；
?2、首先確定污染等級，在根據實測兩點峰值工作電壓B和上述確認的交流電網電源瞬態電壓值可確定最小電氣間隙為C1（由表2K確定）；
表2K一次電路絕緣以及一次電路與二次電路之間絕緣最小電氣間隙（海拔2000m以下）
3.確定污染等級后，再根據實測兩點峰值工作電壓B和電網電源瞬態電壓確認附加電氣間隙C2（由表2L確定）；
表2L一次電路的附加電氣間隙（適用于海拔2000m以下）
??4、如果B大于交流電網峰值則最小電氣間隙為C1+C2，如果B小于或等于交流電網峰值則最小電氣間隙就等于C1。
爬電距離是兩個導電體沿絕緣材料表面的最短距離，而最小爬電距離只由表格2N來確定；具體查表方法如下：
1、確定污染等級；
2、再根據實測工作電壓有效值和絕緣材料的材料組別確定最小爬電距離（由表2N確定）。
表2N最小爬電距離
?一次電路和二次電路之間的電壓測試方法
假如開關電源輸入有L、N和PE則測試圖如下圖1所示：
?
假如開關電源輸入只有L、N則測試圖如下圖2所示：
?
?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，我們首先要搞清楚上述因素的界定。
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。對于這個觀點，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。可根據PCB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。對于雙重絕緣和加強絕緣，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IEC61010的產品，要乘以基本概念Tabke 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，開槽寬度不得小于1mm。但如果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和爬電距離的定義，是出于安全的考慮和需要。如果我們在PCB設計時遵循了標準中的規定，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點擊防護部分的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點擊的危險。
所以，對于開放式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60950-15.3.4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板的分析試驗中發現，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設置，見以下表格。IPC-2221是在世界上被廣泛接受的一個商業或工業產品的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一個線性公式：SPACING（mm）=0.6+Vpeak*0.005
還有個UL840這個上面的要求稍微低一些，見下表：
?通過比較后，我們可以看出60950的表5B，UL840和UL40V/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廣泛，能遵守其中的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。
總結
以上是生活随笔為你收集整理的开关电源之PCB安规设计规范的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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