使用IPC-2221 PCB间距计算器进行高压电路设计

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。

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。您还可以访问全套文档功能，为制造和装配做好准备。
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