原创 PCB安全电气规范

PCB走线之间的适当距离对于避免电导体之间的闪络或走线至关重要。不幸的是，这个问题没有单一的解决方案。根据电压、应用和其他因素，各种工业和安全标准规定了不同的间距要求。这里我提供一些考虑和一个简单的小部件这将有助于您确定PCB走线之间的适当间距。

安全要求

当某个产品必须得到某个安全机构的认可时，法律可能会要求该产品满足相关机构标准中列出的特定绝缘要求。在这种情况下，找到所需的间距或多或少很简单。例如，在美国，对于大多数市电或电池供电的信息技术设备，允许的最小PCB间距应根据IEC/UL 60950-1第二版表2K、2L、2M或2N确定。这些表格规定了各种绝缘等级的所谓间隙和“爬电距离”,作为工作电压、污染程度、PCB材料组和涂层的函数。

所需的坡度取决于电路的位置。该标准规定了功能绝缘、基本绝缘、补充绝缘、双重绝缘和加强绝缘。例如，当故障会在用户可触及的导电部件上产生危险电压时(例如在主电路和低压次级电路之间绝缘的情况下)，需要双重或加强绝缘。在这种情况下，要分离PCB上的这种电路，需要将相应的距离加倍，如相应的表格所示。下图说明了间隙和爬电距离的测量。作为示例，它列出了典型应用的要求(单位为mm ),其中交流电源为250Vrms，峰值工作电压低于420V，峰值交流电源瞬变高达2.5kV。请注意1毫米≈ 40密耳。如果你没有UL文件的权限，这个漏电计算器会帮你找到必要的距离。当然，对于最终的设计决策，您应该参考适用的标准。请注意，对于在中国制造并计划在海拔2000米以上(最高5000米)使用的设备，根据GB 4943.1-2022最小距离必须乘以1.48。

操作要求

IEC和UL规定的距离实际上大大超过了设备正常运行所需的间距。这样做是为了提供更强的防触电保护。对于位置不需要电击保护的电路，印刷电路走线之间的间距可以做得更小。对于所谓的功能绝缘，UL 60950-1允许使用小于其图表中规定的间距。它们只需经受住电强度测试(随便叫高压绝缘试验)根据第5.2.2段表5B。换句话说，如果只要求功能绝缘，只要在规定的测试电压下PC走线之间没有电击穿，就不需要满足PC走线之间的任何特定间隙。后者通常比分开的迹线之间的实际工作电压大几倍。现在，你怎么知道什么距离可以承受特定的测试电压呢？不幸的是，文献中没有明确的信息说明导体之间的实际击穿电压是多少，以及如何设计PCB以通过特定的HiPot。

以下是我的分析。实验UL在分析银印刷电路板表面光洁度的过程中，证明了一对平行导体的耐压完全是间距的函数，而不是表面光洁度的函数。根据实验，UL规定的耐受电压为40伏/密耳或者在用于印刷线路板的UL796标准中为大约1.6 kV/mm。因此，在我看来，使用这些数字来设计电路板以承受特定测试是合理的。例如，对于次级电路中500V的工作电压，根据UL 60950-1表5B第2部分，您需要承受1740 Vrms。这样的正弦波有1740*√2=2461 V峰值。根据40V/mil标准，所需的最小距离应为2461/40 = 62 mil(或1.6 mm)。

对于UL60950-1安全标准未涵盖的产品，确定设计者通常参考的电气间隙IPC-2221。作为商业和工业应用的通用PCB设计标准，它在全球范围内被广泛接受。这IPC-2221B的表6.1规定作为电压、标高和涂层函数的最小要求导体间隙。自1998年引入以来，这些数字从未修订过。IPC只是在版本A中增加了以英寸为单位的数值，在版本b中保持不变。

当然，总是希望尽可能最大化轨道之间的距离以最小化电击穿的可能性、降低寄生电容并简化PCB组装。然而，由于通常空间不足，将走线和元件展开超过实际需要可能是不可行的。从技术角度来看，IPC逐步清除限制大多是没有根据的。例如，没有任何理由说明为什么301伏需要2.5毫米，而300伏可以使用1.25毫米。电源转换电路的IPC-9592标准最初提供了线性功能间距要求:间距(毫米)= 0.6+Vpeak×0.005。线性函数当然更有意义。然而，在大多数情况下，上述公式会导致更高的间距和严重过度设计的电路板。该文档后来的修订版返回到一种阶跃函数，并放宽了低端要求:V<15V时为0.13毫米，15V≤V<30V时为0.25毫米和30V≤V<100V时为0.1+V×0.01(对于非绝缘导线)。我们的小部件根据上面的等式提供了四舍五入的数字。

人们可能会认为，通用PCB设计标准必须比UL要求更加宽松。实际上，对于V>150V，IPC实际上要求无涂层外部导体之间的间距大于UL 60950-1表5B结合40V/mil标准得出的间距。请注意，通常所有IPC文件都是自愿的，而不是强制性的。特别是，他们声明“此类标准和出版物的存在不应在任何方面阻止IPC的任何成员或非成员制造或销售不符合此类标准和出版物的产品”。

如果PCB空间不足是一个问题，对于非UL应用，您可能需要使用小于IPC规定的间距。然而，在任何异常和瞬态条件下，务必使用足够的安全系数来承受远高于铜走线之间峰值电压的电压。有趣的是，许多主要电源制造商在其低功耗离线设计中广泛使用TO220封装的500-800v MOSFET，工作电压为400V及更高。使用这种封装，您可以在焊盘之间获得大约30密耳的间距，而文档至少需要100密耳。即使你把引线分布在PWB上，你也不能对封装表面的TO220引线之间50密耳的间距做任何事情。

作为参考，下表比较了基于以下三种无涂层裸板外层规格的PCB距离限制；

• IPC2221B
• IPC9592B
• UL60950用于次级功能绝缘，设计满足表5B中的测试，假设耐受电压为40V/mil。

请注意，以下曲线适用于功能的(不是安全！)绝缘。

结论

当产品被UL标准覆盖时，您需要在UL标准中选择合适的表格。特别是，对于UL60950-1涵盖的产品，根据电路的位置确定绝缘等级，然后根据工作电压、污染程度、PCB材料组和涂层从表2K-2N中找出最小要求间距。对于功能绝缘，UL允许使用更短的距离，如果它能承受表5B中的测试电压。出于实用目的，在我看来，你可以在假设电路板承受40V/mil (1.6kV/mm)的情况下计算距离。当然，这个测试电压总是比实际工作电压高得多。还要注意，从技术上来说，UL 60950中给出的绝缘要求适用于高达30千赫。到目前为止，60950-1第二版和IEC 62368-1都允许对30千赫以上的频率有相同的要求，直到他们找到解决办法。你不能排除将来IEC和UL会基于IEC 60664-1和IEC 60664-4对高频电路采用更严格的标准，这将对大多数SMPS设计产生重大影响。