PCB安规设计指南:从入门到精通,轻松掌握关键技巧
硬件十万个为什么 2024-05-30

一、PCB安规设计概述

PCB(印刷电路板)的安规设计是确保电路板在操作过程中是安全的,符合相关法规和标准,避免出现电击、火灾或其他安全隐患。以下是一些关键的安规设计考虑:

1. 电气间隙和爬电距离

  • 电气间隙(Clearance): 两个导电部分之间通过空气的最短距离。确保足够的间隙以防止电弧。

  • 爬电距离(Creepage Distance): 沿绝缘表面两个导电部分之间的最短距离。适当的爬电距离可以避免漏电或短路。

2. 绝缘材料

选择适合的绝缘材料和涂层,以确保在高电压下不会发生击穿或漏电。常用的绝缘材料包括FR-4、聚酰亚胺等。

3. 接地设计

  • 单点接地: 降低地环路和噪声干扰,确保所有接地点都汇聚到一个公共点。

  • 多点接地: 在高频应用中减少电磁干扰(EMI)。

4. 过流保护

  • 使用熔断器或断路器保护电路防止过流。

  • 添加电流限制电阻、热敏电阻或PTC元件以提供额外保护。

5. 热管理

  • 适当的热设计,包括使用散热器、导热填料、铜箔增加等方法,确保电路板不会过热。

  • 布局时将高功率元件远离敏感电路,以减少热干扰。

6. EMC(电磁兼容性)设计

  • 添加滤波器、电感、屏蔽等措施,减少电磁干扰。

  • 使用地平面和电源平面,减少信号回路面积,避免形成天线效应。

7. 焊盘和过孔设计

  • 避免焊盘之间距离过近,防止焊接短路。

  • 确保过孔和焊盘的机械强度,避免焊接时的热应力导致开裂。

8. 机械强度

  • 根据应用场景设计适当的板厚和支撑,防止在使用过程中发生变形或断裂。

  • 使用固定孔和加强筋提高机械稳定


9. 标识和标记

  • 安全标识:在电路板上标注高压警示标志和安全提示。

  • 追溯标记:确保每块电路板都有唯一的标识码,方便追溯和管理。

10. 符合标准

  • 国际标准:确保设计符合国际安规标准如UL(美国保险商实验室)、IEC(国际电工委员会)等。

  • 本地法规:遵守所在国家或地区的安全法规和认证要求。

常见标准和认证

  • UL 60950:信息技术设备的安全标准。

  • IEC 61010:测量、控制和实验室用电设备的安全要求。

  • ISO 13485:医疗器械质量管理体系。

11. 测试和验证

  • 电气安全测试:包括耐压测试、绝缘电阻测试等。

  • 环境测试:包括温湿度测试、振动测试等。

  • EMC测试:确保电路板的电磁兼容性符合标准。


PCB的安规设计是确保电子产品安全运行的关键环节,需要综合考虑电气性能、机械强度、环境适应性等多方面因素。设计过程中应严格遵循相关标准和规范,并进行充分的测试和验证,确保产品在各种条件下的安全性和可靠性。


二、PCB安规设计中涉及的定义

一次电路 primary circuit

直接与AC电网电源连接的电路。例如:与AC电网电源连接的装置,变压器、电动机、其它负载装置初级绕组,以及与电网连接的各种装置。

二次电路 secondary circuit

不与一次电路直接连接,而是由变压器、变换器或等效的隔离装置供电或只用电池供电的一种电路。

危险电压 hazardous voltage

存在于既不符合限流电路全部要求也不符合TNV电路全部要求的电路中,其交流峰值超过42.4V或直流值超过60V的电压。

注:不论电压高低,一次电路都是危险电压电路。

特低电压电路 extra -low voltage (ELV)circuit

在正常工作条件下,在电路的任意两个导体之间或任一导体与地之间电压的交流峰值不超过42.4V或直流值不超过60V的二次电路;至少使用基本绝缘与危险电压隔离,但它既不符合SELV电路的全部要求,也不符合限流电路(3.18)的全部要求。


安全特低电压电路 safety extra-low voltage (SELV)circuit

适当的设计和保护的二次电路,使得在正常条件下和单一故障条件下,任意两个可触及的导体之间的电压值均不会超过安全值。

功能绝缘 functional insulation

仅为设备正常工作所需的绝缘。

注:所定义的功能绝缘并不起防电击的作用。但是,它可以用来减小引燃和着火的危险的可能性。

基本绝缘 basic insulation

对防电击提供基本保护的绝缘。

附加绝缘 supplementary insulation

除基本绝缘以外施加的独立的绝缘,用以在基本绝缘一旦失效时仍能防止电击。

双重绝缘 double insulation

由基本绝缘加上附加绝缘组合构成的绝缘。

加强绝缘 reinforced insulation

一种单一的绝缘结构,在本标准规定的条件下,其所提供的防电击的保护相当于双重绝缘。

电气间隙 clearance

在两个导电零部件之间或导电零部件与设备界面之间测得的最短空间距离。

爬电距离 creepage distance

沿绝缘表面测得的两个导电零部件之间或导电零部件与设备界面之间的最短距离。

绝缘穿透距离 distances through insulation

在两个导电零部件之间或导电零部件与设备界面之间的绝缘材料的最小厚度

保护接地导体 protective earthing conductor

用来把设备的电源保护接地端子,同建筑物安装接地点连接起来的建筑物安装布线或电源中的导线。

保护连接导体 protective bonding conductor

用来把电源的保护接地端子同设备中为安全目的而需要接地的部分连接起来的设备中的导线或设备中的一个导电零部件的组合


污染等级 pollution degree

污染等级 1

污染等级 2

污染等级 3

密封环境或类似


办公环境或类似

工厂环境或类似


材料组别 material group

Ⅰ组材料

Ⅱ组材料

a组材料

b组材料

CTI600

600CTI400

400CTI175

175CTI100

注:CTI是材料相比漏电起痕指数,一般由材料生产商提供,不能确知时按b考虑。

安装类别(过电压等级) installation category

根据设备在电力系统中的分布位置(即过电压条件)划分的,分为以下四类:

安装类别Ⅳ:初级电源水平级。如:架空线、电缆系统、配电母线、户外电力线上的 电动机等;

安装类别Ⅲ:配电及控制水平级。如:直接接到配电干线、装入配电箱中的电器;

安装类别Ⅱ:负载水平级。如:控制、启动、切断电动机用电器,螺线管电磁阀,耗能电器(电灯、电热器、家用电器、便携式设备);

安装类别Ⅰ:信号水平级。如:安装在电力系统末端的特殊设备类别,低压电子逻辑系统、电信、遥控、小功率信号电路中的设备。


三、安规标准

UL1950GB4943EN60950


UL 1950是一个已经被废止的标准,它主要针对信息技术设备(ITE)的安全性。该标准由美国保险商实验室(Underwriters Laboratories,UL)制定,用于评估和认证计算机及相关设备的安全性能。UL 1950的内容覆盖了设备的电气安全、机械安全、火灾安全和环境耐受性等方面。尽管UL 1950现在已经被更现代的标准(如UL 60950-1和最新的IEC 62368-1)所取代,但了解其内容对于理解信息技术设备的安全设计仍然有参考价值。

UL 1950的主要内容

1. 电气安全

  • 电气绝缘:确保设备在正常和故障情况下的绝缘性能,防止触电风险。

  • 耐压测试:验证设备在高压条件下的绝缘强度。

  • 漏电流限制:控制漏电流在安全范围内,防止对用户造成伤害。

2. 机械安全

  • 结构强度:设备应具有足够的机械强度,以承受正常使用和意外碰撞。

  • 稳定性和跌落测试:确保设备在合理的跌落和倾斜条件下不易损坏。

  • 防护装置:在可能接触到危险部位的地方设置保护屏障或外壳。

3. 火灾安全

  • 材料阻燃性:使用阻燃材料,防止设备内部起火并蔓延。

  • 过载保护:在电路中设计过载保护机制,如保险丝或断路器,防止电路过热引发火灾。

4. 环境耐受性

  • 温度和湿度测试:验证设备在极端温度和湿度条件下的可靠性。

  • 抗污染能力:确保设备在多尘、潮湿等恶劣环境中能正常工作。

UL 1950与其他标准的关系

UL 1950已经被UL 60950-1替代,后者同样涵盖了信息技术设备的安全性,但做了更加详细和现代的规范。最新的IEC 62368-1标准更进一步,整合了音视频和信息技术设备的安全要求,采用基于危害的安全工程方法。

GB 4943

GB 4943是中国国家标准,针对信息技术设备(包括电气商务设备)的安全性进行规范。该标准等同采用了国际电工委员会(IEC)发布的IEC 60950-1标准,因此,GB 4943的内容和要求与UL 60950-1具有高度相似性。GB 4943旨在确保信息技术设备在使用过程中,保护用户免受电气、机械和火灾等潜在危险的伤害。下面是GB 4943标准的主要内容和设计要求:

GB 4943的主要内容

1. 电气安全

  • 绝缘要求:设备必须在正常使用和单一故障条件下保持足够的绝缘性能,以防止触电。

  • 漏电流和保护导体电流:控制设备在正常和故障条件下的漏电流和保护导体电流,确保不会对用户造成危害。

  • 电气间隙和爬电距离:确保电气间隙和爬电距离满足标准规定,以防止电弧和电击。

2. 机械安全

  • 结构设计:设备应具备足够的机械强度,能够承受正常使用和非正常使用情况下的机械应力。

  • 防护装置:在可能存在机械危险的部位,应设置防护装置,如护罩或隔离屏。

  • 稳定性和机械强度测试:设备应经过稳定性和机械强度测试,确保不会因倾倒或撞击而损坏或对用户造成伤害。

3. 火灾安全

  • 材料阻燃性:设备所用材料应具有足够的阻燃性能,以防止火灾的发生和蔓延。

  • 温升测试:确保设备在工作状态下的温升在安全范围内,防止过热引发火灾。

  • 过电流保护:设备应设置过电流保护装置,如保险丝或断路器,防止电气过载引发火灾。

4. 环境适应性

  • 温湿度适应性:设备应能够在规定的温湿度范围内正常工作。

  • 防尘和防水能力:对于特定环境使用的设备,应具备相应的防尘和防水能力,确保可靠性。

认证和测试

符合GB 4943标准的设备需要通过一系列测试,包括但不限于:

  • 电气强度测试

  • 漏电流测试

  • 温升测试

  • 机械强度和稳定性测试

  • 阻燃测试

GB 4943与国际标准的关系

GB 4943等同采用了IEC 60950-1,且与UL 60950-1在很多方面是一致的。这意味着在设计和生产过程中,遵循GB 4943标准的设备在国际市场上更容易获得相应的认证和接受。

过渡到GB 4943.1/IEC 62368-1

随着技术的发展,GB 4943正在逐步被GB 4943.1取代,后者等同采用了IEC 62368-1标准。IEC 62368-1标准采用了基于危险的工程方法,更加注重设备的风险评估和管理,是信息技术设备和音视频设备安全标准的整合与更新。

GB 4943是中国针对信息技术设备安全性的国家标准,与国际标准高度一致。设备设计者和制造商应遵循GB 4943的要求,确保产品在电气、机械和火灾等方面的安全性。此外,关注GB 4943.1/IEC 62368-1等新标准的动向,及时更新设计和认证流程,以适应全球市场的需求和技术发展。


EN60950

EN 60950 是一项欧洲标准,针对信息技术设备(包括电气商务设备)的安全性进行规范。这一标准等同采用了国际电工委员会(IEC)发布的 IEC 60950-1 标准,因此,EN 60950 的内容和要求与 UL 60950-1 以及 GB 4943 高度相似。EN 60950 旨在确保信息技术设备在使用过程中保护用户免受电气、机械和火灾等潜在危险的伤害。

IEC 62368-1

IEC 62368-1 是国际电工委员会(IEC)制定的标准,旨在为音频/视频、信息和通信技术设备的安全性提供指导。该标准采用了一种基于危害的工程方法,取代了先前的 IEC 60950-1(信息技术设备的安全)和 IEC 60065(音频、视频和类似电子设备的安全)标准。IEC 62368-1 的主要目的是通过考虑设备可能带来的危害和风险,来保护用户免受电气、机械、火灾和热能等各种潜在危害。

IEC 62368-1 的主要特点

1. 基于危害的工程方法

IEC 62368-1 与传统标准的主要区别在于它采用了基于危害的工程方法,而不是基于具体设备类型的规定。此方法的核心是识别潜在的危害,并设计防护措施来减轻这些危害。

2. 适用范围广

该标准适用于广泛的音频/视频、信息和通信技术设备,包括但不限于计算机、显示器、电视、音响设备、电话、网络设备等。

IEC 62368-1 的主要内容

1. 电气安全

  • 电气绝缘:确保设备的绝缘性能,以防止触电。包括基本绝缘、附加绝缘和强化绝缘。

  • 漏电流和触电保护:限制漏电流和触电电流,以保护用户和服务人员的安全。

  • 电气间隙和爬电距离:根据工作电压和污染等级,规定了最小的电气间隙和爬电距离。

2. 机械安全

  • 机械强度:设备应具备足够的机械强度,能够承受正常使用和预期的误用。

  • 防护装置:在可能存在机械危害的部位,设置适当的防护装置,如护罩、盖板等。

3. 热安全和火灾安全

  • 温升限制:规定了设备在正常使用和单一故障条件下的最高温升,以防止过热。

  • 防火材料:要求使用具备阻燃性能的材料,防止火灾的发生和蔓延。

  • 过电流保护:设置过电流保护装置,如保险丝或断路器,防止电气过载引发火灾。

4. 环境适应性

  • 环境条件:设备应能够在规定的温度、湿度和污染等级范围内正常工作。

  • 抗污染能力:对于在多尘、潮湿等恶劣环境中使用的设备,要求具备相应的防尘和防水能力。

认证和测试

符合 IEC 62368-1 标准的设备需要通过一系列测试,以确保其安全性。这些测试包括但不限于:

  • 电气强度测试

  • 漏电流测试

  • 温升测试

  • 机械强度和稳定性测试

  • 阻燃测试

过渡期和实施

IEC 62368-1 已经成为信息技术和音频/视频设备新的安全标准,各国和地区也在逐步采用该标准来替代之前的 IEC 60950-1 和 IEC 60065 标准。在欧洲,这一标准对应的EN版本为EN 62368-1。

IEC 62368-1 通过采用基于危害的工程方法,为音频/视频和信息通信技术设备的设计和制造提供了现代化的安全框架。设备设计者和制造商应遵循该标准,确保产品在各种条件下的安全性。此外,及时了解和适应标准的最新变化,对于确保产品在全球市场上的合规性和竞争力至关重要。


四、关于安规的PCB设计

选择PCB材料

FR4 是一种常用的印刷电路板(PCB)基材,具有良好的机械强度、绝缘性能和耐热性能。FR4 中的“FR”代表“Flame Retardant”,即阻燃的意思。FR4 的阻燃等级主要基于其符合 UL 94 标准,这是评估塑料材料燃烧特性的一个标准。

UL 94 阻燃等级

UL 94 标准定义了不同材料在燃烧条件下的表现,主要包括以下几个等级:

  1. UL 94 V-0:在样品被垂直点燃后,火焰在10秒内熄灭,且没有滴落的熔融物点燃棉纱。

  2. UL 94 V-1:在样品被垂直点燃后,火焰在30秒内熄灭,且没有滴落的熔融物点燃棉纱。

  3. UL 94 V-2:在样品被垂直点燃后,火焰在30秒内熄灭,但滴落的熔融物可能点燃棉纱。

  4. UL 94 HB(Horizontal Burning):材料在水平位置被点燃时,燃烧速度小于一定值。

FR4 的阻燃等级

FR4 材料通常符合 UL 94 V-0 等级,这意味着它在被垂直点燃后的10秒内火焰会熄灭,并且不会滴落熔融物引燃其他材料。这使得 FR4 成为一种安全、可靠的PCB基材,适用于各种电子产品,特别是对防火要求较高的应用场景。

FR4 材料的特点

  • 高绝缘性:FR4 具有优异的绝缘性能,适用于高电压和高频电路。

  • 机械强度:FR4 板材具有较高的机械强度和韧性。

  • 耐热性:FR4 材料能够在较宽的温度范围内保持稳定的物理和电气性能。

  • 低吸湿性:FR4 对水分的吸收较低,因此适用于潮湿环境。

应用领域

由于其阻燃特性和优异的综合性能,FR4 广泛应用于以下领域:

  • 消费电子:如计算机、手机、家用电器等。

  • 工业控制:自动化控制系统、传感器等。

  • 电信设备:路由器、交换机、基站等。

  • 医疗设备:心电图仪、监护仪等高安全性要求的设备。

结论

FR4 材料的 UL 94 V-0 阻燃等级使其成为一种非常安全可靠的PCB基材,适用于对防火要求严格的应用。其高绝缘性、机械强度、耐热性和低吸湿性等优良性能,使得 FR4 成为电子制造业中不可或缺的重要材料。在进行PCB设计和制造时,选择符合阻燃等级要求的材料,如 FR4,可以显著提高产品的安全

正常状态下,若某点可得功率超过15W或工作电压超过50V,则阻燃等级需V-1以上;若某点在工作电压超过400V的情况下可得功率超过15W,则阻燃等级需V-0;


正常状态下,若某点在工作电压超过50V,小于等于400V时,可得功率超过15W,则阻燃等级需V-1以上;


若某点在工作电压超过400V的情况下可得功率超过15W,则阻燃等级需V-0(EN60065标准)。



分析电路特性,确定PCB隔离

1、判定PCB中哪些是与最终可触及件有电气联系;

2、确定产品输入,输出,接地,及用户可触及端口;

3、如果输入输出是要求隔离的,则需分析电路图,找出跨接输入输出的器件,如变压器,光耦,电容器,并绘制草图,确定隔离带

4、如果是带有隔离辅助电源的,也要找出跨接输入输出的器件,绘制草图,并标注和主电路的连接关系,确定隔离带;


分析电路类型,确定绝缘类型

1、针对用户可触及电路的特点,确定可行的保护方法;对于需要采取双重保护的电路可以采用:基本绝缘+保护接地,双重绝缘,加强绝缘等三种方式构成。

2、根据绝缘跨接的电路类型,查表2确定绝缘类型;


估计工作电压,确定绝缘距离(估计只作设计参考,判定合格需经测试确定)

1、根据电路特性,估计绝缘跨接的两电路之间的最大可能工作电压(有效值和峰值)

推荐工作电压有效值保守估计方法为:

通常无PFC等升压电路的一次、二次电路之间按输入最大电压估计,隔离变压器原副边电压按原边电压最大值加上副边最大值估计

对有PFC或类似升压电路的一次、二次电路之间,PFC前端按无PFC一样估计,PFC后端按PFC输出电压估计,PFC后端隔离变压器原副边电压按原边电压最大值加上副边最大值估计。

2、根据产品应用条件,对照污染等级、安装类别定义,确定绝缘距离应查的表格,再根据绝缘类型和估计的工作电压,查对应的表格,判定绝缘距离。


3、多层PCB板同一层面上的绝缘距离确定方法与上述方法相同,PCB层间厚度也与绝缘等级密切相关,工作绝缘、基本绝缘没有厚度要求(只有耐压要求);附加绝缘、加强绝缘要求厚度至少为0.4mm,同时满足耐压要求。

4、推荐按照下列步骤进行:

Step1:确定过电压等级

Step2:估算工作电压的峰值,重复峰值

Step3:查表确定电气间隙;并且根据绝缘类型确定最终距离:

Step4:估算工作电压的有效值;

Step5:估计污染等级和材料的CTI值;

Step6:查表6确定爬电距离,根据绝缘类型确定最终爬电距离:

Step7:如果爬电距离小于电气间隙,则选取电气间隙的数值为爬电距离;

5、一般额定输入电压为220V设备,则一次电路与SELV之间应大于5mmSELV对保护地应大于2mm;输入对保护地应大于3.2mm,考虑到防雷推荐为4mm

满足绝缘距离的判定

绝缘距离是否符合要求,对于不同的绝缘类型判定方法不同。

1 工作绝缘的判定

工作绝缘是保证设备正常工作的绝缘,一般不涉及产品的安全性能,因而要求相对宽松,满足下列条件之一,即符合要求:

1、电气间隙和爬电距离符合规范的要求;

2、短路该绝缘跨接的两电路部分,没有着火、电击等危险情况;

3、能承受相应的抗电强度;

2 基本绝缘、附加绝缘、加强绝缘的判定

基本绝缘、附加绝缘、加强绝缘是保证设备的安全性能的绝缘,要求严格,必须满足距离要求,并且满足耐压要求(详见GB494318)

PCB标识与注意事项

1、保险丝附近是否有6项完整的标识,包括保险丝序号,熔断特性,额定电流值,防爆特性,额定电压值,英文警告标识,如F101 F3.15AH,250Vac,“CAUTION: For Continued Protection Against Risk ofFire, Replace Only With Same Type and Rating of Fuse”。

保险丝额定值需标注在保险丝座旁边,格式例如“T315mA L125V”。


2、交流输入标识LN以及保护接地标识

3、接线端标识应是唯一的,且不易引起混淆、误解。

4、同一设备不同单板之间元器件参考位最好是唯一的,且单板应有可区分的名称标识;单板应预留适当的空位,以便贴上条码(或等效识别标识),不跨接除工作绝缘以外的绝缘,不遮挡其他丝印或标识,也不被遮挡、破坏。

5PCB板设计时应充分考虑安装应用条件,留出足够的板边距,以满足安装后与外壳或其他元器件电气间隙和爬电距离要求,并防止标识被遮挡、破坏。

6、外形对称元器件PCB设计时应考虑防呆,如IC的第一脚位为方孔,变压器原副边脚位不对称,贴片IC的第一脚加一圆点(或等效标识),单板不对称安装或虚开一防呆孔。

7PCB丝印应包含其版本信息,PCB设计更改,版本应作相应的更改。

8、隔离带用白色丝印作为划分标识;

9、电击危险的标识见ISO 3864,编号5036

PCB设计更改控制

1PCB更换新厂家或新材料,必须提供材料及其阻燃等级UL认证证书给安规室备案;

2、对实行安规控制的量产产品,含正在做和已做完安规认证产品的PCB设计更改(含更换新厂家或新材料),应有详细记录,详细记录应包含更改原因、更改详细描述、更改设计人、日期、版本等,并报安规室认可备案,未经安规室认可,不得在量产产品上使用认证标记;

3PCB人员设计时执行规范,工艺人员负责审核PCB安规设计是否符合规范,保证本规范范围内产品PCB安规设计符合规范;安规人员负责整机产品的安规审查,并监督本规范执行情况;

4、对量产产品PCB设计更改,工艺审核符合规范后,工艺部门知会安规人员,安规部门负责报认证公司认可,认证公司认可后量产产品才能使用认证标识。



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