PCB設計和裝配標準不會限制您的工作效率。相反，其存在是為了幫助跨多個行業構建統一產品設計和性能的期望。標準化帶來了合規工具，例如某些設計方面的計算器、審計和檢查流程等。 在高壓PCB設計中，重要的PCB設計通用標準是IPC-2221。該設計標準總結了許多重要的設計方面，其中一些歸結為簡單的數學公式。對于高壓PCB，IPC-2221計算器可以幫助您快速確定PCB上導電元件之間的適當間距要求，這有助于確保您的下一塊高壓電路板在其工作電壓下保持安全。

當設計軟件包含這些規范作為自動設計規則時，您就可以保持高效并避免在構建電路板時出現布局錯誤。什么是IPC-2221？IPC-2221（修訂版B，2012年生效）是公認的行業標準，定義了PCB設計的多個方面。部分示例包括材料（包括基板和鍍層）的設計要求、可測試性、熱管理和散熱裝置以及環形圈等。 某些設計指南被更具體的設計標準所取代。例如，IPC-6012和IPC-6018分別提供了剛性PCB和高頻PCB的設計規范。這些附加標準旨在與通用PCB的IPC-2221標準基本一致。


不過，IPC-2221通常不是用于評估產品可靠性或制造良率/缺陷的資格標準。對于剛性電路板，通常使用IPC-6012或IPC-A-600來鑒定已制造的剛性PCB。IPC-2221B高壓設計的導體間距IPC-2221B標準規定了高壓PCB設計的重要設計要求。其中之一是導體間距，旨在解決兩點：

在高電場強度下發生電暈或介質擊穿的可能性

導電陽極絲化的可能性，有時稱為枝晶生長（參見下文）

第一點最重要，因為設置PCB中導體之間的真正最小間距最有利于控制。第二種效應也可以抑制，即采用適當的導線間距、選擇適當的材料并在制造過程中保持常規的清潔度。在IPC-2221標準中，防止這些效應所需的間距總結為兩個導體之間的電壓函數。 下圖所示為IPC-2221標準中的表6-1。這些值列出了最小導體間距作為兩個導體之間的電壓函數。這些值根據導體之間的峰值交流或直流電壓而定。請注意，IPC-2221僅針對最高500V的電壓規定了固定的最小導體間距值。一旦兩個導體之間的電壓超過500V，則下表所示的每伏特間距值將用于計算最小導體間距。超過500V之后，所需的最小間距就會相對應增加，如表最下面一行所示。

IPC-2221B導體間距要求電流過高時的溫度上升并非所有高壓PCB都會在大電流下運行，但那些要求使用大電流的PCB在導體不夠大時可能會出現高的溫升。PCB中的溫度升高是由于焦耳熱引起的，這與導體的直流電阻有關。因此，當電流也很大時，承載高電流的導體的橫截面積應較大。 要確定最佳橫截面積，可以使用基于IPC-2221和IPC-2152標準中所發布數據的計算器。IPC-2152計算器中使用的數據集更復雜，但可以提供比IPC-2221計算器更準確的結果。

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IPC-9592B電源轉換設備標準IPC-9592B標準專門針對電源轉換設備提供了導體間距要求。與IPC-2221中規定的所需導體間距同時繪制時，這些標準相當一致。下表規定了IPC-9592B下的間距要求。這將所需的最小導線間距定義為峰值電壓值的函數；不同之處在于，該標準使用低于上表所示500V限值的施加電壓以標度最小導體間距值。

適用于電源轉換設備的IPC-9592B導體間距要求 如果上網查找，您會發現一些計算器已使用上述值完成預編程。確定適當的間距值后，您就可以將這些作為對象到對象的間距，編程到設計規則中。由于不同的電壓下通常會運行不同的網絡，因此您也可以逐個網絡將這些值編程到您的設計規則中。如果您的設計變得非常密集，您就可以將某些網絡設置得更靠近彼此。IPC-9592和IPC-2221B間距計算器間距計算器提供了基于上述標準的安全間距計算。要使用此計算器，請輸入電路板運行的工作電壓，計算器將返回PCB布局中內部、外部和涂層導線的間距要求。該計算器還將返回符合IPC-9592標準的電源轉換設備的結果。點擊前往使用間距計算器金屬轉換失敗金屬轉換是具備高導體密度的高壓設計中的眾多失效機制之一。如果兩個導體達到高電位，當導體含有水溶性鹽類殘留物時，就會發生金屬枝晶的電化學生長；兩個焊球之間枝晶生長的SEM圖像如下所示。

SEM圖像顯示了兩個焊球之間的極端枝晶生長 這些金屬枝晶可以使高密度PCB上的兩個點短路。實際上這是一種電場效應，這就解釋了為什么有最小間距要求；對于給定的電位差，增加導體之間的間距會降低導體之間的電場，從而抑制枝晶生長。不只是IPC-2221計算器請注意，IPC-2221標準是自愿的。但是，對于建筑和電氣規范中定義的安全標準所涵蓋的產品，相關UL或IEC標準中的爬電距離和電氣間距要求可能會成為強制性要求。例如，在IEC 62368-1標準（已取代IEC 60950-1標準）中，可以找到有關使用交流電源和電池電源的IT和電信產品的一組相關安全要求。對于爬電距離，IPC-2221B下指定的間距取決于RMS工作電壓、污染程度（編號1到3）和材料組。后兩個術語的定義可以在UL 62368-1標準中找到。無論您需要遵守IEC、IPC還是其他要求的安全標準，在使用正確的PCB設計軟件時，您都可以將設計要求指定為設計規則。


為了防止沿層的導體之間因爬電而擊穿，材料選擇與導體之間的適當間距同樣重要。材料抗擊穿的能力可以用相對漏電起痕指數（CTI）來概括。PCB層壓材料的CTI值用于設置基板表面上導體的爬電距離限制。IEC-60112標準定義了CTI值，這樣更大的CTI級基板在發生介質擊穿之前可以承受更高的電壓。我將在即將發表的關于高壓PCB層壓材料以及如何選擇它們的文章中詳細討論這一點?，F在，請注意，爬電距離和電氣間距是相輔相成的，根據電氣間距確定間距是新設計的良好開端。 Altium Designer中的CAD工具和布線功能建立在統一的規則驅動型設計引擎之上，可在您創建電路板時自動檢查您的布局。使用IPC-2221計算器計算出您的間距要求后，即可將間距編程到設計規則中，以確保您的電路板在高壓下保持安全并維持功能。

審核編輯：彭菁