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开关电源PCB安规设计规范

2025-09-1769374安规与电磁兼容网

实际上,电气间隙和爬电距离的设置是和工作电压,绝缘等级,污染等级,PCB 材料等级, 甚至和产品工作的海拔高度等等相关。查表时,我们首先要搞清上述因素的界定。

1. 如何确定工作电压? 根据60950 的解释,我们在定义电气间隙时,应该使用峰值电压和可能出现的外部瞬态过电压。而定义爬电距离时,则使用均方根值电压。

2. 如何确定绝缘等级?60950 的表2H 有详细的定义。见下述图示:

简单地说来,在大多数应用中,我们可以凭借 以下简单的分析来进行绝缘等级的定义:

-  如果在绝缘被破坏的情况下,会对人体易接触未接地的部件产生危险电压的,绝缘等级应该设置为加强绝缘。

- 对于有连接保护地的导体,我们可以设置为基本绝缘。基于这个观点,在PE,金属外壳,金属固定件周围,我们一般都需要设置为基本绝缘。 

3. 如何确定污染等级?首先根据产品定义,大多数情况下定义为II 级。 可参考上面污染等级概念。

4. 如何定义PCB 的材料等级。可根据PCB 的CTI 指数,用60950 的2.10.4.2 进行定义。但大多数情况下,材料等级可以列为IIIa 和IIIb。 

5. 如何定义双重绝缘或加强绝缘的爬电距离?60950 的表2N 对爬电距离的定义仅适用于功能绝缘,基本绝缘以及增补绝缘。对于双重绝缘何加强绝缘,应该把表中查到的值乘以2。 

6. 海拔高度对电气间隙的影响?海拔高度只对电气间隙有影响,和爬电距离无关。对于IEC61010 的产品,要乘上基本概念Table A.2表的系数。对适用于其他标准的产品,也要小心备查海拔高度对电气间 隙设置的影响。 

7. 如何开槽增加Creepage?根据污染等级来定义,查60950 表F-1。大多数情况下,开槽的宽度不得小于1mm。但如果如果Creepage 的查表值小于Clearance 的查表值,开槽无用。

基于产品安全运行的要求上述有关标准中对于电气间隙何爬电距离的定义,是出于安全的考虑和需要。如果我们在PCB 设计时遵守了标准的中规定,当然是件好事情,起码在电气安全上不用考虑会出现电击穿的现象。但是在实际工作中,PCB 的设计往往受到产品体积和尺寸的限制,完全按照标准的规定去设置导线之间的间距,往往使PCB 布线难以在希望的空间和尺寸内得以实现而陷入困境。

根据60950-1 中5.3.4 节的内容,工程师们这时往往会倾向于利用只要通过短路试验,电气间隙和爬电距离可以缩小的定义,来对初级电路中那些不要求电击防护部分的PCB进行密集布线。但是,在利用5.3.4节的定义的时候,记着不要无节制地应用,一定要记着能够通过60950 短路的试验的条件,即:

-  短路产生的热量不能引起产品附近棉花纸的燃烧;

-  短路产生的热量不能引起基本绝缘,增补绝缘或加强绝缘的破坏从而带来电击的危险。

所以,对于开放式(Open frame)结构或开通风窗的产品,设计时最好采用带灭弧功能的保险丝管产品或在玻璃保险管上配上防护套管防止短路试验时熔断的保险丝管芯引燃棉花纸。 

除了考虑满足标准安全要求,PCB 的布线间距的设置还要考虑如何让产品的功能稳定可靠。如果一味追求60950-1 5.3.4 款的运用来缩小PCB 线的间距,在进行标准安全检查时,你虽然可以通过短路试验来获得安全标准认证机构的认可,但是产品会不会因此而容易在某些应用条件下引起较高概率的闪烁和电击穿而影响产品的可靠性?

所以,虽然你的PCB 布线设计通过了5.3.4 中的短路试验,获得了安全标准的承认,但是从产品功能和可靠性方面来考虑,你还得需要进行5.2.2 中表5B 规定的电气绝缘强度试验,俗称打高压或Hi-pot 试验。只有通过了Hi-pot 试验,这样你布出的PCB 才能在标准安全,空间节省和产品可靠性之间得到兼顾和平衡。

这带来了一个新的问题,布线间距和试验耐压之间会是一个什么样的关系呢?有关指导PCB 布线的文献中鲜有这样的定义或描述。UL 的专家在镀银PCB 板的分析实验中发现,平行导体之间的耐压和导体间距完全是一个线性函数关系,和导体表面处理工艺没有关系。根据这一实验,UL规定了印制线路板耐压的测试标准是40V/mil 或1.6KV/mm。这一数据对指导在PCB 导线之间设置能够承受Hipot 的耐压试验的安全间距非常有用。

举例说,根据60950-1 表5B 的规定,500V 的工作电压之间的导体应该要满足1740Vrms的耐压试验,而1740Vrms 的峰值应该是740X1.414=2460V。根据40V/mil 的设置标准,可以计算出PCB 两导体之间的间距应该不小于2460/40=62mil 或1.6mm。

对于哪些不要求遵守60950 或其他安全标准的产品,设计工程师可以参考IPC-2221 表6.1 来进行PCB 导线之间的电气间隙的设置,见以下表格。IPC-2221 是在世界上被广泛接受的一个用于商业或工业类产品的PCB 通用标准。

IPC-2221, 表6.1:

另外根据最新颁布的IPC-9592,

一个用于电源变换器电路的IPC 指导标准,推荐了PCB 导线之间的间距应该依从于一个线性公式:
SPACING (mm) = 0.6 + Vpeak x .005 

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