“本系列將從電壓需求與隔離、電流需求與分配、功率需求與熱管理三個章節來介紹大功率 PCB 設計。建議提前安裝 Saturn PCB Toolkit，用于查找資料信息。”

在大功率PCB設計中，對電壓需求的管理是確保安全性和可靠性的首要任務。疏忽電壓隔離不僅會導致電路板故障，還可能引發短路、電弧，甚至對操作人員構成嚴重威脅。本文將深入探討如何識別和實施 PCB 的電壓隔離需求。

1. 盡早識別隔離需求

在設計過程的最初階段就必須明確電壓隔離需求。這包括：

• 最大工作電壓：您的設計將承受的最高電壓是多少？是28V、270V還是1000V？

• 應用特定標準：設計是否需要遵守特定的行業標準？例如：

  • IEC 62368-1（音視頻及IT設備）

  • IEC 60601（醫療設備）

  • NASA-STD-4005A（低地球軌道航天器充電）

• 安全邊界：是否需要為操作員安全設置隔離邊界？

• HiPot 測試：硬件是否需要進行高壓測試？測試電壓是多少？

這些需求將直接影響您的布局規劃、可用布線面積和元件選擇。

2. 理解IPC-2221標準

當沒有特定的應用標準時，IPC-2221（通用印制電路板設計標準）是我們的黃金準則。該標準根據電壓水平和設備類型來規定最小導體間距。

IPC-2221將導體分為不同類型，例如：

• B1:內部導體

• B4:帶有永久聚合物涂層（如阻焊層）的外部導體

• A6:未涂覆的外部元件引線/端子

• A7:帶有保形涂層（Conformal Coating）的外部元件引線/端子

目前大部分的計算器仍使用 IPC-2221 Rev B，比如打開 Saturn PCB Tools，切換到 “最小導體間距” 標簽，可以看到支持 7 種器件類型。下圖展示了導體間電壓為 31-50V，器件類型為 A6 時，最小間距要求為 15.75 mil。

IPC-2221標準在C版本（2003年12月發布）中進行了更新，調整了間距值并增加了 A8 設備類型。下表為 2221 C 的查找表。

3. 爬電距離 (Creepage) vs. 電氣間隙 (Clearance)

在討論隔離時，必須區分兩個關鍵概念：

• 電氣間隙 (Clearance):兩導體之間通過空氣的最短直線距離。這主要受空氣中顆粒物的影響。

• 爬電距離 (Creepage):兩導體之間沿絕緣表面的最短距離。這受表面污染、濕氣和殘留物積聚的影響。

應用標準通常會根據預期的環境污染等級來定義所需的爬電距離和電氣間隙。

4. 布局中的實際考量

明確需求后，必須在布局中嚴格執行：

• 劃分電壓區域：在布局中明確劃分高壓區和低壓區。

• 執行設計規則：在EDA工具中設置嚴格的間隙和爬電距離規則，不要依賴手動檢查。

• 跨邊界元件：任何跨越隔離邊界的元件（如光耦、變壓器）本身必須具有足夠的隔離等級。

上圖中的位置必須進行耐壓測試。

5. 元件封裝的限制

高壓額定值的元件并不意味著在您的設計中就能實現該額定值。封裝和焊盤布局往往是真正的限制因素。

• 通孔器件 (THT)：必須同時檢查元件引腳之間（例如，100mil間距的連接器）和PCB焊盤之間的間隙。在某些情況下，焊盤間的距離（例如39mil）可能成為瓶頸，將設計的電壓上限從720V拉低到300V。

• 表貼器件 (SMD)：同樣，一個額定2000V的0805電容，其端子間的物理距離（例如60mil）可能根據IPC-2221標準（如A6類型）將其在應用中的最大電壓限制在720V。

6. 關鍵材料特性：CTI

CTI (Comparative Tracking Index)是衡量絕緣材料在暴露于污染時抵抗電壓擊穿能力的指標。

• 測試方法：在材料表面施加電壓，并滴加電解液，觀察材料何時開始碳化（即“漏電起痕”）。

• PLC等級：CTI值被分為0到5的性能等級（PLC）。PLC 0代表最佳性能（>600V）。

• 選材標準：IPC-2221的默認間距值基于CTI為175（PLC 3）的材料。如果您的工作電壓高于175V，強烈建議選擇CTI值高于最大工作電壓的材料（例如PLC 1或0），以顯著降低漏電起痕的風險。

7. 隔離對可用面積的影響

最后，更高的電壓隔離需求會顯著減少PCB的可用布局面積。例如，在一個3x5英寸的電路板上，安裝孔所需的隔離間隙：

• 50V隔離：損失2.3%的可用外層空間。

• 1500V隔離：損失11.2%的可用外層空間。

這種面積損失會嚴重影響布線密度和元件布局。因此，在項目初期就明確電壓需求至關重要，這可以避免在設計后期因空間不足而進行昂貴的返工。

結合 Saturn PCB tools，以下是 50 V 的示例（3x5英寸 PCB）：

以下是 500V 的示例（3x5英寸 PCB）：

以下是 1000V 的示例（3x5英寸 PCB）：

以下是 1500V 的示例（3x5英寸 PCB）：

可以看到，電壓隔離要求對可用的布局、布線區域有不小的影響。如果可能的話，盡量在原理圖中也清晰地標記電壓隔離的需求。必須在 EDA 工具中設定爬電距離和信號間距的規則，不要依靠人工的檢查！