PCB レイアウトの設計における PCB の沿面距離とクリアランスの基準

プリント基板上の高電圧部品

かがり火や暖炉など、生産性を向上させ、暖かく、さらにはロマンチックな焚き火がたくさんあります。ただし、PCB で火災が発生することはありません。 PCB 設計が高電圧に適していない場合、これは実際のリスクになる可能性があります。回路基板の設計が不適切な場合、静電放電が発生し、回路基板やコンポーネントが損傷したり、火災の原因となる場合があります。

この問題を回避するために、高電圧アプリケーションに携わる PCB 設計者は、設計内の裸の金属導体間の分離に特別な注意を払う必要があります。この距離を測定するには、沿面距離とクリアランスの 2 つの方法があり、それらの間で必要な距離を維持することが重要です。ここでは、PCB の沿面距離とクリアランス基準の違い、および高電圧の問題や PCB の偶発的な燃焼を回避するために必要な手順について学びます。回路基板アセンブリおよび回路基板処理メーカーが、PCB沿面距離および電気的空間距離の基準を満たす設計方法を説明

PCBの沿面距離と電気的空間距離の違い

金属間の距離が近すぎると、高電圧を伝導するプリント回路基板は、露出した金属間で静電気放電が発生する可能性があります。この放電により、回路基板とそのコンポーネントが損傷する可能性があります。 PCB 設計者にとって、回路基板上の金属導体間の適切な間隔を観察することが重要です。回路基板上の導体間隔は、沿面距離と電気的クリアランスの 2 つの方法で測定できます。

沿面距離: 回路基板または絶縁材料の表面にある 2 つの導体間の距離を指します。

ギャップ: これは、空中を通る 2 つの導体間の見通し距離です。

30VAC または 60VDC を超える電圧の高電圧回路では、2 つの導体間の偶発的なアークを防ぐために、沿面距離と電気的クリアランス間隔の規則を遵守する必要があります。一般に、これら 2 つの測定値は同じで、2 つのコンポーネントパッド間の距離、またはボードのアクセス可能な部分の他の露出した金属領域と同様です。ただし、部品の配置やベアプレートの輪郭に異常があるかどうかによって、2 つの測定方法が異なる場合があります。以下に示すように、沿面距離とは、2 つのコンポーネントパッド間の回路基板表面間の距離を指します。一方、ギャップは、左コンポーネントの金属ラジエーターと右コンポーネントのクッションの間のエアギャップです。

circuit board

側面図に示すように、PCB 上の沿面距離と電気的空間距離の例

次に、これらの沿面距離とクリアランスの基準がどこにあるかを調べます。

PCBの沿面距離とクリアランスの基準は何ですか?

PCB の沿面距離とクリアランスの基準を計算するには、動作電圧、汚染レベル (回路基板上のほこりと結露)、評価する回路の種類など、さまざまな要因を考慮する必要があります。沿面距離の計算におけるもう 1 つの重要な要素は、層の材料が元のプレートの構築に使用されることです。電圧は回路基板の表面に導電経路を形成し、その絶縁性能を損ないます。一部の回路基板材料は、他の回路基板よりもこの影響に対して耐性があります。比較トラッキングインデックス (CTI) は、各材料の抵抗値を定義します。数値が高いほど耐パンク性が高くなります。たとえば、FR-4 のデフォルトの CTI 値は 175 ですが、その他のより専門的なマテリアルの CTI 値は 600 にもなります。

PCB 沿面距離およびクリアランス規格に関連するドキュメントは多数あり、主なドキュメントは IPC-2221 です。これは、高電圧回路に必要な間隔など、さまざまな設計ルールをカバーする一般的な規格です。これらの制限は、DC または AC 電圧レベル、内層、コーティングされたまたはコーティングされていない外層、および基板材料によって表されます。 IPC-2221 に加えて、次の規格で追加情報を見つけることができます。

IPC-9592: この規格は、100 ボルトを超える電力変換装置の間隔要件を定義しているため、IPC-2221 よりも具体的です。

UL-61010-1: これらの規格は、電気試験、実験装置、およびその他の産業用装置の設計における安全要件を指定しています。

UL-60950-1: この規格は、さまざまな機器の高電圧および低電圧アプリケーションに適用されます。

これらの規格は、2 つの異なる導体間にアークを発生させる可能性のある過電圧イベントから PCB を保護するために、PCB に必要なギャップを設定するための強固な基盤を提供します。また、設計の電力分布をシミュレートし、これらの結果を使用してレイアウトの物理特性を設定することも重要です。

回路基板上の電源部品のレイアウト

これらの規格を使用して PCB レイアウトを設計する方法

間隔要件が満たされると、回路基板には適切な沿面距離と電気的クリアランスが必要になります。次のステップは、PCB レイアウトシステムのデザインルールでこれらの値を設定することです。ルールと制約は、配線間、パッド間、銅注入間、または 3 つの任意の組み合わせの間など、金属間のギャップに対して設定できます。また、特に大量の電圧を運ぶ大きなコンポーネントの場合、コンポーネントが占有するスペースに適切な間隔を設定する必要があります。場合によっては、特定のスペースの周りに独自の回避ギャップを設定して、ラジエーターやその他の異常な構成の問題を解決することもできます。これらのルールはすべて、必要な高電圧コンポーネント間に必要な間隔を維持するのに役立ちます。

コンポーネントをレイアウトに配置するときは、パーツのすべての側面を考慮してください。これには、特にパーツの周囲に固有の回避領域を設定できない場合に、パーツから張り出す可能性のある金属導体 (ラジエーターなど) が含まれます。レイアウト中は、コンポーネントの配置に対する編集または変更が、パーツ間に慎重に設定した間隔を超えないようにする必要もあります。アセンブリを 90 度回転させても、異常な形状の部品が電圧ギャップに違反します。

これらは、間隔を配置するときに考慮すべき他の 2 つの手法です。

適切な間隔を維持するために、高電圧コンポーネントを回路基板の片側に配置し、低電圧コンポーネントを反対側に配置してみてください。場合によっては、高圧部品間の間隔規則が低圧部品ほど厳密ではないことがあります。

基板の反対側に部品を配置すると、基板表面全体で必要な絶縁が得られないため、沿面距離には別のソリューションが必要です。代わりに、絶縁バリアを取り付けたり、ボードに溝やスロットをカットしたりすることができます。ボードプロファイルの変更により、電圧が移動する必要がある表面全体の距離が増加し、必要な沿面距離が得られます。

幸いなことに、PCB 設計ツールには役立つ多くの機能があります。以下のコンテンツで紹介します。

PCB レイアウトツールの強力な機能に頼る

デザインルールと制約を設定することは、レイアウトが PCB の沿面距離とクリアランスの基準に確実に準拠するための最良の方法です。 PCB エディタの Constraint Manager は、特定のフットプリントを使用してギャップをカプセル化し、高電圧部品の正しい沿面距離を維持するように設定できます。さらに、電力グリッドと接地グリッドのグリッドクラスを作成し、それらに必要な間隔を割り当てることができます。これらの設定をデザインルールで使用すると、目的の間隔を維持するのに役立ちます。

また、PCB 設計システムに付属の回路シミュレーターと解析ツールを十分に活用する必要があります。これらを使用して、回路基板の配電ネットワークをモデル化し、高電圧ネットワークがニーズに応じて接続されていることを確認できます。最後に、PCB 設計ツールの 3D ビューとチェック機能を必ず使用してください。高電圧を伝導する部品は、ヒートシンクなどの不規則な輪郭を持つ場合があり、それらを 3D で検査してその位置を視覚的に確認できることは、設計にとって重要な資産です。