实验室工程师知识点分享：开关电源PCB安规设计规范

在电子产品的PCB布线时，导线之间合适的电气间隙的设置是一件非常重要的工作，合适的线间间距的设置可以防止产品工作中的各有关导体之间发生闪烁和击穿，并能顺利通过有关产品安全标准的审核。在各种产品工业标准和安全标准中，根据工作电压和不同的应用场合以及其他因素，对导体间的电气间隙和爬电距离有着不同的规定，PCB布线工程师往往对此莫衷一是，无所适从。就帮大家解决这一难题。

了解下基本概念：

安规常用术语

1) 工作绝缘（或功能绝缘） functional insulation

仅为设备正常工作所需的绝缘。所定义的功能绝缘并不起防电击的作用。

2) 基本绝缘  basic insulation 

对防电击提供基本保护的绝缘。

3) 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。

4) 双重绝缘  double insulation 
由基本绝缘加上附加绝缘组合构成的绝缘。

5) 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。

6) 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。

7) 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。

8) 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Zui短空间距离。

9) 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Zui短距离。见下图抽象说明。

窄沟槽

宽沟槽

V沟槽

10)海拔高度 altitude
设备工作所在位置相对海平面的落差。在IEC60950-1中，默认的设备工作的Zui大海拔高度为2000m，如果设计要求设备工作的Zui大海拔高度高于2000m，则设计电气间隙的时候要在2000m下要求的Zui小电击间隙的基础上乘以一个系数，不同海拔对应的系数关系如下表：

11)污染等级  Pollution degree

设备运行时，由于灰尘等物质在设备表面或内部积累的程度，一般分为3级； 

12)材料类别  Material group

根据材料的CTI的大小，对材料进行的分类，具体分类可见下表：

基于标准的安全要求如果我们设计的产品必须要得到某个安全认证机构的承认，那么我们要考虑产品需要符合相应安全认证机构颁布的有关标准中所规定的绝缘和隔离要求。在这种情况下，我们就能够直接根据有关标准的要求进行PCB布线的间距定义。 例如，有的要按照UL60950,有的要求IPC9592等等。

对于常见的交流电供电或电池供电的信息技术设备，大都依从IEC/EN/UL60950这一标准，那么其PCB导线之间允许的Zui小的电气间隙和爬电距离的要求将可以直接从IEC/EN/UL60950-1 标准的表2K，2L 和表2N 中查到。附2K,2L,2N表。

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？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。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。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。

对于开放式(Openframe）结构或开通风窗的产品，设计时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，你可以通过短路试验来获得安全标准认证机构的认可，产品会不会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？

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，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：

根据Zui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 

还有个UL840这个上面的要求稍微低一些,见下表：

 通过比较后，我们可以看到60950 的表5B,UL840和UL 40V/mil 的耐压测试标准对PCB线间间距的计算结果Zui小，也就是条件Zui为宽松，见下图。

毕竟IPC－2221 和 IPC－9592 要照顾的产品范围更为宽泛，能够遵守其中的PCB线间间距的定义，产品的安全余量和对其他安全标准的适应性就更有把握。 

另附UL840部分参考表格,供大家参考。