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PCB 安规绝缘设计要求

2017-10-8 10:26 2657 0 原作者: 邝超洪 肖 彪
简介
控制器(简称PCB)是家用电器电源处理的核心部件,其电气绝缘设计对器具的正常工作和安全起着十分关键的作用。本文基于IEC 标准,论述了PCB 布线和器件引脚间对于绝缘的要求,供设计人员和认证检测人员参考。

       对大多家用电器而言,市电经电源线或固定布线接入控制器(下简称PCB),经变压、整流、滤波、稳压后给各级电路和部件供电,可以说PCB是电源处理的“大脑”。同时,PCB上布线和器件众多,其绝缘设计对器具的正常工作和安全具有重要意义。本文基于IEC标准,探讨对PCB绝缘的要求。

1 绝缘的概念

      IEC标准中,定义了多种绝缘。笔者认为,按绝缘的作用,可以分为功能绝缘和防电击绝缘。而防电击绝缘又可分为基本绝缘、附加绝缘、双重绝缘和加强绝缘。每一种绝缘对应两种距离上的要求,即电气间隙和爬电距离,分别对应两点间空间的距离和沿着材料表面的距离。与绝缘相关的概念较多,具体可查询标准IEC60664-1。
       需要特别指出的是,本文所称的功能绝缘(或称工作绝缘)是指仅为器具的固有功能所需,在不同电位的导电部件之间设置的绝缘。

2 判断绝缘距离的因素

       PCB 布线时,走线之间合适的距离设置是一件非常重要的工作,适当设置线间间距可以防止产品工作时导体之间发生闪烙和击穿,防止产生短路的危险。而电气间隙和爬电距离的设置则根据工作电压和应用场合的不同而不同,这往往给刚从事PCB 布线设计的工程师和认证工程师造成困惑。
       对于家用电器,影响判断电气间隙和爬电距离的要素有工作电压、额定脉冲电压、材料组和污染等级等。确定这些要素之后,根据IEC 60335-1中表15额定脉冲电压、表16最小电气间隙、表17基本绝缘的最小爬电距离和表18功能性绝缘的最小爬电距离便可确定各类绝缘的最低要求。如220V的家用电器,电气间隙需要1.5mm,爬电距离污染等级为2,材料组为Ⅲa需要2.0mm。
       对于表中没有的工作电压值,可以使用插值法计算。

2.1 额定脉冲电压

      对于家用电器及类似用途电器,标准规定属于Ⅱ类过电压类别。根据器具的额定电压,从IEC 60335-1中表15,可以确定额定脉冲电压,再由额定脉冲电压根据表16,可以确定最小电气间隙。条款29.1.5指出,对于工作电压高于额定电压的器具,如变压器次级和电容插脚,用于确定表16电气间隙的电压应是额定脉冲电压与工作电压峰值和额定电压峰值之差的和。

2.2 材料组

       根据IEC 60664-1中条款4.8.1.3,将绝缘材料按照CTI相比电痕化指数划分为四组,其对应关系为:
       材料组Ⅰ:600≤CTI;
       材料组Ⅱ:400≤CTI<600;
       材料组Ⅲa:175≤CTI<400;
       材料组Ⅲb:100≤CTI<175。
       IEC 60335-1指出,如果不知道材料的CTI值,按附录N在规定的CTI值进行耐漏电起痕指数(PTI)试验,以确定材料组。
       家用电器PCB使用材料一般属于材料组Ⅲa。

2.3 污染等级

      根据IEC 60664-1中条款4.6.2或IEC 60335-1中附录M,污染等级分为4级,其中4级污染对于家用电器不适用。一般来说,家用电器属于2级污染或3级污染。
      2级污染是指除了可预见的冷凝所引起的短时偶然的污染外,仅发生非导电性的污染。
      3级污染是指发生导电性的污染或干燥的非导电性污染,且该污染会由可预见的冷凝使其具有导电性。
      如果PCB处于密封的环境内,可判定为2级污染;如果处于流动的气流中,会因为灰尘,冷凝等发生非导电性的污染,可判定为3级污染。

2.4 海拔高度

      设备工作所在位置相对海平面的落差。在IEC 60664-1中,默认的设备工作的最大海拔高度为2000m,如果设计要求设备工作的最大海拔高度高于2000m,则设计电气间隙的时候要在2000m下要求的最小电击间隙的基础上乘以一个系数,不同海拔对应的系数见IEC 60664-1中表A.2。

2.5 开槽要求

      当PCB开槽时,槽宽需要满足一定值爬电距离的计算才会被认可。其与污染等级有关系,对应如表1。开槽的位置、长度、宽度和方向等对强电部分的盐水实验有较大影响,感兴趣的人员可以研究一下。

                                                                      表1  槽宽与污染等级的关系

                      


3 PCB绝缘要求

       对于PCB,当不需考虑依靠它的设计来提供对外界的电击保护时,它不同电位的导线引脚之间只需满足功能绝缘。
       功能绝缘不好,极端的情况就 是短路。短路有可能造成电流加大,局部过热,甚至引起着火;也可能对整体电路影响不大,或不会出现安全危害。这要视具体电路情况而看。所以标准才有对功能绝缘的要求,也有通过试验,降低或免除要求的条件。IEC 60335-1中条款29.1.4和29.2.4便指出,当功能绝缘被短路时,器具仍符合第19章的要求,则可以不规定其电气间隙,爬电距离也可以减少。这是因为有些功能绝缘处电位差不大,短路后线路中内阻高,电流变化不大,不会引起危险。而L、N之间短路,相当于电源短路,器具内外都可能出现非常大的电流,在缺少保护的情况下会烧坏器具,甚至破坏电路。因此L、N之间绝缘一般会做的好些。
      所以当PCB设计时,可以参考标准要求,计算出不同工作电压下的布线引脚间的电气间隙和爬电距离。当迫于PCB体积有限时,可以适当考虑通过短路测试减少它们之间的距离,仍符合标准的要求。
      值得注意的是,标准中并没有提及爬电距离的值可以减少到多少,但必须确保产品的正常功能和满足第19章中单一模式的非正常工作。

4 PCB提供防电击保护

       由于PCB是器具电源处理的核心,电源经它处理后给各部件供电,如感温包、扫风电机、显示板等。在器具的实际结构中,人可能会触碰到感温包探头、电机引线和显示面板。根据IEC标准中对电的防护,虽然这些部件是低电压供电的,但如果不是安全隔离的,则仍需保证人触摸到的部件与带电导体间需满足加强绝缘或双重绝缘。这时,可以考虑把PCB设计成满足安全隔离的要求,如电源适配器需要满足3个条件:
      1)使用安全隔离变压器,即至少使用与双重绝缘或加强绝缘等效的绝缘材料将其输入绕组与输出绕组进行电气隔离的变压器。
      2)低电压电路与强电电路之间的电气间隙和爬电距离达到双重绝缘或加强绝缘要求。
      3)强弱电内部线需要隔离,除非弱电线满足附件绝缘或加强绝缘的要求。
      需要指出的是,当PCB初级和次级电路之间满足基本绝缘的要求,对于由PCB供电的外部电路,有些认证机构会认为再满足附件绝缘就够了,但有些机构不认可,因为IEC 60335标准中没有定义此供电方式,即要么是带电部件,要么是安全特低电压。

5 结构设计对绝缘要求的影响

      如上所述,器具的结构会影响对污染等级的判断,从而改变对绝缘距离值的要求。以空调室外机为例进行说明。如图1,室外机中隔板处有开槽,由于其安装在室外环境中,存在潮湿的空气通过风道进入控制器或空气夹带着烟灰、风沙、尘埃等固体污染通过风道进入到控制器的情况。根据IEC 60335-2-40中条款29.2处于气流之中的绝缘,其微环境污染程度为3级,除非绝缘被覆盖和安置使其避免由于器具的正常使用而受到污染。

                                            

                                                                                     图1  空调室外机机构


      因而,当判断此室外机主板的爬电距离时,需要按污染等级3来判。根据IEC 60335-1中表18,爬电距离应为3.2mm。
      如果这些开槽非必要的,不用作温升散热的需要,可以考虑把开槽取消,则按表18,爬电距离可以降为2.0mm。可以看见,器具的结构会对PCB绝缘的要求发生影响,通过改变结构,可以降低对绝缘距离的要求。

6 结语

      本文论述了PCB设计时对其自身布线,插件引脚间绝缘的要求。具体距离值要求,在工作电压和海拔高度一定的情况下,由PCB材料和器具的微环境污染等级决定。特别指出的是,需要注意PCB设计时满足标准的要求,但当经过SMT后,过大的焊盘或过长的器件插脚导致电气间隙和爬电距离减少,而不符合标准的要求。



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