¿Por qué enrutar los espacios de aire para el aislamiento de voltaje en los PCB?

Al aprender sobre el diseño de PCB para fuentes de alimentación, con frecuencia veo placas con espacios enrutados para separar las secciones de baja y alta tensión del diseño.

¿Por qué tomarse la molestia de enrutar un espacio de aire cuando grabar el cobre debe crear el mismo nivel de aislamiento? ¿Es el voltaje de ruptura del aire mucho más alto que FR4?

Supongo que tales brechas se utilizan para evitar situaciones en las que el cobre no se puede grabar perfectamente.

Diseño de PCB de alto voltaje

Diseño de PCB de alto voltaje para prevención de arco

Algunas razones por las cuales:

1. Cuando se produce un arco eléctrico, podría causar carbonización (también conocido como "quemado") en la superficie de la PCB. Esto podría resultar en un corto permanente. Esto también es un daño irreversible, donde, como un arco en el aire, no lo es (a menos que algo salga mal). Esto sería especialmente malo si un solo pico de alto voltaje creara un corto permanente, entonces cualquier fuente de voltaje de "bajo nivel" todavía tendría una ruta de baja impedancia disponible.
2. Tiene la opción de instalar un escudo de alta resistencia dieléctrica (algo mucho mejor que FR4 / máscara de soldadura, y mejor que el aire).
3. Se puede acumular polvo / suciedad en la superficie del tablero, lo que reduce la resistencia dieléctrica. No es un gran problema (aunque aún podría ser un problema) si esa superficie simplemente no está allí.
4. En el segundo enlace, hicieron algunos experimentos en los que la humedad tuvo un efecto drástico en el voltaje de ruptura de la máscara de soldadura y un efecto más pequeño (aunque potencialmente significativo) en una ranura. Su mejor resultado fue eliminar la máscara de soldadura y cortar una ranura (sin un impacto significativo en el rendimiento).
5. El enrutador eliminará cualquier error involuntario de fuga, aunque en realidad esto debería detectarse en la etapa de diseño, especialmente con el CAD moderno. Es posible que la PCB no funcione correctamente si las pistas tienen circuitos abiertos inesperados, y hacer una pista de alta corriente más pequeña podría causar otros problemas: P
6. La separación de aire requerida parece ser menor que la distancia de fuga superficial requerida.

Un vistazo rápido a algunas tablas de fuga / despeje:

mesa de despacho III

tabla de fuga IV

parece confirmar eso creepage distance> clearance distance, especialmente con mayores grados de contaminación.

El grado de contaminación es una medida de cómo el medio ambiente podría afectar su PCB. Ver: Diseño para polvo .

Descripción de varios grados de contaminación (tabla 1):

1. Sin contaminación o solo contaminación seca, no conductiva, que no tiene influencia en la seguridad. Puede alcanzar el grado de contaminación 1 a través de la encapsulación o el uso de componentes sellados herméticamente o mediante el recubrimiento conforme de PCB.
2. Contaminación no conductiva donde puede ocurrir condensación temporal ocasional. Este es el entorno más común y generalmente se requiere para productos utilizados en hogares, oficinas y laboratorios.
3. Contaminación conductiva o contaminación seca no conductiva, que podría volverse conductora debido a la condensación esperada. Esto generalmente se aplica a entornos industriales. Puede usar recintos de protección de ingreso (IP) para lograr el grado de contaminación 3.
4. Contaminación que genera conductividad persistente, como por lluvia, nieve o polvo conductor. Esta categoría se aplica a ambientes exteriores y no es aplicable cuando el estándar del producto especifica el uso en interiores.

Un espacio de aire tiene un nivel de descomposición mucho más alto que las superficies sin cobre en una placa de circuito. Hay dos mecanismos en juego: espacio de aire físico (espacio libre) y lo que se llama "seguimiento" en las superficies de PCB (fuga).

Distancia de fuga. La fuga es la ruta más corta entre dos partes conductoras (o entre una parte conductora y la superficie límite del equipo) medida a lo largo de la superficie del aislamiento. Una distancia de fuga adecuada y adecuada protege contra el seguimiento, un proceso que produce una ruta parcialmente conductora de deterioro localizado en la superficie de un material aislante como resultado de las descargas eléctricas en o cerca de una superficie de aislamiento. El grado de seguimiento requerido depende de dos factores principales: el índice de seguimiento comparativo (CTI) del material y el grado de contaminación en el medio ambiente.

y,

Distancia de separación. El espacio libre es la distancia más corta entre dos partes conductoras (o entre una parte conductora y la superficie límite del equipo) medida a través del aire. La distancia de separación ayuda a prevenir la ruptura dieléctrica entre electrodos causada por la ionización del aire. El nivel de ruptura dieléctrica está influenciado por la humedad relativa, la temperatura y el grado de contaminación en el medio ambiente.

Como ejemplo práctico de espacio de aire sobre la distancia de PCB, una vez diseñé una fuente de alimentación de alto voltaje (50kV dc). Las etapas de salida eran disparadores de diodos (sin importancia para este ejemplo), pero la PCB que monta los diodos y condensadores que tomaron 6kV y la convirtieron en 50kV tenía que tener grandes agujeros alrededor de los componentes, por lo que la "creación" en la placa de circuito no podía hacer un directo línea recta a través de la superficie de la PCB, más bien tenía que tejer alrededor de las ranuras y agujeros y esto le dio capacidades de voltaje de ruptura significativamente más altas.

Hay una pregunta similar en el intercambio de pila aquí que tiene tablas de tensiones y brechas para creapage y despacho.