關(guān)于商用空調(diào)電路板的防火槽設(shè)計(jì)與電氣間隙的探索分析

作者/ 方玉胡 楊守武 鄧智 張成成 熊克勇 格力電器(合肥)有限公司(安徽 合肥 230600)

摘要：本文主要論述了電路板防火槽存在的意義，PCB增加開槽的多種方法，PCB防火槽的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)，實(shí)效方式和整改方案。

引言

　　商用空調(diào)PCB板涉及強(qiáng)電和弱電，其中商用機(jī)組工作電源大多要從控制器經(jīng)過，這就使PCB在設(shè)計(jì)過程中不得不考慮商用機(jī)組的三相電和大功率負(fù)載與PCB高度集成化的矛盾問題，所以在PCB的設(shè)計(jì)過程中，就需要使用到增加絕緣的設(shè)計(jì)——防火槽。防火槽的基本原理就是加大PCB元件引腳之間絕緣性能。

1 PCB防火槽存在的意義

　　從物質(zhì)特性來講，導(dǎo)體和絕緣體并沒有絕對(duì)的界限，在適當(dāng)?shù)沫h(huán)境下，任何物質(zhì)都可以成為導(dǎo)體，所以所有物質(zhì)都會(huì)在一定程度上有一定的導(dǎo)電能力，PCB板更是如此。因?yàn)镻CB板有環(huán)境使用要求，往往PCB板都需要使用復(fù)合材料或者有機(jī)材料來增強(qiáng)PCB板的強(qiáng)度，并根據(jù)PCB板的絕緣要求再增加絕緣材料，所以PCB板的絕緣性能同樣不是絕對(duì)的，在電壓足夠高、濕度適當(dāng)、長期直流電以及外部環(huán)境長期污染等條件下，PCB元件引腳間的絕緣就不再是絕對(duì)的，就會(huì)出現(xiàn)高電壓擊穿和離子遷移現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致因間隙放電和離子遷移而導(dǎo)致控制器的失效。為了防止此種現(xiàn)象的發(fā)生，就需要加大PCB的絕緣能力，目前最有效的方法之一就是增加PCB防火槽。

　　1.1 PCB板的材質(zhì)

　　PCB由奧地利人保羅.愛斯勒于1936年首先使用在收音機(jī)中，于1948年在美國用于商業(yè)用途，目前行業(yè)內(nèi)常用的PCB板材料有FR-1、FR-2、FR-3、FR-4、CEM-1、CEM-2、CEM-3、 CEM-4、CEM-5等，分別使用酚醛樹脂、紙質(zhì)纖維、玻璃纖維、環(huán)氧樹脂、Polyimide(聚酰亞胺)、BT/Epoxy等材質(zhì)。一般PCB板需要增加增強(qiáng)材料，通常按基材可分為：紙基、玻璃纖維布基、復(fù)合基(CEM系列)、積層多層板基和特殊材料基五大類，PCB存在已有70多年歷史，技術(shù)上早已成熟，目前也沒有更好的方式避免大功率元件的放電問題和小元件的爬電距離問題，所以開槽成為解決該問題的不二選擇。

　　1.2 關(guān)于國標(biāo)

　　對(duì)于爬電距離，國標(biāo)沒有定制硬性規(guī)定，國標(biāo)在《印制板的設(shè)計(jì)和使用GB/T 4588.3》中對(duì)爬電距離的解釋為“導(dǎo)線之間允許的電壓，主要取決于導(dǎo)線的間距、基材類型、涂覆層及環(huán)境條件等因素，同時(shí)還取決于特定的安全規(guī)則。因此，不能給出通用的要求?！钡珖鴺?biāo)對(duì)于四種情況給出了4種曲線參考：A局部電壓;B工作電壓大約減至放電電壓的1/5;C工作電壓大約減至放電電壓的2/5;D工作電壓大約減至放電電壓的1/11。四種情況給出了相應(yīng)的參考值，對(duì)于D曲線，該參考值的數(shù)據(jù)表明，在電壓220V時(shí)，電氣的間隙應(yīng)為5mm，此種參數(shù)要求在工作電壓為放電電壓1/11時(shí)使用，是國標(biāo)中對(duì)爬電間隙的最高要求，但不強(qiáng)制，所以目前市場(chǎng)上很多設(shè)計(jì)并未達(dá)到此要求。

2 開槽的使用方法

　　一般開槽都會(huì)涉及強(qiáng)電，有強(qiáng)電火線及零線之間的開槽;保護(hù)元件本身的開槽，如保險(xiǎn)管、接線端子等;強(qiáng)電與弱電之間的開槽，如光耦、功率開關(guān)器件等。開槽都是為了增加強(qiáng)電工作范圍內(nèi)其他元件的絕緣性能。

　　2.1 PCB開槽的誤區(qū)和實(shí)效案例

　　開槽有很多種方法，在PCB板上一般不會(huì)出現(xiàn)問題，但開槽本身的作用需要在PCB的裝配成品中體現(xiàn)，這就涉及PCB板與裝配元件之間的配合，如果兩者在裝配方法、方向、開槽大小、開槽形狀上有配合的問題，就會(huì)出現(xiàn)適得其反的效果。

　　案例1：此案例為電源濾波電路中電容兩端的開槽，此種電容稱牛角電容，以其三角形引腳得名，因其結(jié)構(gòu)的特殊性，導(dǎo)致其爬電距離較其他普通電解電容較小，需要增加開槽，但此款主板未充分考慮到元件插裝后電容引腳之間的位置，導(dǎo)致電容引腳直接壓在電容上方，開槽完全失去作用，如圖1。

　　案例2：此款主板考慮到了電容C88引腳間距離較短的問題，在C88引腳之間增加一條較短的開槽，但忽略了與C88相連的R93與另一引腳之間的距離，實(shí)際測(cè)試該直線距離為3.3mm，此距離雖在國標(biāo)的臨界值之間，在工作環(huán)境濕度和粉塵變化的情況下，就會(huì)出現(xiàn)放電的情況，如圖2。

　　2.2 PCB板邊元件的爬電間隙

　　目前主板設(shè)計(jì)集成化較高，留給主板的多余空間越來越少，部分大功率器件不可避免地也要排布在板邊，需要充分考慮到爬電距離問題，如圖3所示。該電阻為2W電阻，在設(shè)計(jì)上，2W電阻屬于大功率電阻，大功率電阻需要散熱，所以此電阻為懸空高引腳結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)上已經(jīng)考慮到放電間隙的問題，所以此電阻距板邊5mm，不足之處在于此電阻靠近板邊，在多個(gè)工序操作過程中有受力壓倒的隱患，壓倒后電阻歪倒在一邊，導(dǎo)致爬電距離縮短，在使用過程中產(chǎn)生放電現(xiàn)象，最終導(dǎo)致電阻燒毀，主板失效。

3 結(jié)束語

　　主板防火槽設(shè)計(jì)原理是極其簡(jiǎn)單的放電間隙問題，主板設(shè)計(jì)中遇到的問題多為主板與元件配合問題，設(shè)計(jì)過程中看不到的過程操作問題，相鄰元件的距離問題，這些需要設(shè)計(jì)人員的長期經(jīng)驗(yàn)不斷積累，才能不斷地從問題中領(lǐng)悟到經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)人員需要對(duì)生產(chǎn)過程，元件匹配類型，充分了解，才能盡可能地減少此類問題發(fā)生。

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本文來源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第10期第53頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。