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(kāi)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(guò)，這就使PCB在設(shè)計(jì)過(guò)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(wèn)題，所以在PCB的設(shè)計(jì)過(guò)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(lái)講，導(dǎo)體和絕緣體并沒(méi)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(lái)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(zhǎng)期直流電以及外部環(huán)境長(zhǎng)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(ài)斯勒于1936年首先使用在收音機(jī)中，于1948年在美國(guó)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(shù)脂、紙質(zhì)纖維、玻璃纖維、環(huán)氧樹(shù)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(lèi)，PCB存在已有70多年歷史，技術(shù)上早已成熟，目前也沒(méi)有更好的方式避免大功率元件的放電問(wèn)題和小元件的爬電距離問(wèn)題，所以開(kāi)槽成為解決該問(wèn)題的不二選擇。

　　1.2 關(guān)于國(guó)標(biāo)

　　對(duì)于爬電距離，國(guó)標(biāo)沒(méi)有定制硬性規(guī)定，國(guó)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(lèi)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?guó)標(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(guó)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(kāi)槽的使用方法

　　一般開(kāi)槽都會(huì)涉及強(qiáng)電，有強(qiáng)電火線及零線之間的開(kāi)槽;保護(hù)元件本身的開(kāi)槽，如保險(xiǎn)管、接線端子等;強(qiáng)電與弱電之間的開(kāi)槽，如光耦、功率開(kāi)關(guān)器件等。開(kāi)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(kāi)槽的誤區(qū)和實(shí)效案例

　　開(kāi)槽有很多種方法，在PCB板上一般不會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，但開(kāi)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(kāi)槽大小、開(kāi)槽形狀上有配合的問(wèn)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(kāi)槽，此種電容稱(chēng)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(kāi)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(kāi)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(wèn)題，在C88引腳之間增加一條較短的開(kāi)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(guó)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(lái)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(wèn)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(wèn)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(guò)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(guò)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(yǔ)

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

參考文獻(xiàn)：

　　[1]孫衛(wèi)鋒.地溫中央空調(diào)控制系統(tǒng)研究[D].濟(jì)南：山東大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院，2009..

　　[2]王兆安，黃俊.電力電子技術(shù)[M].北京機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

　　[3]王海.大型機(jī)電設(shè)備安裝工程安裝工程的技術(shù)探討[A].自動(dòng)化科學(xué)和技術(shù)[G].北京：電子工業(yè)出版社，2000.

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