關于商用空調電路板的防火槽設計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防火槽的設計注意事項，實效方式和整改方案。

引言

　　商用空調PCB板涉及強電和弱電，其中商用機組工作電源大多要從控制器經過，這就使PCB在設計過程中不得不考慮商用機組的三相電和大功率負載與PCB高度集成化的矛盾問題，所以在PCB的設計過程中，就需要使用到增加絕緣的設計——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

　　從物質特性來講，導體和絕緣體并沒有絕對的界限，在適當的環境下，任何物質都可以成為導體，所以所有物質都會在一定程度上有一定的導電能力，PCB板更是如此。因為PCB板有環境使用要求，往往PCB板都需要使用復合材料或者有機材料來增強PCB板的強度，并根據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的，在電壓足夠高、濕度適當、長期直流電以及外部環境長期污染等條件下，PCB元件引腳間的絕緣就不再是絕對的，就會出現高電壓擊穿和離子遷移現象，進而導致因間隙放電和離子遷移而導致控制器的失效。為了防止此種現象的發生，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

　　PCB由奧地利人保羅.愛斯勒于1936年首先使用在收音機中，于1948年在美國用于商業用途，目前行業內常用的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、紙質纖維、玻璃纖維、環氧樹脂、Polyimide(聚酰亞胺)、BT/Epoxy等材質。一般PCB板需要增加增強材料，通常按基材可分為：紙基、玻璃纖維布基、復合基(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 關于國標

　　對于爬電距離，國標沒有定制硬性規定，國標在《印制板的設計和使用GB/T 4588.3》中對爬電距離的解釋為“導線之間允許的電壓，主要取決于導線的間距、基材類型、涂覆層及環境條件等因素，同時還取決于特定的安全規則。因此，不能給出通用的要求。”但國標對于四種情況給出了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的參考值，對于D曲線，該參考值的數據表明，在電壓220V時，電氣的間隙應為5mm，此種參數要求在工作電壓為放電電壓1/11時使用，是國標中對爬電間隙的最高要求，但不強制，所以目前市場上很多設計并未達到此要求。

2 開槽的使用方法

　　一般開槽都會涉及強電，有強電火線及零線之間的開槽;保護元件本身的開槽，如保險管、接線端子等;強電與弱電之間的開槽，如光耦、功率開關器件等。開槽都是為了增加強電工作范圍內其他元件的絕緣性能。

　　2.1 PCB開槽的誤區和實效案例

　　開槽有很多種方法，在PCB板上一般不會出現問題，但開槽本身的作用需要在PCB的裝配成品中體現，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，就會出現適得其反的效果。

　　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，因其結構的特殊性，導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，實際測試該直線距離為3.3mm，此距離雖在國標的臨界值之間，在工作環境濕度和粉塵變化的情況下，就會出現放電的情況，如圖2。

　　2.2 PCB板邊元件的爬電間隙

　　目前主板設計集成化較高，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，在設計上，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構，在設計上已經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，導致爬電距離縮短，在使用過程中產生放電現象，最終導致電阻燒毀，主板失效。

3 結束語

　　主板防火槽設計原理是極其簡單的放電間隙問題，主板設計中遇到的問題多為主板與元件配合問題，設計過程中看不到的過程操作問題，相鄰元件的距離問題，這些需要設計人員的長期經驗不斷積累，才能不斷地從問題中領悟到經驗，設計人員需要對生產過程，元件匹配類型，充分了解，才能盡可能地減少此類問題發生。

參考文獻：

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