PCB 内层不同电压等级铜皮间距的计算方法

在印刷电路板(PCB)设计中，确保不同电压等级的铜皮间保持合适距离至关重要。这不仅关系到电路的电气性能，更与产品的安全性和可靠性紧密相连。不合理的铜皮间距可能引发电气击穿、短路等严重问题，因此，准确计算和设置铜皮间距是 PCB 设计过程中的关键环节。

一、相关概念介绍

(一)电气间隙与爬电距离

电气间隙：指两个导电部件之间通过空气的最短距离。在 PCB 内层，它体现为不同电压等级铜皮间的空间距离。当电压施加在两个铜皮上时，若电气间隙过小，在高电压下空气可能被击穿，形成导电通路，导致短路。例如，在高压电源电路与低压信号电路之间，足够的电气间隙能有效防止高电压对低电压电路的干扰和破坏。

爬电距离：是指两个导电部件之间沿绝缘材料表面的最短距离。在 PCB 中，绝缘材料(如基板材料)表面可能存在杂质、湿气等，这些因素会降低绝缘性能。当电压作用时，电流有可能沿着绝缘材料表面的污染物等导电路径产生爬电现象。比如，在潮湿环境下工作的 PCB，如果爬电距离不足，就容易出现漏电情况，影响电路正常运行甚至引发安全事故。

(二)影响铜皮间距的因素

电压等级：这是决定铜皮间距的关键因素。一般来说，电压越高，要求的电气间隙和爬电距离就越大。例如，在一个同时存在 5V 低压逻辑电路和 220V 交流电源电路的 PCB 中，220V 交流电源铜皮与 5V 铜皮之间的间距要远远大于 5V 铜皮之间的间距，以防止高电压击穿空气或在绝缘材料表面产生爬电。

工作环境：包括温度、湿度、气压以及是否存在腐蚀性气体等。在高温环境下，空气的绝缘性能会下降，需要更大的电气间隙来防止击穿;高湿度环境会使绝缘材料表面的导电性增加，对爬电距离的要求更高;低气压环境(如高原地区)空气稀薄，更容易发生气体击穿现象，因此也需要增大电气间隙。

绝缘材料特性：不同的 PCB 基板材料具有不同的绝缘性能。例如，FR - 4 材料是常用的 PCB 基板材料，其相比其他一些材料有较好的绝缘性能，但如果使用了绝缘性能较差的材料，为保证安全，就必须增加铜皮间距。另外，材料的耐电痕化指数(CTI)也很重要，CTI 值越低，材料越容易在电场作用下形成导电通道，就需要更大的爬电距离。

二、计算方法

(一)基于标准规范的计算

IPC - 2221 标准：该标准在 PCB 设计领域被广泛应用。它根据不同的应用场景将 PCB 分为三个类别：Class 1(一般电子产品)、Class 2(专用服务电子产品)和 Class 3(高可靠性电子产品)。对于 Class 2 和 3 的 PCB，当电压较低时，标准建议铜皮间最小电气间隙为 0.25mm(10mil);当电压较高时，最小电气间隙为 0.5mm(20mil)。对于爬电距离，针对 Class 3 的 PCB，根据不同的工作电压，其值在 0.1mm(4mil)到 2mm(80mil)之间变化。例如，在一个属于 Class 3 的高可靠性电子产品的 PCB 中，若工作电压为 100V，参考该标准，爬电距离可能需要设置为 1mm 左右。

UL 标准：如 UL 60950 - 1 等标准，对于不同绝缘等级(功能绝缘、基本绝缘、补充绝缘、双重绝缘和加强绝缘)的电路，规定了相应的电气间隙和爬电距离要求。以功能绝缘为例，假设工作电压为 250V，根据标准中对应表格查找，可能需要满足一定的电气间隙和爬电距离数值。具体操作时，首先要确定电路的绝缘等级，然后依据工作电压、污染等级(环境因素影响)、PCB 材料组和涂层等因素，在标准的相关表格中查找所需的最小间隔。

(二)经验公式计算

电气间隙计算公式：S=V×K/D，其中V为峰值电压，K为安全系数(通常取 1.5 - 2)，D为材料介电强度。例如，若某电路的峰值电压为 300V，选用的 PCB 基板材料介电强度为5kV/mm，安全系数取 1.8，则电气间隙S=300×1.8÷5000=0.108mm。但实际应用中，还需结合其他因素对该计算结果进行适当调整。

爬电距离计算：在实际 PCB 布线中，爬电距离的计算相对复杂，因为它受到多种因素影响。一般来说，对于低压线路(如 12V DC 以下的电路板)，安全爬电距离在满足 PCB 加工能力下线距要求的基础上，通常会考虑一定余量，目前经济的线距最小可达 4mil(约 0.1mm)，实际设计中可能会设置为 0.2mm 甚至更大。对于高压线路(如 220V 市电)，在一些标准中，例如电脑显示器内部 230V 电压板，根据 GB4943 安全标准，两个导体间爬电距离要达到 2.5mm。另外，一些经验公式会考虑电压、材料特性等因素来计算爬电距离，但由于其复杂性和局限性，往往需要结合实际情况和标准规范综合确定。

三、实际案例分析

以一款包含 5V 逻辑电路、12V 电源电路和 220V 交流转直流电路的多功能 PCB 为例。在设计过程中，根据 IPC - 2221 标准，对于 5V 逻辑电路，由于电压较低，且该部分属于一般电子产品(可归为 Class 1)，铜皮间的电气间隙设置为 0.25mm 即可满足基本要求，但考虑到实际生产中的误差以及一定的可靠性余量，最终设置为 0.3mm。对于 12V 电源电路，同样参考标准，电气间隙设置为 0.3mm，爬电距离也设置为 0.3mm。而对于 220V 交流转直流电路，这部分电压较高，属于高风险区域。按照 UL 60950 - 1 标准，结合该电路的基本绝缘等级要求，以及考虑到产品可能在一般室内环境(污染等级为 2)下使用，PCB 材料组为普通的 FR - 4 材料，最终确定电气间隙为 2mm，爬电距离为 3mm。在实际制作出 PCB 并进行电气性能测试时，该设计成功通过了高压测试和绝缘电阻测试，证明了合理设置铜皮间距的重要性和有效性。

四、注意事项

综合考虑多种因素：在计算铜皮间距时，不能仅仅依赖于标准或公式，要充分考虑电压等级、工作环境、绝缘材料特性以及生产工艺等多种因素。例如，若产品将在恶劣的工业环境中使用，即使电压等级不高，也可能需要适当增大铜皮间距以提高可靠性。

考虑生产工艺能力：PCB 生产厂家的加工精度会对铜皮间距的实际实现产生影响。如果生产工艺无法保证过小的间距精度，那么即使理论计算出很小的间距值，在实际生产中也无法实现，还可能导致生产良率降低。因此，在设计阶段要与生产厂家沟通，了解其最小线距、最小过孔间距等加工能力参数，确保设计的可制造性。

留有余量：由于实际情况存在不确定性，如 PCB 在使用过程中可能会受到振动、温度变化等因素影响，导致绝缘性能下降。所以在设计铜皮间距时，应适当留有余量，以增强产品的稳定性和可靠性。例如，在满足标准要求的基础上，将电气间隙和爬电距离适当增大 10% - 20%。

总之，准确计算 PCB 内层不同电压等级铜皮间的距离需要综合运用标准规范、经验公式，并结合实际案例和注意事项进行全面考量。只有这样，才能设计出安全可靠、性能优良的 PCB 产品。