关于商用空调电路板的防火槽设计与电气间隙的探索分析

作者/ 方玉胡 杨守武 邓智 张成成 熊克勇 格力电器(合肥)有限公司(安徽 合肥 230600)

摘要：本文主要论述了电路板防火槽存在的意义，PCB增加开槽的多种方法，PCB防火槽的设计注意事项，实效方式和整改方案。

引言

　　商用空调PCB板涉及强电和弱电，其中商用机组工作电源大多要从控制器经过，这就使PCB在设计过程中不得不考虑商用机组的三相电和大功率负载与PCB高度集成化的矛盾问题，所以在PCB的设计过程中，就需要使用到增加绝缘的设计——防火槽。防火槽的基本原理就是加大PCB元件引脚之间绝缘性能。

1 PCB防火槽存在的意义

　　从物质特性来讲，导体和绝缘体并没有绝对的界限，在适当的环境下，任何物质都可以成为导体，所以所有物质都会在一定程度上有一定的导电能力，PCB板更是如此。因为PCB板有环境使用要求，往往PCB板都需要使用复合材料或者有机材料来增强PCB板的强度，并根据PCB板的绝缘要求再增加绝缘材料，所以PCB板的绝缘性能同样不是绝对的，在电压足够高、湿度适当、长期直流电以及外部环境长期污染等条件下，PCB元件引脚间的绝缘就不再是绝对的，就会出现高电压击穿和离子迁移现象，进而导致因间隙放电和离子迁移而导致控制器的失效。为了防止此种现象的发生，就需要加大PCB的绝缘能力，目前最有效的方法之一就是增加PCB防火槽。

　　1.1 PCB板的材质

　　PCB由奥地利人保罗.爱斯勒于1936年首先使用在收音机中，于1948年在美国用于商业用途，目前行业内常用的PCB板材料有FR-1、FR-2、FR-3、FR-4、CEM-1、CEM-2、CEM-3、 CEM-4、CEM-5等，分别使用酚醛树脂、纸质纤维、玻璃纤维、环氧树脂、Polyimide(聚酰亚胺)、BT/Epoxy等材质。一般PCB板需要增加增强材料，通常按基材可分为：纸基、玻璃纤维布基、复合基(CEM系列)、积层多层板基和特殊材料基五大类，PCB存在已有70多年历史，技术上早已成熟，目前也没有更好的方式避免大功率元件的放电问题和小元件的爬电距离问题，所以开槽成为解决该问题的不二选择。

　　1.2 关于国标

　　对于爬电距离，国标没有定制硬性规定，国标在《印制板的设计和使用GB/T 4588.3》中对爬电距离的解释为“导线之间允许的电压，主要取决于导线的间距、基材类型、涂覆层及环境条件等因素，同时还取决于特定的安全规则。因此，不能给出通用的要求。”但国标对于四种情况给出了4种曲线参考：A局部电压;B工作电压大约减至放电电压的1/5;C工作电压大约减至放电电压的2/5;D工作电压大约减至放电电压的1/11。四种情况给出了相应的参考值，对于D曲线，该参考值的数据表明，在电压220V时，电气的间隙应为5mm，此种参数要求在工作电压为放电电压1/11时使用，是国标中对爬电间隙的最高要求，但不强制，所以目前市场上很多设计并未达到此要求。

2 开槽的使用方法

　　一般开槽都会涉及强电，有强电火线及零线之间的开槽;保护元件本身的开槽，如保险管、接线端子等;强电与弱电之间的开槽，如光耦、功率开关器件等。开槽都是为了增加强电工作范围内其他元件的绝缘性能。

　　2.1 PCB开槽的误区和实效案例

　　开槽有很多种方法，在PCB板上一般不会出现问题，但开槽本身的作用需要在PCB的装配成品中体现，这就涉及PCB板与装配元件之间的配合，如果两者在装配方法、方向、开槽大小、开槽形状上有配合的问题，就会出现适得其反的效果。

　　案例1：此案例为电源滤波电路中电容两端的开槽，此种电容称牛角电容，以其三角形引脚得名，因其结构的特殊性，导致其爬电距离较其他普通电解电容较小，需要增加开槽，但此款主板未充分考虑到元件插装后电容引脚之间的位置，导致电容引脚直接压在电容上方，开槽完全失去作用，如图1。

　　案例2：此款主板考虑到了电容C88引脚间距离较短的问题，在C88引脚之间增加一条较短的开槽，但忽略了与C88相连的R93与另一引脚之间的距离，实际测试该直线距离为3.3mm，此距离虽在国标的临界值之间，在工作环境湿度和粉尘变化的情况下，就会出现放电的情况，如图2。

　　2.2 PCB板边元件的爬电间隙

　　目前主板设计集成化较高，留给主板的多余空间越来越少，部分大功率器件不可避免地也要排布在板边，需要充分考虑到爬电距离问题，如图3所示。该电阻为2W电阻，在设计上，2W电阻属于大功率电阻，大功率电阻需要散热，所以此电阻为悬空高引脚结构，在设计上已经考虑到放电间隙的问题，所以此电阻距板边5mm，不足之处在于此电阻靠近板边，在多个工序操作过程中有受力压倒的隐患，压倒后电阻歪倒在一边，导致爬电距离缩短，在使用过程中产生放电现象，最终导致电阻烧毁，主板失效。

3 结束语

　　主板防火槽设计原理是极其简单的放电间隙问题，主板设计中遇到的问题多为主板与元件配合问题，设计过程中看不到的过程操作问题，相邻元件的距离问题，这些需要设计人员的长期经验不断积累，才能不断地从问题中领悟到经验，设计人员需要对生产过程，元件匹配类型，充分了解，才能尽可能地减少此类问题发生。

参考文献：

　　[1]孙卫锋.地温中央空调控制系统研究[D].济南：山东大学控制科学与工程学院，2009..

　　[2]王兆安，黄俊.电力电子技术[M].北京机械工业出版社，2000.

　　[3]王海.大型机电设备安装工程安装工程的技术探讨[A].自动化科学和技术[G].北京：电子工业出版社，2000.

本文来源于中国科技期刊《电子产品世界》2016年第10期第53页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。