Vítejte, dnes je
středa
24.
duben
2024
Odborný časopis a portál zaměřený na vývoj a výrobu elektroniky Desky plošných spojů jsou vytvořeny z vodivého a izolačního materiálu a elektrický proud prochází pouze vodivými elementy jako jsou plošné spoje, vývody součástek, via otvory a napájecí plochy. Reálná praxe ale umožňuje elektrickému proudu jisté výjimky, které musí návrhář vzít v úvahu.
Obr. 1 Komplexní DPS s vysokým napětím, kde je nutné provést analýzu svodových proudů
Na deskách s vysokým napětím může dojít k výbojům, při kterých proud poteče izolačním materiálem desky (FR4) nebo vzduchem. Částečné výboje nastanou v místech, kde prostředí není homogenní a kde dochází ke změně elektrického pole. Nehomogenní prostředí může být způsobeno např. bublinkou plynu uvnitř materiálu desky (FR4) nebo nečistotou ve vzduchu. Nehomogenní místa izolantu mají v porovnání s okolním izolačním materiálem nižší dielektrickou pevnost, což způsobuje zvýšení intenzity elektrického pole. V takových místech prorazí napětí izolantem, kterým následně poteče proud. Průrazná napětí jsou specifikována pro materiály jako FR4 a Prepreg i s jejich garantovanou elektrickou pevností. Návrhář desky se proto musí postarat o správnou specifikaci izolantu a může ho potom považovat za ideální izolátor pro analýzu svodového proudu.
Svodové proudy na povrchu sledují stejné fyzikální efekty. Kvůli nečistotám nebo prachu na povrchu izolantu může dojít k průrazu okolním vzduchem, který je sám také izolantem. Tento únikový proud teče po povrchu izolantu v místech jeho znečištění. Specifikace izolantu je dána jeho dielektrickou pevností, ale ta může být na povrchu zcela jiná. Delší vzdálenost svodu, jakou představuje požadovaná vzdušná mezera, může mít nižší dielektrickou pevnost a tak se proud dostane přes tuto větší vzdálenost, ale s menším odporem. Příčinou může být znečištění jako je např. prach, olej nebo voda na povrchu desky. K znečištění může dojít během výrobního procesu nebo během používání za-řízení koncovým uživatelem.
Obr. 2 Svodové proudy se mohou dostat do desky otevřenými boky desky nebo otvory
Na izolovaných vrstvách mezi dvěma elektrickými obvody je s ohledem na svodové proudy požadovaná minimální vzdálenost. Tato mezera může být větší než je mezera požadovaná pravidly pro návrh desky. Mezery s ohledem na svodové proudy musí také zahrnout 3D okolí kolem výřezů desky. V napájecí elektronice může dosáhnout napětí 1000 V i více a tak musí být splněny požadavky na bezpečnost DPS. Rozdíl napětí je zde dostatečně veliký na to, aby se proud dostal přes znečištěný povrch desky. Aby byla zajištěna minimální mezera mezi dvěma vodivými objekty, je potřeba aby kontrola dodržení návrhových pravidel (DRC) mohla měřit minimální vzdálenost mezi vodiči, pokovenými otvory a mezi vrstvami desky v 3D prostředí.
Všechny mezinárodní bezpečnostní předpisy pro analýzy svodového proudu předpokládají, že izolační materiály jsou ideál-ní a že proud není schopen jimi proniknout. Předpokládá se, že potenciální svodový proud nepoteče pouze na povrchu desky plošných spojů, ale také na vnitřních vrstvách vícevrstvé desky. Je možné, že se únikový proud dostane na DPS ze stran nebo z otevřených ploch výřezů, jako jsou např. vrtané otvory nebo vybrání. Všechny nejmenší možné vzdálenosti mezi elektrickými objekty se musí měřit jak na povrchu, tak i ze stran, aby se mohly dodržet bezpečnostní standardy.
Pro svodové proudy existují různé mezinárodní bezpečnostní standardy. Mnohé standardy se vyvinuly postupně z různých zdrojů a nejsou vzájemně konzistentní a přehledné. Těmito standardy jsou např. VDE 0109, VDE 110, DIN EN 60664, DIN EN 50124, IEC 62497 UL 508 a CSA-C22.2 No.14. Národní i mezinárodní výbory a vládní organizace definují na toto téma velmi podrobné dokumenty, avšak každý z nich považuje za prioritní jiný typ fyzikální veličiny. Všechny standardy ale upozorňují na důležitost sledovat alespoň tyto 4 parametry:
Bez ohledu na to, jak standardy kalkulují různé požadavky, jejich výsledkem jsou pravidla pro minimální vzdálenosti ve 3D. Minimální mezera závisí na pracovním napětí a stupni znečištění. Různé hodnoty pro minimální mezeru v závislosti na přepětí jsou popsány v rovnicích nebo v tabulkách.
Programy pro návrh DPS zahrnují kontrolu dodržení návrhových pravidel (DRC) pro vytvoření běžných desek plošných spojů. Mezi těmito návrhovými pravidly jsou např. minimální a maximální délka plošného spoje nebo mezera mezi spoji s ohledem na výrobu desky. Všechna tato pravidla jsou ale nastavena pro 2D prostředí a budou kontrolovat každou vrstvu desky odděleně. Kontroly mezer ve 3D napříč všemi vrstvami desky nejsou prováděny.
Návrhové programy podporují pravidla pro jednotlivé spoje a jejich skupiny (net classes), ale nedělají rozdíly mezi elektrickými obvody tak, jak je to požadováno bezpečnostními organizacemi. Z toho vyplývá, že 2D návrhová pravidla pro kontrolu mezer mohou být použita pouze do určitého rozsahu, mají limity a nic negarantují.
Ve 2D návrhových programech je možné navrhnout rozložení jednotlivých vrstev desky s různou tloušťkou materiálu FR4. Není ale možné definovat, jak je toto rozložení spojeno s prepregem a kde je možná povrchová cesta pro svodový proud. Skutečné umístění mědi uvnitř desky není často ani uvažováno.
3D návrhový program Nextra umožňuje uživateli načíst data vytvořená v tradičním návrhovém programu DPS jako je např. software od firem Cadence (např. OrCAD), Mentor Graphics nebo Zuken a provést analýzy svodového proudu. Načtená 2D deska se modeluje ve 3D, k údajům se přidají data pro prepreg a izolační materiály. Potom se může provést 3D analýza, při které se měří nejkratší možné únikové cesty pro proud na povrchu a uvnitř vícevrstvé desky.
Pro tento druh analýz je v programu Nextra určen modul analýzy svodového proudu. Zde může být několik spojů seskupeno do elektrických obvodů tak, že se může měřit proti vybranému spoji podle požadovaného standardu. Toto seskupení může být provedeno manuálně nebo automaticky během importu dat, pokud načítaná data obsahují požadované vlastnosti.
Obr. 3 Detail ve 3D zobrazující místo se svodovým proudem (zeleně)
Pro výpočet nejkratší dráhy svodu proudu bude brát Nextra v úvahu obrys desky, otvory a výřezy. Výřezy jsou často vytvořeny pro zvětšení mezery mezi elektrickými obvody. Někdy tyto výřezy vyřeší jeden problém, ale současně způsobí jiný. Certifikační procedury u oficiálních agentur jako IEC nebo TÜV vyžadují pro dokumentaci manuální měření všech mezer. Toto je ovšem časově velmi náročné a není bez chyb. Automatizovaný proces se specializovaným software najde možné problémy rychle a na celé desce.
Po načtení dat návrhu desky se může uživatel rozhodnout, jestli chce provést měření na jednotlivých spojích, nebo kompletní měření všech skupin spojů vzájemně proti sobě.
Je také možné vybrat pouze určitou část desky, na které se provedou kontroly s různými napěťovými úrovněmi nebo různým stupněm znečištění.
Výsledkem kontroly při použití návrhových pravidel pro svodové proudy je tabulka se seznamem spojů (netů) nebo elektrických skupin, které nevyhovují návrhovým podmínkám. 3D zobrazení desky umožňuje pro ilustraci zobrazit nejkratší cestu svodových proudů. Svodové cesty ve 3D prostoru mohou být komplexní, když se jedná o zaoblené povrchy, nebo když jdou přes jednotlivé vrstvy desky. Díky možnému „crossprobing“ mezi tabulkou s údaji nevyhovujících částí desky a 3D zobrazením desky je možné dokumentovat a popsat nalezené problémy se svodovými proudy.
Úplná dráha svodového proudu, která sleduje diagonálu na povrchu vrtaného otvoru, nemůže být manuálně měřena a její hodnota nemůže být přesně stanovena. Program Nextra umožní měřit nejkratší dráhy svodového proudu i na nejsložitějších strukturách objektů, přičemž bude brát v úvahu i různé stupně znečištění na jednotlivých vrstvách desky. Životu nebezpečné situace na desce mohou být analyzovány natáčením desky ve 3D zobrazení.
