开关电源PCB电路板的设计要符合有关安规方面的要求

今天分享一篇纯技术性文章，我们一起看一下开关电源PCB电路对耐压与漏电、爬电距离、电源保护、重要组成器件电解电容等方面的一些安全规定要求。

一、先上图进行图解说明

二、电解电容在PCB电路中的重要性

电解电容是开关电源中最不安全和对开关电源平均无故障工作时间MBTF影响最大的器件。
电解电容使用一段时间之后，电容量会减小，纹波电压会增大，所以很容易发热失效。
大功率电解电容发热失效时，经常会引起爆炸，因此，直径大于10mm的电解电容，要具有防爆功能。具有防爆功能的电解电容是在电容器外壳的顶部开十字槽，并在引脚的底部还要留排气孔。
电容器的使用寿命主要由电容器内部的温度来决定，而电容器的温升主要与纹波电流与纹波电压大小有关，因此，一般电解电容器给出的最大纹波电流和纹波电压参数，都是在特定工作温度（85℃或105℃）和特定使用寿命（2000小时）条件下的纹波电流值，即：在此最大纹波电流和纹波电压的条件下，电解电容器的寿命只有2000个小时。当要求电容器的使用寿命大于2000小时以上时，需按下式来设计电容器的使用寿命。
下面是根据著名的阿列纽斯理论得出的电解电容使用寿命计算公式：

式中：
L：实际使用平均寿命；
L b ：最大工作温度下的基本寿命 ，一般为2000小时（要查阅资料）；
T max ：最大工作温度，一般为85℃或105℃；
T a ：实际环境温度；
T h ：寿命折半所需之温度量，一般为10℃或12℃；
ΔT jo ：加上最大额定波纹电流后，电容器的内部温升与电容器的封装结构有关，取值范围：3.5～10℃
ΔT j ：加入实际波纹电流后，电容内部的温升。
其中：
公式二（图）

式中：
F：频率系数 ，频率系数在产品目录或规格书中列出，一般定义工作频率为120Hz或100kHz时F=1，其它工作频率时，F大于或小于1；
Io ：最高工作温度时的额定波纹电流 ；
I：实际波纹电流 。
根据上面公式计算结果，电解电容器的温度每升高10℃～12℃，电解电容寿命就会降低一半。例如，如果要求电解电容器的使用寿命达到5万小时，则电解电容器的最高工作温度就不要超过55℃ 。

三、安规对开关耐压与漏电的要求
当开关电源的输入、输出电压交流超过36V, 直流超过42V 时，需要考虑触电问题。安规规定：任何两个可触及件或任何一个可触及件与电源的一极间漏电不要超过 及件与电源的一极间漏电不要超过0.7mAp 或直流 2mA。
输入电压为开关电源220V时，其冷热地之间的爬电距离不能小于6mm，两端口线间的间距必须大于3mm。
开关变压器的初次级之间的耐压要求使用交流3000v，设定漏电流为10mA。进行1分钟的测试，其漏电流必须小于10mA.
开关电源的输入端对地（外壳）的耐压使用交流1500V，设定漏电流为10mA,进行1分钟的耐压测试，其漏电流必须小于10mA。
开关电源的输出端对地（外壳）的耐压使用直流500V，设定漏电流为10mA,进行1分钟的耐压测试，其漏电流必须小于10mA。

四、安规对开关安全爬电距离的要求
两线中的一次侧和二次侧安全距离：6mm，加1mm开槽也要4.5mm。
三线中的一次侧和二次侧安全距离：6mm，加1mm开槽也要4.5mm。
保险丝两铜箔之间安全距离>2.5mm。加1mm开槽也要1.5mm。
L—N,L—GND,N—GND.之间的距离大于3.5mm。
初级滤波电容脚间距>4mm。
初次级间安全距离>6mm。
开关电源PCB布线要求
铜箔与铜箔之间：0.5mm
铜箔与焊点之间：0.75mm
焊点与焊点之间：1.0mm
铜箔与板边之间：0.25mm
孔边与孔边之间：1.0mm
孔边与板边之间：1.0mm
铜箔线宽>0.3mm。
转弯角度45°
平行线之间布线时要求等间距。

五、安规对开关电源安全的要求
从安规的元件中找出安规要求保险丝，其两个焊盘间的爬电距离>3.0mm（min）。在发生后级短路后，要在安规电容X,Y。其考虑耐压和容许的漏电流。在亚热带环境中其设备的漏电流要<0.7mA,工作在温带环境中的设备漏电流要<0.35mA，一般的Y电容要不大于4700pF。容量>0.1uF的X电容要加泄放电阻。在正常工作的设备掉电后，其插头间的电压在1秒内的电压值不大于42V。

六、安规对开关电源保护的要求
在开关电源总输出功率大于15W时，应进行短路测试。
输出端短路时，电路内不能发生有过热、起火，或者燃烧时间在3内。
相邻线路之间距离小于0.2mm时，可认为是短路。
电解电容应进行短路实验，此时因为电解电容很容易失效，在进行短路测试应注意器件，防止起火。
两种不同性质的金属不能作为接插件，因为会产生电腐蚀。
焊点与元件引脚的接触面积要大于元件引脚的横截面积。否则被认为是虚焊。