本文继续考虑
@olartamonov提出的
主题 ，即高压应用程序中的安全性。 本文将讨论电介质击穿的物理基础，以及新的安全标准。
安全要求适用于任何电子设备，尽管它们在产品操作方面存在开销。 他们需要使用附加的电路解决方案和电子组件，使印刷电路板的拓扑结构复杂化，增加了产品的质量尺寸参数，测试量，从而增加了成本和上市时间。 仅当开发设备原型或设备原型时，才可以限制功能。 不幸的是，目前，在简化与客户联系（过去的认证中心），降低成本和节省测试的条件下，电子产品不仅失去了可靠性，而且失去了安全性。
气体和固体中电击穿理论的基础
任何电介质都具有电强度-在一定的电场强度下会发生击穿。 在气体中，Paschen定律描述了球形电极在给定温度和平均压力值下的击穿电压：
其中p是压力，a和b是取决于气体的实验常数。 在图。 图1显示了在20°C的温度下相对湿度为60％的干燥空气的Paschen曲线。请注意，Paschen曲线具有最小值。 压力的增加导致密度的增加和发生碰撞的可能性的增加，但会减小平均自由程，从而减小粒子的能量。 在曲线图的右侧，这导致高压区域中的击穿电压增加。 在低值时，击穿机理取决于平均自由程与电极之间距离的比率。 正常大气压下空气的电强度为3.1 kV / mm，并且随着温度和压降的增加而降低。 作为保守估计，在设计电绝缘时，通常采用1-1.5 kV / mm的值。
对于固体电介质，引入了固有电强度的概念-均质材料中电场强度的最小值，自由或价电子在该电场强度下获得足够的能量，因此当它们与原子或束缚电子碰撞时，会形成新的传导电子，从而导致击穿。 该值取决于温度，对于某些材料，它可以达到几个MV / mm，并且是电气强度的理论极限。 实际上，击穿发生在电场强度低得多的值处。 造成这种情况的主要原因是：
- 材料的异质性（机械微损伤，材料内的污染和空洞，暴露于辐射下对原子晶格的破坏，由于化学反应导致的性能变化）；
- 沿着裂纹存在破裂的旁路路径，通常沿着材料的边界（表面污染，表面和边界层中的水分）；
- 随着时间的流逝材料的老化-这些影响的累积，包括在高温条件下的累积。
在材料的大部分中列出的不均匀性是电场的集中器，导致部分击穿（图2）。 由于这种击穿，介电材料逐渐被破坏，这可能导致完全击穿。
表面上水分或污染物的存在会导致形成导电通道，即使导电性较弱也会形成等电位表面，从而减小了电极之间的实际间隙，从而导致击穿。
复杂的物理现象的整体复杂性，包括概率成分，并取决于大量的外部因素，会导致介电材料发生电击穿。 因此，只能为最简单的情况建立分析和计算模型。 在实践中，设计应遵循标准要求，在接近实际工作条件的条件下进行绝缘测试，并在可能的情况下留出绝缘安全裕度。 了解电气击穿机制的理论基础可让您在面对标准建议的妥协时做出决定。
新安全标准
每组电子设备都有其自己的电气安全标准。 当前的安全标准是
62368-1 ，它取代并结合了过时的标准60950-1和60065。与以前的标准不同，该标准非常系统化和结构化，建议进行研究。 同样，在IPC标准中规定了电气隔离的建议：在印刷电路板设计的通用标准IPC2221和电压转换器的标准IPC9592中。
62368-1中的安全系统的基本模型看起来非常简单（图3）。 通常，防止可能引起疼痛或伤害的能量（电，化学，动力，热等）传递的保护机制包括：
- 能量传递水平或速度的衰减；
- 能量重定向；
- 电源关闭；
- 在能源和用户之间建立障碍。
同时，标准中的保护不仅可以理解为技术（包括用户保护的个人手段），还可以理解为组织措施。 从安全角度来看，最优先考虑的是作为设备一部分的技术手段，因为它们可以最大限度地降低用户行为的要求。
根据危险程度，能源分为三类（第4.2节），每种类型都有其自己的最低保护级别，具体取决于设备用户的类型。 对于普通用户，这是：
- 基本保护（针对危险等级2）-确保正常和异常运行条件下的安全，
- 附加保护（针对3级）-除了主要保护之外，还使用其他保护，以在发生故障时提供保护，
- 加强保护（针对3类）-在正常和异常操作条件下（例如电源的反极性）以及单个故障（例如，绝缘击穿）提供安全。
对于1类源，不允许任何保护。 该标准不仅要求在电源和用户之间，而且还要求在各种危险等级的电能源之间进行保护性绝缘（标准表12）。
来源的分类在标准的5.2节中讨论。 输出电压超过60 V的直流电源被定义为危险电源，需要绝缘（图4）。 对于单脉冲和容量大于300 nF的电容器，相同的电压水平被认为是危险的，当电容减小时，要求降低（对于4 nF，这已经是1 kV，请参阅标准表7）。 对于交流电源，阈值为30 V rms电压。
如果在电子设备的操作中使用2类和3类电能，则其组成中包含的印刷电路板的设计必须符合最小间隙（爬电距离）和爬电距离，所用材料和组件的要求。 印刷电路板专用于附录G“组件”的单独G.18节，其中包含指向通用节5.4.2“电气间隙”和5.4.3“爬电距离”的链接。
选择最小间隙和爬电距离时，不仅应从电压值出发，而且还应从工作条件和电介质材料出发（图5）。 气隙的破裂受压力影响，因此，标准为海拔2000 m以上的海拔引入了增加的因素（标准表22）。 另外，确定了工作环境的三个污染程度。 污染程度越高，必须确保导体之间的距离越大。
影响最小泄漏路径值的另一个参数是就表面击穿强度而言的材料组。 IEC 60112标准根据条件CTI指数（英语比较跟踪指数）的值将介电材料分为4组。 CTI值较高，CTI值越高，耐击穿性越高，最小泄漏路径值越低。 CTI〜175 ... 200的标准玻璃纤维FR4位于IIIb组的边界上，不建议在污染等级3和均方根电压值超过630 V的情况下使用。
确定影响最小间隙和爬电距离选择的参数后，使用标准表17-19、23，G.12确定值本身。 如果所有导体之间存在适当的电压，则必须保持这些最小距离：在初级电路中，在初级和次级电路之间以及在次级电路中。 表1显示了在污染等级2的条件下作为由220 V主电源II类供电的设备的一部分的印刷电路板的最小电气间隙和爬电距离。
对于外层，该值取决于涂层的存在，但是，应牢记标准掩模不是专用的绝缘涂层，并且不提供减少间隙要求的可能性。 掩模的厚度不均匀，并且可能包含空腔和裂纹，从而降低了这种绝缘的可靠性。
至于内层，对于单层实心（英制固体绝缘层）绝缘层，相邻层上导体的最小间隙为0.4毫米，对于一层上的导体，绝缘层被视为粘结接头（英制水泥接合层）。 根据该标准，对于污染等级2，对于污染等级1，或者连续绝缘的间隙为0.4mm，可以使用最小间隙和爬电距离的值。 此外，在最后两种情况下，该标准需要进行测试，包括热循环和电气强度测试。 事实是（由于可靠的应用，必须考虑）由于热，机械应力或随着时间的流逝，沿着印刷电路板相邻层的分离会出现间隙。 然后，0.4 mm的距离可能不足以提供高压绝缘。
值得注意的是，在大多数情况下，穿过层之间的绝缘的距离的要求是最小的，因此，设计尺寸受限的印刷电路板的策略之一是将绝缘导体和组件分成不同的层。
在设计印刷电路板拓扑时，遵守标准要求的距离可能不够，因为产品的组件和结构元素的存在使这项任务成为三维的。 因此，使用组件的3D模型和产品的总体组装是设计具有危险电压等级的产品的先决条件。
考虑到印刷电路板上组件的存在以及产品的结构元素，必须在所有方向上保持标准要求的最小距离。
除了满足最小距离的要求外，在开发用于高压应用的印刷电路板时，建议避免在导电层的几何形状中出现尖角（图6），因为它们是电场强度的集中点。
从EMC的角度来看，隔离屏障是返回电流路径中的一个间隙，如果不采取特殊措施，则会导致辐射水平提高，尤其是在隔离电源的情况下。 与支撑层不连续的情况一样，使用电容器来确保返回电流通过绝缘栅的路径。 标准附录G“组件”的G.15节描述了分立电容器的要求及其应用示例。 在隔离危险电压电平时，仅使用Y类电容器，如果电容器失效，则会导致开路：对于220 V AC II类电压，这是一个Y1类电容器或两个Y2类串联电容器。 这种电容器的安全性由制造商保证，但是，连接的寄生电感和局部位置限制了它们在高于100 MHz的频率下的有效性。 消除了电路板内建在内层两个重叠多边形之间的电容的缺点（图7）。
重要的是要理解，就导体之间的最小距离而言，即使完全遵守标准的建议也不能保证电气安全。 只有绝缘的电气强度测试结果（标准的5.4.11节）才能确认印刷电路板拓扑结构，所用材料和组件，产品设计及其制造技术是否符合特定应用条件的安全要求。
本书完整版本的新版本中包含此内容和先前出版物的扩展和更详细的版本。 #SamsPcbGuide项目正在开发中，包括通过反馈（肯定的和否定的），因此，我将感谢建设性的批评。 祝大家好运！（安全不取决于好运，一切都严格按照标准进行）！