印制电路板布线中常见且危险的错误

今天这篇文章不是随便聊聊，而是所谓的“切题”之作。我要谈的是一个不知为何经常出现的错误，而且犯错的不只是新手，连相当有经验的工程师也会犯。
先说明一下，写这篇文章绝不是为了喷谁，更多是出于安全考虑。相信我，我有充分而客观的理由。

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其实，这篇文章的话题由来已久，至少可以追溯到2008年。当时我在一个知名网站上看到一个电源的设计实例。没错，页面顶部写的就是“ИПБ”，这到底是什么意思，恐怕只有作者知道，因为我个人只知道两个类似的缩写：ИИП（开关电源）和ИБП（不间断电源）。不过这都无所谓，缩写本来就是为了方便作者，想怎么写就怎么写……（讽刺）


至于电路本身的特点，那是另一个话题，在这里与问题毫无关系。说到底，这个电路甚至不一定能正常工作；今天我们要谈的是另一个问题——PCB布线。
那么，那位作者附上了布线图，直到现在任何人都可以下载。

这里有三个关键点：
1.仔细看布线图就会发现，热端和冷端的载流走线彼此距离非常近。
2.这个错误完全不会影响设备的正常工作，但对组装设备并在之后使用它的人来说却很危险。
3.这份布线图公开发布了。


仔细看就能发现，载流走线之间的距离有多小。图纸上的网格间距是1.27 mm。
左边标出的是“热端”走线，右边是“冷端”走线。
其实，要分清这里哪些走线属于哪一侧相当困难，因为图上没有标出元件的位置。不过无论如何都能看出，PCB上根本没有任何明显的间距；右侧是输出端，可以看到预留了安装大容量电解电容的位置。


当时我在论坛上提起了这个问题，作者半天没反应过来，还写了些类似“我只负责设计，电路能工作就行，我已经做了两台电源，一切都很好”之类的话。
过了一段时间，这位作者（我想不难找到他的网名）又提议使用他的作品，于是我和Borodach都回复了他。顺便说一句，当时还讨论过让管理员把他的作品从网站上删掉，但最后为什么没删，我也不知道。


就这样，15年后，YouTube在推荐视频里给我推了一段充电器的视频。我平时就对这类东西感兴趣，于是决定看看。


这时我突然有种似曾相识的感觉。我又看到了可能存在安全隐患的布线，于是问作者是在哪里学的PCB布线，知不知道自己的PCB不安全。
遗憾的是，作者删掉了那一小段评论，现在我手里只剩截图。这段对话并非私人交流，所以我想完全可以把它贴出来。


其实一开始我在视频里注意到了一处奇怪的地方，但以为可能是自己看错了。幸好作者公开分享了一个压缩包，里面有Sprint Layout格式的布线图。


这里我标出了相邻的走线。上方呈L形的是初级侧，其余部分是输出端，其中有一段很长的走线与另一条平行延伸，
那就是充电器的输出地。


放大后可以看到，按1.27 mm的网格间距计算，走线之间的距离约为0.9 mm。我一开始告诉作者是0.7 mm，但当时只是匆匆看了一眼，不过这并不影响结论。


这里的关键问题和开头提到的一样。通常认为，击穿电压约为1 mm对应1 kV。也就是说，间距为0.9 mm时，电压达到900 V就可能发生击穿。这里说的是在干燥、洁净的基材表面发生击穿；如果装了风扇，灰尘被吹得到处都是，之后设备又被放进车库（毕竟这是充电器），环境还比较潮湿，那么远低于这个电压也可能击穿。

我大致就是这样回复作者的。他回信时也提到了“多数工厂生产的设备”，但我请他举出哪怕一个例子，他却没有理会。 虽然我知道至少有一款量产设备也有类似问题，最后会给大家看看。


可惜我之前的回复已经看不到了，不过我当时回复说，替别人干活对我来说既没有学术价值，也没有实际意义，也就是说，这么做的收益趋近于零。
作者大概以为我说的“收益”是指钱，其实完全不是这么回事，后面我还会再谈到这一点。


那么，实际情况到底是什么？我们以典型的电源电路为例来分析。
电源（我们这里说的正是电源）通常有三个部件连接着“危险”侧和“安全”侧：
1.变压器，有时会有两个，比如功率变压器和隔离变压器
2.Y电容，有时也会有多个，甚至有时会串联两个来提高安全等级，例如医疗设备电源。
3.反馈电路，通常是光耦。


此外，还规定了绝缘必须承受的电压。家用级通常是2×MOOP，医疗级则是2×MOPP。
下表列出了最小爬电距离和绝缘电压，并分别针对两种情况：一种是电路板可能落灰，另一种是电路板处于洁净环境。简单来说，前者是开放式电源或带风扇的电源，后者则是装在完全封闭外壳中的电源。
此外还有1×，用于规定对接地外壳的绝缘要求。

也就是说，假设这是一个家用电源，工作时外壳敞开，那么绝缘必须能承受3 kV，最小爬电距离应为5 mm。这里说的是最小值，能做得更大就尽量做大，肯定不会有坏处。
最小爬电距离通常出现在光耦下面。计算距离时，不是量引脚孔中心之间的距离，而是量焊盘最近边缘之间的距离。比如PC817光耦的引脚间距通常为7.5 mm，焊盘直径为2 mm，如果直接安装，实际距离就是5.5 mm，几乎是刚刚够用。
要增加爬电距离，可以换用其他类型的光耦，或者加大引脚间距。我通常会多留1.25 mm。在最危险的位置于电路板上开槽也很有帮助。

医疗用途电源的例子可以看Mean Well RPS-120-27的评测。


现在来看看几个实例。
先看一款品牌电源Mean Well EPP-100-12，从照片上可以看到变压器和Y电容的安装位置。


副板上装有光耦，正如我前面所说，引脚间距加大了，而且下面还开了槽。


继续看一家名气没那么大的厂商Sanmim，电源型号是GPT70A-12
这里看到的情况完全一样：元件之间留有较大间距，并开有安全槽。


还有一款电源，很可能也是品牌货，是我买的二手货。我做过评测，不过说实话，懒得去找了。这些照片以及其他照片都是从我自己的评测里拿来的。
这里用了双Y电容，开了安全槽，间距也很大，而且这款电源显然是准备装进封闭外壳里的。


不过我们再把情况复杂化一点，来看看彻头彻尾的中国电源。这里说的“中国货”，指的是完全没有品牌的那种。
这里的设计简单一些，但触点之间的距离仍然明显超过5 mm。


质量稍好一些的电源情况也差不多，不过这类产品已经开始有安全槽了。


上面照片里的第二款电源还有另一个问题：它用的不是Y电容，而是普通高压电容，这同样不好。我之前在一个视频和一篇文章里讲过这个问题。


接下来讲点让人难过的事：有些中国电源确实存在问题，比如这款“国民电源”。


中国厂商不知怎么搞的，犯了糊涂，把间距做得太小了。 是的，他们试着加了一道安全槽，但如果把它延长一些，或者更准确地说，把两道槽连在一起，效果就不错了，可惜没有。


不过得说一句，第一版的间距还要更小。新版只是缩窄了走线宽度，相应地增大了间距。


你们肯定会问，为什么我只展示厂家的设计？没问题，我也展示一下自己的。
先看这个24 V电池的充电器，充电电流最高8 A。乌克兰实行轮流停电时，我们把它装进了UPS里。
没错，那是20年前的事了，文件最后编辑日期就能说明这一点。是的，这个设计也有不少问题，但安全性绝对没什么可质疑的：最窄处的间距约为6.5 mm，而且输出端还接了地！


再看一个简单电源的例子，我在这里介绍过它。


顺便说一下，有人在我的帖子里贴出了他自己的布线方案，你们觉得安全吗？


这款电源实际上是批量生产的，这里也可以看看初级侧和次级侧之间的间距。



当然，我也犯过错，毕竟只有什么都不做的人才不会犯错。

这也是一款UPS充电器，同样是批量生产的，大约在2001年设计。这里确实有个问题，我承认：初级侧和次级侧之间的间距只有约4 mm，确实有点小。


第二个设计失误稍微复杂一些，是我那台工作用线性电源的初级电源部分。
乍一看一切正常，初级侧和次级侧之间的间距明显超过5 mm。


但散热器的固定螺丝把一切都毁了，因为它可能成为击穿路径。总的来说，散热器会带来额外的问题，这一点也必须考虑。简化来看，我们把到寄生导体（散热器、固定件）的距离与从它到另一侧的距离相加，结果应大于5–6 mm。
顺便说一下，截图里能看到电路板上的文字标注，它有时也会带来麻烦。找找上面我们讨论的那张布线图，回答一下上面的标注有什么问题——算是个眼力测试。


现在我来回答自己之前提出的问题：为什么有些厂家设备没有遵守安全要求。
目前我好像只遇到过一台这样的设备（中国设备不算，那是另一个话题），而且它属于工业自动化设备，是一台自动转换开关。
我在这篇评测的最后详细讲过它的问题。不知道现在厂家有没有改正布线。


同一台设备里还有这处“杰作”：蓝色标出的是“冷端”，红色标出的是直接与输入电压相连的电路，橙色标出的是正确接线时与市电零线相连的部分。


而且正如我当时所说，这个问题并非假设出来的，而是真实发生过的，结果我损失了不少自己的设备。


有时也会遇到这种设计失误：看起来一切都做对了，后来却弄错了还没发现。也就是说，一开始留出了足够的间距，也开了安全槽，但最后忘了整块铺铜区域会延伸到焊盘旁边（图片来自Habr）。


说到底，我写这篇文章的目的是什么？
很简单。电路工作不正常，我可以接受；它只能工作100小时而不是1万小时，我也能接受；甚至完全不能工作，我也能接受。但无论如何，设备必须安全，这是不可动摇的原则：必须安全，仅此而已！
更糟的是，你还把自己的作品分享给别人，而那些观众或读者往往经验更少。

你知道那些作者让人“自己改进”的布线图，在新手眼里是什么样的吗？
没错，我没开玩笑，你的电路板在新手看来就是这样。很多时候，实际情况是：这个人不懂电路设计，对布线更是一窍不通，但会拿烙铁，家里也有熨斗，元件在商店里也买得到。 还要继续说吗？


最后我还是再强调一遍：你的设备可能运行不正常，甚至完全不能工作；可能外观不怎么样，但性能出色。不过最重要的一条是：设备必须安全。作者建议给电路板涂一层绝缘漆。我可以说，绝缘漆只能起到部分作用，有时即使隔着聚氨酯涂层也会击穿。
那些把12 V引到USB接口上、通过双绞线传输220 V之类的人，情况也差不多。不过这是另一个话题了。

今天就说到这里。希望我没有说得太重，不过作者自己要求给出有建设性的意见，那我就尽量说得具体一些。我并没有想冒犯谁，更不是想喷人。至于喷人的例子（发音不对、拍摄方式不对、视频太长、太短），你们可以在我的一些视频下面看到。我们讨论的这位作者有不少好点子，而且做的事情确实有意义，但安全必须放在第一位。
请务必小心，人的生命无价，请珍惜生命。