Паразитная емкость печатной платы и предел утечки тока для пациента в 10 мкА

Паразитная емкость печатной платы и предел утечки тока для пациента в 10 мкА

Резюме

Стандарт IEC 60601-1 требует усиленной изоляции между используемым компонентом и сетью, с 8 мм утечки на FR4. Эта цифра охватывает путь постоянного тока и ничего не говорит о пути переменного тока. Заливка площадью 3 см² образует 60 пФ на слое толщиной 0.2 мм и пропускает 5 мкА при напряжении 264 В переменного тока и частоте 50 Гц. В данной статье количественно оценивается емкость дорожек, слоев и переходных отверстий на плате, подключаемой к пациенту, и приводятся правила компоновки, позволяющие удерживать сумму этих значений ниже 10 мкА.

1. Введение

Большинство команд рассматривают разделительный трансформатор, Y-конденсатор и цифровой изолятор как источники тока утечки, а печатную плату — как идеальный изолятор. Проверяется расстояние утечки, утверждается компоновка, а паразитная емкость на плате никогда не оценивается. Для устройства типа B с ограничением в 100 мкА этот зазор редко имеет значение. Для устройства типа CF с ограничением в 10 мкА он определяет результат.

Медная заливка соединяется с нижележащим слоем. Две параллельные дорожки соединяются вдоль своих боковых стенок. Переходное отверстие соединяется с каждой плоскостью, через которую проходит, а неиспользуемый отрезок переходного отверстия соединяется на высокой частоте. По каждому из этих путей проходит ток сетевой частоты и импульсной частоты через барьер. Ни один из них не отображается на принципиальной схеме.

Плата добавляет второй эффект, который невозможно исправить выбором конденсаторов. Сопротивление поверхностной изоляции падает с увеличением влажности, поэтому на влажной плате образуется резистивный путь постоянного тока параллельно каждому емкостному проводнику. После 168 часов при 85 °C и 85 % относительной влажности сопротивление поверхностной изоляции FR4 падает с 10⁹ Ом до 10⁷ Ом, что превращает корректный расчет емкости в нестабильные показания тока утечки.

В этой статье представлены три модели емкости, применимые к реальной печатной плате, измеренный случай, демонстрирующий, насколько может увеличиться сумма, правила компоновки, ограничивающие этот рост, и параметры конденсатора, позволяющие сохранить небольшие размеры узла пациента.

2. Основной механизм

2.1 Послойное соединение при первичной заливке

Любое перекрытие между плоскостью, обращенной к пациенту, образует параллельно-пластинчатый конденсатор. Его значение подчиняется стандартному уравнению и возрастает с площадью, а уменьшается с толщиной диэлектрика.

C_layer = ε0 · εr · A / d

где C_layer — емкость слоя в пФ, ε0 — диэлектрическая проницаемость вакуума, εr — относительная диэлектрическая проницаемость FR4, A — площадь перекрывающейся медной пленки в см², а d — расстояние между слоями в мм. Заливка слоем FR4 толщиной 0.2 мм с εr = 4.5 площадью 3 см² дает емкость 60 пФ.

При напряжении переменного тока 264 В и частоте 50 Гц этот единственный слой пропускает ток 5 мкА, что составляет половину предела для типа CF. На схеме этот путь невидим и виден только при измерении тока утечки. Толщина межслойного пространства также имеет допуск ±10 % – ±15 %, поэтому емкость изменяется в зависимости от структуры многослойной структуры и поставщика печатной платы.

2.2 Соединение боковой стенки трассы

Две параллельные дорожки, проходящие через зону изоляции, образуют второй путь связи. Его величина зависит от длины дорожки, толщины медного слоя и зазора между боковыми стенками.

C_trace = ε0 · εr_eff · L · h / s

где C_trace — емкость боковой стенки в пФ, εr_eff — эффективная диэлектрическая проницаемость ламината, L — длина параллельного участка в мм, h — толщина меди в мм, а s — расстояние между боковыми стенками в мм. Две дорожки толщиной 1 унция, длиной 50 мм и расстоянием между ними 0.2 мм, дают 0.35 пФ.

Эта величина кажется небольшой, пока не будет учтена частота нарастания фронта сигнала. Напряжение, передаваемое по линии пациента, зависит одновременно от емкости, импеданса нагрузки и частоты нарастания фронта сигнала.

V_noise = C_trace · R_load · dv/dt

где V_noise — напряжение связанного шума в В, C_trace — емкость боковой стенки в пФ, R_load — сопротивление нагрузки в кОм, а dv/dt — скорость нарастания фронта переключения в В/мкс. При 0.35 пФ, 10 кОм и 200 В/мкс связанное напряжение достигает 0.7 В, что погружает входной каскад ЭКГ на уровне микровольт.

Шестислойная плата с десятками таких пар между двумя доменами достигает суммарного значения от 3 до 8 пФ. На частоте 50 Гц эта сумма превышает 0.42 мкА, но измеренный входной каскад ЭКГ с 0.8 пФ на одном внутреннем слое показал 380 мкА на частоте 100 кГц, поскольку фронт переключения управляет тем же путем гораздо сильнее, чем сетевое напряжение.

2.3 Соединение через переходные отверстия и ответвления

Каждое переходное отверстие образует небольшой конденсатор между своей контактной площадкой и каждой плоскостью, через которую оно проходит. В плотно расположенном контактном слое с шариковой матрицей переходные отверстия находятся близко друг к другу, и их емкости суммируются.

C_via ≈ 1.41 · εr · h · D1 / (D2 − D1)

где C_via — емкость переходного отверстия в пФ, h — толщина платы в мм, D1 — диаметр контактной площадки в мм, а D2 — диаметр антиконтактной площадки в мм. Плата толщиной 1.6 мм, контактная площадка толщиной 1.0 мм и антиконтактная площадка толщиной 1.6 мм дают 16.9 пФ для одного переходного отверстия, а десятки переходных отверстий в одной области в сумме превышают 100 пФ.

Неиспользуемый отрезок переходного отверстия хуже, чем сама емкость переходного отверстия. Отрезок образует разомкнутую цепь, которая резонирует с индуктивностью трассы, поэтому переходное отверстие, расположенное внутри зоны изоляции, становится путем связи, пересекающим барьер на своей собственной резонансной частоте. Каждая сигнальная линия, пересекающая барьер, должна пересекать его перпендикулярно щели, поэтому параллельный участок короткий, и отрезок располагается только с одной стороны.

2.4 Почему показатель утечки 8 мм является отправной точкой

FR4 имеет сравнительный индекс трекинга от 130 до 175. IEC 60601-1 допускает ползучесть 5.0 мм для 2×MOPP на материале со сравнительным индексом трекинга выше 600, поэтому для платы FR4 требуется 8.0 мм. Это значение предотвращает трекинг, но не предотвращает связь.

Полярное поле между двумя медными краями уменьшается примерно с 2 пФ/см при расстоянии 1 мм до примерно 0.25 пФ/см при 8 мм, что составляет один порядок величины. Оно не достигает нуля. При напряжении переменного тока 264 В и частоте 50 Гц каждые 0.1 пФ этого граничного поля проходят через 0.008 мкА, поэтому 10 междоменных трасс в этой зоне все еще добавляются к сумме утечки тока пациента.

Степень загрязнения и высота над уровнем моря снова умножают эту цифру. Степень загрязнения 3 применяется во влажном отделении интенсивной терапии и имеет коэффициент от 1.25 до 1.5. На высоте 4000 м коэффициент составляет 1.33, поэтому скорректированное просачивание для барьера из 2×MOPP достигает 10.64 мм. Чертеж, на котором указано 8.0 мм, не проходит эту проверку.

Рис. 1 — Заливка слоем FR4 толщиной 0.2 мм площадью 3 см² образует конденсатор емкостью 60 пФ и пропускает ток 5 мкА, а прорезь, сделанная только в верхнем медном слое, сохраняет этот путь на месте.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: На одном из внутренних слоев регистрируется 380 мкА при частоте 100 кГц.

На входном каскаде ЭКГ до каких-либо изменений в компоновке был зафиксирован ток утечки 380 мкА на частоте 100 кГц. Источником тока служила одиночная разделительная емкость 0.8 пФ на внутреннем слое между опорной дорожкой аналогового входного каскада и экраном электрода пациента. На частоте 50 Гц по тому же пути проходит ток 0.066 мкА, и он выглядит безвредным.

Импульсный источник питания управляет этим путем. Частота фронта импульса 200 В/мкс обеспечивает передачу спектра переключения на экран пациента, а передаваемый ток зависит от частоты. Плата, проверенная только при 50 Гц, проходит измерение и все равно подает этот ток в цепь пациента под нагрузкой.

Проблема 2: щель 8 мм, которая очищает только верхний слой.

Прорезь, выточенная в верхнем медном слое, удлиняет путь поверхностного утечки и сохраняет емкость слоя неизменной. На шестислойной плате с заземляющей плоскостью в слоях L2 и L5, заливка под прорезью обеспечивает связь с плоскостью пациента на протяжении 0.2 мм ламината. Проверка на утечку пройдена успешно, и путь утечки 60 пФ остается на месте.

Та же ошибка встречается под крупными компонентами и вдоль края платы, где сплошная плоскость располагается непосредственно под пазом. Решение состоит в том, чтобы очистить каждый слой под пазом или заменить сплошную медь на сетчатый рисунок там, где плоскость должна оставаться непрерывной.

Проблемный момент 3: диэлектрическая проницаемость FR4 изменяется на 25 % после воздействия влажного тепла.

Материал FR4 поглощает от 0.5% до 1.5% воды по массе при относительной влажности 85%. Относительная диэлектрическая проницаемость возрастает с 4.5 до 5.5 или 6.0, поэтому каждая паразитная емкость на плате увеличивается на 25–40% без изменения конструкции. Слой с емкостью 60 пФ превращается в слой с емкостью от 75 пФ до 84 пФ, а его вклад в частоту 50 Гц возрастает с 5 мкА до 6.3 мкА или более.

Аппараты искусственной вентиляции легких и диализа работают при относительной влажности от 60% до 90% и требуют многократной химической дезинфекции. Вода также проникает в керамический корпус каждой соединительной детали через эпоксидную смолу, и деталь класса II теряет сопротивление изоляции с 10 000 МОм до 100 МОм после 100 часов воздействия влажного тепла. При этом постоянный ток увеличивается в 100 раз и может доминировать в показаниях.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Оценить паразитную емкость каждого узла до начала компоновки.

Создайте таблицу, в которой каждая строка соответствует одному узлу, подключенному к пациенту, а каждый столбец — одному механизму связи: перекрытие слоев, боковые стенки трасс, переходные отверстия, кабель и каждый разделительный конденсатор, размещенный в соответствии с проектом. Заполните каждую строку числом при частоте 50 Гц и напряжении переменного тока 264 В. Узел без номера увеличивается в процессе компоновки и отображается в первом измерении утечки вместо результатов проверки.

Стратегия 2: Очистить внутренние плоскости под изоляционным пазом.

Прорежьте щель через каждый слой меди от верхней плоскости до нижней, чтобы у полости не было дна. Там, где плоскость должна оставаться непрерывной по соображениям импеданса, замените сплошную медь внутри полости на сетчатый рисунок и уменьшите эффективную площадь перекрытия на 60 %. Соотношение ширины и глубины щели должно быть 2:1 или больше, чтобы пыль и влага не могли её перекрыть.

Стратегия 3: Размер фильтра для порта пациента должен быть равен минимальной емкости.

Микросхема X7R теряет от 50% до 80% своего номинального значения при постоянном напряжении смещения, поэтому микросхема емкостью 1 нФ может работать как 200 пФ, и разработчик увеличивает номинальное значение для компенсации. N4700 Компонент класса I сохраняет свои значения, поэтому необходимые фильтру 100 пФ соответствуют тем 100 пФ, которые есть на плате. Это изменение уменьшает величину утечки на канал с 0.083 мкА до 0.008 мкА.

Двенадцать каналов с такой разницей позволяют сэкономить 0.86 мкА, что составляет 8.6 % от предела типа CF только за счет замены компонента. Аналогичные расчеты применимы и к разделительным конденсаторам на изолированном DC/DC-выходе, где конденсатор емкостью 22 пФ обеспечивает ток утечки постоянного тока 0.1 нА по сравнению с микроамперным диапазоном конденсатора класса II в том же положении.

Стратегия 4: Размещайте каждый барьерный переход перпендикулярно щели.

Сигнал, которому необходимо пересечь барьер, пересекает его под углом 90° к краю щели, на одном слое, без параллельного прохождения с обеих сторон. Перпендикулярный путь позволяет ограничить боковое соединение одним коротким пересечением вместо длинного параллельного пути, а обратный путь проходит по той же стороне барьера. После пересечения следует установить локальный низковольтный стабилизатор и ферритовый фильтр для очистки источника питания перед тем, как он достигнет зоны контакта с пациентом.

Стратегия 5: Повторная проверка сопротивления поверхностной изоляции после воздействия влажного тепла.

Добавьте макетную доску с данными о состоянии пациента и проведите испытания в течение 168 часов при температуре 85 °C и относительной влажности 85%. После этого снова измерьте сопротивление изоляции поверхности и утечку воздуха через кожу пациента. Конструкция, которая проходит испытания в сухих условиях и не проходит испытания во влажных, не пройдет испытания в отделении интенсивной терапии, а учет влияния влаги на этапе проектирования обходится гораздо дешевле, чем корректировка параметров на месте эксплуатации.

Тот же образец проверяет полость щели. Если на стенках щели образуется пленка конденсата, эффективный путь утечки возвращается к прямолинейному расстоянию до штифта, и барьер теряет свои характеристики при испытании переменным напряжением 4000 В.

Стратегия 6: Анализ сопротивления изоляции и частичного разряда экранирующего конденсатора по партиям.

Контролируйте два параметра, которые изменяются между производственными партиями. Задайте разброс сопротивления изоляции для каждой партии ниже ±10 % и проверяйте каждый блок на частичный разряд при 5 пКл и напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное. Такая комбинация позволяет удерживать диапазон утечки в производстве на уровне ±0.5 мкА при 3σ, что обеспечивает удержание тока утечки 9 мкА в пределах 10 мкА по всей конструкции.

Добавьте резистор выборки HVRGXP в обратном пути датчика утечек, поэтому при производственных испытаниях измеряется то же количество, что и при типовых испытаниях.

Параметр компонента	Типичное значение	Условие теста
Номинальное напряжение (серия HVCT8G)	10 кВ постоянного тока	высоковольтный режим 1.5× в течение 60 с
емкость	4700 пФ ±20% (472М)	1 МГц, 1 В среднеквадратичное значение
ЭПР на частоте 1 МГц	ниже 50 мОм	-
Индуктивность петли (хорда E40)	ниже 8 нГн	Расстояние между клеммами: 40 мм
сопротивление изоляции	сопротивление выше 10 ГОм при напряжении 500 В постоянного тока	25 ° C, 60% относительной влажности
Диапазон температур	от −40 °C до +125 °C	Серия МЭК 60068-2
Возможность импульсного DV/DT	выше 50 кВ/мкс	при номинальном напряжении

5. Конденсаторы HVC N4700 для платы, подключаемой к пациенту.

Компания HVC производит компоненты класса I для узлов, подключаемых к пациенту, где паразитная емкость и установленная емкость суммируются. Каждый заказ медицинского назначения включает данные о сопротивлении изоляции на единицу изделия и отчет о частичном разряде при 5 пКл, выполненные на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане, в диапазоне напряжений от 1 кВ до 150 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Сопротивление изоляции превышает 100 000 МОм при 25 °C и 10 ГОм при 85 °C. Постоянный ток остается ниже 5 нА для компонента емкостью 1 нФ при 500 В, в отличие от 500 нА для компонента класса II после воздействия влажного тепла.
• Изменение емкости при постоянном смещении составляет менее 1 %. Компонент емкостью 100 пФ сохраняет это значение при рабочем напряжении, поэтому как коэффициент среза фильтра, так и арифметика утечки остаются неизменными в наихудшем случае работы.
• Температурный коэффициент −4700 ± 30 ppm/°C. Значение линейно и воспроизводимо, поэтому частота среза RC-цепи, подключаемой к порту пациента, остается в пределах 1 % во всем диапазоне без компенсационной цепи.
• Частичный разряд ниже 5 пКл при напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное. Внутренняя пустота увеличивает локальное поле в 80 раз, и часть, экранированная при 5 пКл, не выдерживает это поле в течение 15 лет службы.
• Пьезоэлектрическая постоянная находится в диапазоне фКл/Н. Кровесосы и компрессоры вызывают вибрацию платы с частотой от 10 Гц до 2 кГц, и данная деталь не преобразует это напряжение в сигнал на электроде пациента.
• Координированные компоненты. HVCT8G и компоненты HVCT9G сочетаются друг с другом толстопленочный резистор для дренажного канала и выпрямительный диод для вспомогательного рельса, поэтому барьер имеет один документально оформленный комплект деталей.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты отгружаются в течение 4–8 недель, а компоненты с нестандартной емкостью или шагом выводов — в течение 6–10 недель. Медицинские заказы включают данные о сопротивлении изоляции на единицу, отчет о частичном разряде при 5 пКл и т. д. Перекрестная ссылка В таблице представлены результаты сравнения с сериями Murata DHS, Vishay 715C и TDK UHV.

Отправьте чертеж сборки, геометрию изоляционных пазов, список емкостей узлов пациента и состояние сети. HVC вернет лист с данными о паразитной емкости, включая номера деталей для каждого узла и образцы устройств для повторного тестирования на воздействие влажного тепла.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Какое значение паразитной емкости является чрезмерным на плате, подключаемой к пациенту?

Исходя из предельного значения, начнем расчеты в обратном порядке. При напряжении переменного тока 264 В и частоте 50 Гц каждые 100 пФ пропускают 8.3 мкА, поэтому суммарная емкость, как установленная, так и паразитная, на пути тока от пациента должна оставаться около 100 пФ. Один слой толщиной 0.2 мм и площадью 3 см² уже составляет 60 пФ, поэтому перекрытие слоев — это первый параметр, который необходимо проверить.

В2: Уменьшает ли более широкий паз связь между элементами конструкции?

Это уменьшает краевое поле. Увеличение расстояния с 1 мм до 8 мм снижает краевую емкость примерно с 2 пФ/см до примерно 0.25 пФ/см. При этом емкость слоя не затрагивается, поскольку она зависит от площади перекрытия и толщины диэлектрика, поэтому внутренние плоскости все равно необходимо очистить.

В3: Почему ток на участке с емкостью 0.8 пФ составляет 380 мкА?

Поскольку измерение проводилось на частоте 100 кГц, а не 50 Гц, связанный ток возрастает с частотой, поэтому через конденсатор 0.8 пФ проходит 0.066 мкА на частоте 50 Гц и 380 мкА на частоте 100 кГц в пределах спектра переключения. Всегда снимайте показания на той частоте, на которой преобразователь фактически переключается.

Вопрос 4: Как влажность влияет на емкость платы?

FR4 поглощает от 0.5% до 1.5% воды по массе при относительной влажности 85%, что повышает относительную диэлектрическую проницаемость с 4.5 до 5.5 или 6.0. Каждая паразитная емкость на плате увеличивается на 25–40%, а сопротивление поверхностной изоляции падает с 10⁹ Ом до 10⁷ Ом, что добавляет параллельный резистивный путь постоянного тока.

В5: Какой фильтр для пациент-порта следует использовать — 100 пФ или 1 нФ?

100 пФ, когда компонент класса I сохраняет свое значение при смещении. Компонент X7R емкостью 1 нФ может работать как 200 пФ, и разработчик увеличивает номинальное значение для защиты отсечки, что также увеличивает величину тока утечки. Компонент N4700 емкостью 100 пФ сохраняет значение 100 пФ и пропускает 0.008 мкА при частоте 50 Гц и напряжении переменного тока 264 В.

В6: Что подтверждает работоспособность платы после доработки или смены поставщика?

Три измерения. Утечка тока от пациента при напряжении 264 В переменного тока и частоте 50 Гц при наихудшей конфигурации используемой части. То же измерение после 168 часов при температуре 85 °C и относительной влажности 85%. И измерение сопротивления поверхностной изоляции на макетной плате, на которой размещены проводники от пациента. Изменение ламината влияет на диэлектрическую проницаемость, и это влияние фиксирует только макетная плата.

7. Рекомендации

1. IEC 60601-1:2005+AMD1:2012, Медицинское электрооборудование — Часть 1: Общие требования к базовой безопасности и основным рабочим характеристикамЖенева: МЭК, 2012.
2. МЭК 60664-1:2020, Координация изоляции оборудования в низковольтных системах электроснабжения — Часть 1: Принципы, требования и испытанияЖенева: МЭК, 2020.
3. МЭК 60384-8:2015, Неподвижные конденсаторы для использования в электронном оборудовании — Часть 8: Неподвижные конденсаторы с керамическим диэлектриком, класс 1Женева: МЭК, 2015.
4. МЭК 60270:2015, Методы высоковольтных испытаний — Измерения частичных разрядовЖенева: МЭК, 2015.
5. Эриксон Р.В. и Максимович Д., Основы силовой электроники, 3-е изд. Чам: Спрингер, 2020.
6. Мохан, Н., Унделанд, Т.М., и Роббинс, В.П. Силовая электроника: преобразователи, применение и дизайн, 3-е изд. Хобокен, Нью-Джерси: Wiley, 2003.
7. Д.Н. Донахью, М. Пехт, И.К. Ллойд и С. Ганесан, Деградация многослойных керамических конденсаторов под воздействием влагиНадежность микроэлектроники, том 46, № 2-4, стр. 400-408, 2006. https://doi.org/10.1016/j.microrel.2005.05.008
8. Сезон дуги и наблюдения за конструкцией доски (техническая заметка о высоковольтном дуговом пробое, остатках флюса и компоновке), Johanson Dielectrics, Inc., https://www.johansondielectrics.com/docs/3939/arc-season-and-board-design-observations.pdf .
9. ГБ/Т 6346.1-2024, 电子设备用固定电容器 第1部分:总规范 (Постоянные конденсаторы для использования в электронном оборудовании – Часть 1: Общая спецификация). Пекин: 国家市场监督管理总局, 2024 г.
10. Использование керамических конденсаторов 3 кВ (Обсуждение стабильности C0G/NP0 по сравнению с X7R/Y5S), Forum Retrotechnique, https://forum.retrotechnique.org/t/utilisation-des-condensateurs-ceramiques-3kv/115858 .
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com