高压电路设计指南和材料
哈勃望远镜,卡西尼-惠更斯号任务,和其他探索飞船利用高压直流电源从光导照相机管和质谱仪雷达和激光技术。NASA与1.5 kV供应因为经历了性能问题——如2006年的一份报告所述,“设计师不重视高电压问题在最初的设计。”该报告引用了一个非常狭窄的部分参数,在电介质电气绝缘问题,陶瓷、糟糕的几何形状,间距小,使用错误的绝缘材料,和热膨胀引起的电源故障。
设计一个电路,包括高电压需要不同的和更严格的方法比其他与PCB的设计。和…需要更多的关注增加高密度的设计。除了这种方法,设计团队还必须熟悉的术语,包括绝缘、板材料、间隙、蠕变和高度。设计师也应该有一个整体的知识会影响电路的规定。
高压设计解决问题始于PCB布局
我们都知道正确的追踪间隔印刷电路板设计维护信号的完整性和帮助防止电磁干扰的传播。在高压PCB设计,跟踪间距变得愈加重要。如果我们理所当然地认为董事会是一系列导电元素,不同的潜在的可能性创造高压闪络在狭窄的追踪间隔变成了必然。
随着连接电子工业协会(IPC)ipc - 2221对印制板设计的通用标准标准,建立了设计原则对多氯联苯互联,国际电工委员会(IEC)和美国保险商实验室(UL)也产生了IEC / UL 60950 - 1“信息技术设备的安全”标准,描述了产品的安全要求和最低允许PCB间距要求的细节。作为一个组合,标准也为PCB布局设置指南称为电气间隙和爬电,包括两个重要的参数。
使用IEC 60950定义,间隙等于两个导电部分之间最短的距离,或之间的导电部分和边界表面的设备,通过测量空气。两个导体之间的小间隙值建立了高压闪络或弧环境。间隙值根据不同类型的印刷电路板材料用于电路,电压,和操作环境条件如湿度和灰尘。这些环境因素——和其他人——减少空气的击穿电压,提高高压闪络和短路的机会。
我们可以解决通过间隙问题适应型/ MCAD设计原则。自描述的边界表面IEC定义是电子外壳的外表面,我们可以使用3 d设计工具和设计规则建立围墙和组件之间的间隙为刚性和rigid-flex电路。我们也可以申请好隔离高压电路PCB设计原则的低压电路。制造商经常建议将高压组件在多层印制板的顶部和底部的低电压电路PCB。其他方法包括将适当的高电压节点之间的绝缘材料和在任何接触高压线索。
而高压设计并不总是是一个电网,你要警惕在处理任何电气化设计。
又指的IEC 60950定义,爬电代表两个导电部件之间的最短路径,或之间的导电部分和边界表面的设备,测量绝缘的表面。让我们暂停在这一点上,确保两个定义之间的差别是显而易见的。而间隙是指间距通过导电元素通过空气、爬电认为绝缘表面导电元素之间的空间。
我们建立了跟踪间距的设计规则,pad-to-pad间距,pad-to-trace间距PCB设计,整合高电压解决漏电。IPC2221A标准提供电气间隙和爬电表,协助制定设计规则和执行设计规则检查和电气规则检查为最低要求。随着应用的设计规则,PCB布局还可以包括槽或垂直绝缘痕迹之间的壁垒。因为任何金属打印或印刷电路跟踪模式,锐利的边缘会导致高电场在绝缘体和闪络,高压电源的跟踪布局必须避免尖角和锐角。
高压设计解决问题的继续材料选择
NASA的报告对高电压供应问题谈到需要绝缘介电强度高,高电阻率,防止电弧和低功率因数,减少了加热效果和热击穿的可能性。随着这些规范,设计团队还应该考虑抗拉强度、硬度、表面击穿强度,热膨胀,耐化学性,对抗衰老和氧化稳定性。而电路需要操作功能绝缘,其他类型的绝缘防止高电压问题多氯联苯。绝缘材料可能包括封装树脂应用于高压腔,保形涂料、或固体绝缘导体周围。监管标准需要额外的层的绝缘是否存在潜在的人类接触系统。
在选择电介质和PCB的绝缘体,使用比较跟踪指数(CTI),以确定哪些材料类型最适合特定的应用程序。CTI是材料的最大电压以伏特经受50滴受污染的水没有形成导电路径,因为电压力、污染或湿度。制造商使用CTI比较潮湿或污染条件下绝缘材料的性能。材料有很高的CTI值较低要求的最小爬电距离两个导电部分之间,允许一个较短的距离。距离越短允许使用高密度电路在高压环境中。
UL标准把CTI水平材料分成四组表一所示。看表时,材料内部机密材料第一组CTI最高评级。
除了需要不同类型的绝缘材料,高压电路还需要董事会材料,防止电压崩溃和提供应用程序需要相匹配的物理性质。尽管FR4复合材料具有较高的击穿电压,较弱的结构和孔隙度FR4可以使材料变得容易污染和逐步减少介电值。因为FR4限制,高压分层绝缘基础层和防止电弧作为高压电路设计的黄金标准。高压层压制品有较高的树脂和玻璃标准板材料。
使用正确的铜厚度和重量也协助好高压电路设计。厚铜通路承受大电流,增加体力。设计团队应与制造商合作,确保铜光滑,无暇疵的表面,防止电弧。
高压设计解决问题包括组件的选择
高电压依赖被动以及活性成分。而设计规范高压电阻可能需要低电感和低温度系数、陶瓷电容器必须有高电阻,耐高温涂料和电介质承受高电压。电容器用于高压电路也应表现出稳定的电气参数与广泛的应用直流电压和不同环境条件下。
在高压电路盒设计适当时变得更容易。
高压半导体器件用于电机控制电路和电源包括场效电晶体绝缘栅双极型晶体管,MOS-controlled晶体闸流管,电力场效应晶体管和可控硅整流器。PCB设计规则必须遵循制造商指南不超过值可以摧毁设备。例如,高压电路组件可能需要有较高的击穿电压等级和能力来处理更高的电流。
电路优化可以保护这些设备从电感负载或任何大的杂散电感,会导致反向电压损坏组件。还好电路设计路线电缆和屏蔽,以防止任何大的电压或电流瞬变,可以诱导瞬时电压控制线路。
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