Дизайн и компоновка высоковольтной печатной платы

Еще одним фактором обеспечения надежности плат высокого напряжения является переплетение стеклоткани. Более тонкое переплетение стеклоткани, например 1080, 2113 или 2116, является идеальным вариантом, а срок службы таких «рыхлых» вариантов, как 106 переплетений, может сократиться в долгосрочной перспективе. Такие переплетения по-прежнему обеспечивают растекание и проникновение смолы и одновременно требуемый уровень замедления CAF при более низком напряжении.

Отделка поверхности и вес меди

Качество меди также должно соответствовать техническим требованиям при высоком напряжении. Это включает в себя выбор веса меди и отделки поверхности. Независимо от того, используете вы чистую медь (не рекомендуется) или стандартную отделку поверхности, например ENIG, готовая поверхность должна быть максимально гладкой. Предпочтение отдается конструкциям с более гладкой поверхностью, поскольку шероховатая поверхность создает области, в которых может накапливаться статический заряд. При низком напряжении это не является существенной проблемой, так как напряженность поля между различными участками проводника будет слишком мала, чтобы вызвать дугу или диэлектрический пробой в воздушном пространстве. Выбранный вами производитель должен предоставить рекомендации на этот счет в отношении обработки готовых плат и наилучшего материала/толщины покрытия для требуемого веса меди.

Вес меди становится более важным фактором, когда речь заходит о сильноточных материалах. То есть, это напрямую связано с высоким напряжением, хотя далеко не во всех ситуациях. При более высоком значении тока вес меди должен быть больше, и, если токи превышают ~100 А в пределах крупной компоновки, в какой-то момент придется перейти на электрические шины. Номограмма IPC-2152 является подходящим документом при выборе размера проводников для вашей печатной платы. Однако следует отметить, что значения, рекомендуемые в этом стандарте, могут быть чрезмерно завышенными и не являются универсально применимыми для всех печатных плат.

Приступая к компоновке печатных плат высокого напряжения

Вы выбираете ламинаты, которые будут поддерживать вашу плату и способны длительно функционировать при высоком напряжении. Разобравшись со слоями ламината, весом меди и покрытием для печатной платы, можно перейти к планированию многослойной структуры и компоновке печатной платы. Многослойную структуру необходимо создавать в тесном взаимодействии с изготовителем, который обычно может предложить другой ламинат, если выбранный вами вариант отсутствует.

Затем нужно убедиться, что ваша компоновка соответствует основным правилам техники безопасности и обеспечения надежности, которые определяют расстояние между проводниками в соответствии со стандартами безопасности. Стандарт IPC-2221 служит отправной точкой для большинства компоновок PCB на основе жестких плат. В свою очередь, для более надежных систем, таких как электронные приборы, применяемые в военных целях и в аэронавтике, MIL-STD-275 рекомендует устанавливать расстояние до 8 В/мил, хотя некоторые подобные стандарты уже устарели и не обновлялись с учетом новых материалов, например HVPF или Kapton, которые способны выдерживать 1000 В/мил. Обратите внимание на эти стандарты для печатных плат и на другие отраслевые стандарты (например, IEC): в них можно найти дополнительные рекомендации.

1. Высоковольтные печатные платы и то, что Вам нужно знать о них

1.1 Что такое высоковольтная печатная плата?

Любая печатная плата, которая работает при более высоком напряжении, чем нормальное напряжение шины, может называться платой среднего или высокого напряжения. В эту категорию попадают: блоки питания с питанием от сети, инверторы, зарядные устройства для электромобилей и т. д.

Не существует фиксированного числа, по которому плата считалась бы высоковольтной. Но, как правило, Вы можете рассмотреть что-то вроде 100 В. При превышении которого Вы захотите принять во внимание особые правила проектирования.

Рисунок 1: Импульсный источник питания сетевого напряжения

1.2 Диэлектрическая прочность

Диэлектрическая прочность материала — это максимальное электрическое поле, которое материал может выдержать без потери своих изоляционных свойств.

Обычно для большинства печатных плат это FR4.

Итак, первое, что необходимо проверить, — диэлектрическую прочность материала Вашей печатной платы.

FR4 рассчитан на 300 мил. Однако стандарты IPC рекомендуют расстояние 3,9 мил для 80 В.

Часто имеет смысл оставить для этого место и, поэтому, следовать стандартам IPC.

1.3 Расстояние пути утечки

Расстояние пути утечки — это кратчайшее расстояние между двумя токопроводящими частями по поверхности твердого изоляционного материала.

Главнейшим основанием для определения длины пути утечки является длительное напряжение, приложенное к двум проводникам. Со временем на плате может появиться загрязнение, поэтому имеет смысл иметь дополнительный запас мощности.

Рекомендации по расстоянию пути утечки для большинства компонентов и компоновок обычно приводятся в их таблицах данных. Это один из важных параметров, когда речь идет о печатных платах высокого напряжения.

1.4 Зазор

Зазор — это кратчайшее расстояние в воздухе между двумя проводящими частями. Диэлектрическая прочность воздуха определяет зазор. Воздух обычно выходит из строя примерно при 3 кВ на мм. Однако в условиях влажности и загрязнения это значение может значительно снизиться. Стандарты IPC определяют различные зазоры для типов конструкции. Большинство компонентов уже соответствуют требованиям и они упакованы в пакеты с достаточно большим шагом выводов. Например, Mosfet с номинальным напряжением 600 В обычно поставляется в корпусах TO-220 или TO-247.

1.5 Паяльная маска

Паяльная маска также в некоторой степени действует как изолятор. Так для плат с очень мелким шагом выводов и высоким напряжением между выводами. Важно обратиться к производителю, который может нанести паяльную маску между печатными платами с мелким шагом.

Рисунок 2: Печатная плата с черной паяльной маской

2. Методы проектирования высоковольтных печатных плат

2.1 Маршрутизация

При прокладке дорожек для высоковольтных печатных плат наиболее важными являются следующие моменты:

1. Соблюдайте зазор между дорожками, между которыми имеется большая разница напряжений.

2. Избегайте резких поворотов и краев, так как они могут действовать как области усиленного электрического поля.

3. Избегайте появления на внутренних слоях платы очень высокого напряжения.

Рисунок 3: Печатная плата с плоским зазором

2.2 Многоугольные плоскости

Для всех высоковольтных печатных плат зазор от плоскости многоугольника должен быть увеличен до безопасного значения и на некоторых участках платы.

Например, если есть дорожка, несущая 600 В к разъему печатной платы. Так, во многих случаях в конструкции не будет полигонной заливки рядом с этой дорожкой.

Кроме того, внутренние плоскости многослойной печатной платы не должны иметь очень высокое напряжение или очень небольшое расстояние между ними.

2.3 Внутренние слои

Изготовление многослойных материалов со средним напряжением на всех слоях возможно. Главное внимание уделяется правильному заполнению промежутков между слоями. Толщина разделения между слоями должна быть не менее 0,005 дюйма для сохранения целостности заполняющей среды, препрега. Любые пустоты или воздушные карманы серьезно ухудшат диэлектрическую проницаемость.

Стандартный многослойный препрег типа FR4 не подходит для работы со средним или высоким напряжением. Материал слишком быстро разрушается и не имеет однородной внутренней структуры. Избыточные микропустоты ухудшают диэлектрическую проницаемость, в результате чего ухудшаются характеристики.

2.4 Рекомендации по электромагнитным помехам

Печатные платы высокого напряжения известны тем, что излучают помехи в широком спектре.

Самая важная вещь, чтобы свести помехи к минимуму — необходимо иметь небольшую площадь петли и обширное заземление, где это возможно.

Кроме того, компоненты высокого напряжения также могут быть залиты, а затем экранированы металлическим листом.

Рисунок 4: Борт с обширной прошивкой

3. Выбор компонентов

3.1 Высокочастотные трансформаторы

Большинство плат высокого напряжения почти всегда включают схему переключения с трансформатором для выработки высокого напряжения. В этих случаях необходимо соблюдать уровень изоляции жил трансформатора.

Что касается компоновки печатной платы, в идеале заземляющая поверхность должна разделяться между первичной и вторичной сторонами. Между первичной и вторичной сторонами на плате должен быть большой изоляционный зазор с вырезами.

3.2 МОП-транзисторы/Транзисторы/Переключатели

В большинстве случаев высоковольтные устройства поставляются в правильной упаковке, рассчитанной на выдерживание высокого напряжения между питчем. Даже в этом случае рекомендуется выбирать устройство с наибольшим шагом выводов, если Вы знаете, что напряжение будет довольно высоким. Типичным примером будет выбор устройства TO-247 вместо TO-220, если нет ограничений по месту. Подобные примеры можно применить и к SMD-устройствам.

Рисунок 5: Транзисторы в разных корпусах

3.3 Пассивные компоненты

При выборе пассивных компонентов решающее значение имеет их размер, поскольку он напрямую зависит от допустимого напряжения. Допустим, в схеме между резистором SMD 300 В. Тогда было бы гораздо лучше выбрать корпус типа 1206, а не 0402. Часто требуется соединить несколько таких компонентов последовательно, чтобы снизить напряжение на них.

4. Специальные функции платы

4.1 Изоляционные прорези и вырезы

Для большинства высоковольтных плат требуются гнезда для изоляции и вырезы в плате рядом с любой секцией платы, которая находится под высоким напряжением.

Во многих потребительских устройствах, таких как зарядные устройства и блоки питания. Эти слоты и вырезы в плате являются обязательными для соответствия определенным стандартам безопасности. Эти функции добавляют дополнительный уровень безопасности и могут помочь в условиях высокой влажности и в случаях, когда возможно загрязнение.

Изоляционные прорези и вырезы обычно приходится определять на механическом слое платы.

4.2 Материал платы

Стандартный FR-4 не является хорошим материалом для высоковольтных плат, так как он имеет низкую диэлектрическую прочность.

Если стоимость не является ограничением, лучше выбрать материал платы с более высокой диэлектрической прочностью. Некоторые из материалов, рассчитанных на высокое напряжение:

• BT Эпоксидная смола
• Полиимидная плёнка
  
• ISOLA

4.3 Отделка платы

Когда речь идет о высоковольтных печатных платах, самым недооцененным и важным фактором является их отделка. В основном это касается обработки поверхности колодок и любых открытых следов. В основном готовая плата должна иметь гладкую поверхность, без неровностей и ровную по всей поверхности.

Любые дефекты на высоковольтных площадках, острые концы дорожек, могут привести к образованию области высокого электрического поля, что может вызвать искрение.

Что предлагает ИнПромСинтез

Быстрое выполнение работ

• У нас очень быстрое время обработки запросов от клиентов - от проектирование до изготовления прототипа или рабочего образца платы.
• Широкий выбор параметров
• Для изготовления плат ИнПромСинтез использует широкий выбор различных параметров. Он включает в себя тип материала печатной платы, который Вы хотите использовать, отделку поверхности. А также опции для добавления уникальных идентификаторов для ваших плат.
• Наше производство также может производить платы до 32 слоев.

Система онлайн заказа

Наконец, сайт ИнПромСинтез позволяет вести заказ платы полностью в онлайн режиме, где производится подгрузка файлов проекта, согласование замены компонентов, а также автоматический расчёт цены Вашей печатной платы. Это происходит после того, как Вы загрузите файлы Gerber и введете необходимые данные.

Наше производство печатных плат предлагает идеальный баланс между ценой и качеством и множеством вариантов изготовления, которые могут подходить для высоковольтных плат.