PCB ไฟฟ้าแรงสูง ทำงานที่แรงดันไฟฟ้ามากกว่าแรงดันรางทั่วไป แหล่งจ่ายไฟหลัก อินเวอร์เตอร์ และเครื่องชาร์จ EV เป็นตัวอย่างของบอร์ดประเภทนี้ ไฟฟ้าแรงสูงไม่มีเกณฑ์ที่กำหนดไว้ล่วงหน้า จุดเริ่มต้นที่ดีคือ 100 โวลต์สำหรับแผงวงจรพิมพ์ ซึ่งเป็นช่วงแรงดันไฟฟ้าปกติ

อย่างไรก็ตาม มากกว่า 100 โวลต์จำเป็นต้องมีการพิจารณาเพิ่มเติม ซึ่งคุณจะต้องทำในการออกแบบ PCB โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับใช้ในอุตสาหกรรม มิฉะนั้น PCB ของคุณอาจลุกไหม้ อุปกรณ์ของคุณอาจเสียหาย หรืออาจส่งผลให้เกิดอุบัติเหตุอื่นๆ ได้

• ความเป็นฉนวน

ความเป็นฉนวน เป็นสนามไฟฟ้าที่ยิ่งใหญ่ที่สุดที่วัสดุสามารถทนได้ก่อนที่จะสูญเสียคุณสมบัติการเป็นฉนวน สำหรับ PCB ส่วนใหญ่ FR4 จะเป็นตัวเลือกที่ดีที่สุด ต้องตรวจสอบความเป็นฉนวนของวัสดุ PCB ก่อน

แม้ว่าวัสดุ FR4 จะได้รับการรับรอง 300 มม. ต่อ mil แต่ข้อกำหนด IPC นั้นต้องการ 3.9 มม. สำหรับ 80V โดยทั่วไปจะเป็นการดีที่จะปล่อยให้พื้นที่เลื้อยและปฏิบัติตามข้อกำหนดของ IPC

• ระยะทางคืบคลาน

เมื่อองค์ประกอบนำไฟฟ้าสององค์ประกอบตั้งอยู่บนพื้นผิวของสารฉนวน ระยะห่างตามผิวฉนวนคือระยะห่างระหว่างกันที่สั้นที่สุด แรงดันไฟฟ้าระยะยาวที่จ่ายให้กับตัวนำทั้งสองเป็นปัจจัยที่สำคัญที่สุดในการกำหนดระยะห่างตามผิวฉนวน

การปนเปื้อนบนกระดานอาจเกิดขึ้นเมื่อเวลาผ่านไป ดังนั้นจึงควรมีพื้นที่ว่างเพิ่มเติม เอกสารข้อมูลสำหรับส่วนประกอบและเลย์เอาต์ส่วนใหญ่มักจะให้คำแนะนำสำหรับระยะทางตามผิวฉนวน เมื่อมันมาถึง PCB ไฟฟ้าแรงสูง, นี้เป็นการพิจารณาที่สำคัญ.

• ระยะทางที่จะเคลียร์

เมื่อตัวนำสองตัวอยู่ใกล้พอที่จะสัมผัส สิ่งนี้เรียกว่าการกวาดล้าง ความเป็นฉนวนของอากาศเป็นตัวกำหนดระยะห่างที่มี 3KV ต่อมม. คืออัตราปกติที่อากาศสลายตัว เมื่อมีความชื้นและสิ่งปนเปื้อน ตัวเลขนี้จะลดลงอย่างมาก ขึ้นอยู่กับประเภทการออกแบบ มาตรฐาน IPC กำหนดระยะการกวาดล้างที่แตกต่างกัน

แพ็คเกจที่มีพินพินสูงเพียงพอสำหรับส่วนประกอบส่วนใหญ่นั้นเข้ากันได้อยู่แล้ว ตัวอย่างเช่น Mosfet ที่ได้รับการจัดอันดับ 600V มักจะบรรจุใน TO-220 หรือ TO-247

• หน้ากากประสาน

ฉนวนกันความร้อนยังมีให้ผ่านหน้ากากประสาน ด้วยเหตุนี้ จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับใช้กับแผงวงจรที่มีพินพิตช์ขนาดเล็กมากและมีแรงดันไฟฟ้าสูงตลอดพิน สำหรับ PCB แบบละเอียด จำเป็นต้องมีผู้ผลิตที่สามารถใส่หน้ากากประสานระหว่าง PCB ทั้งสองได้

หลักการออกแบบ PCB แรงดันสูง

ต้องคำนึงถึงสิ่งต่อไปนี้ก่อนออกแบบ PCB ไฟฟ้าแรงสูงs:

• การกำหนดเส้นทาง

นี่เป็นประเด็นที่สำคัญที่สุดที่ควรคำนึงถึงขณะกำหนดเส้นทาง PCB ไฟฟ้าแรงสูง ร่องรอย:

• รักษาช่องว่างระหว่างร่องรอยที่มีความแตกต่างของแรงดันไฟฟ้ามาก
  • ห้ามใช้ท่วงทำนองหรือขอบที่คมชัดเพราะอาจมีสนามไฟฟ้าสูงได้
  • ในชั้นในสุดของแผงวงจร ห้ามเดินสายไฟแรงสูง
• ระนาบรูปหลายเหลี่ยม

ควรเพิ่มระยะห่างระนาบหลายเหลี่ยมบน PCB ไฟฟ้าแรงสูงทั้งหมดเป็นปริมาณที่ปลอดภัย และควรเพิ่มพื้นที่บอร์ดเฉพาะด้วยเช่นกัน เป็นเรื่องปกติที่จะเห็นรูปหลายเหลี่ยมเทใกล้ร่องรอย โดยส่ง 600V ไปยังจุดเชื่อมต่อขอบบนกระดาน แต่ไม่เสมอไป

ระนาบด้านในของ PCB หลายชั้นควรเก็บไว้ที่แรงดันไฟและระยะห่างที่เหมาะสมเพื่อป้องกันการลัดวงจร

• เลเยอร์ภายใน Layer

แรงดันไฟฟ้าปานกลางสามารถใช้ได้กับทุกระดับเพื่อสร้างหลายชั้น สิ่งที่สำคัญที่สุดคือคุณเติมช่องว่างระหว่างชั้นต่างๆ ได้ดีเพียงใด พรีเพกต้องมีความหนาของการแยกชั้นอย่างน้อย 005″ เพื่อให้แน่ใจว่าสารเติมแต่งมีความสมบูรณ์ ค่าไดอิเล็กตริกจะลดลงอย่างมากหากมีช่องว่างหรือกระเป๋า

พรีเพก FR4 แบบหลายชั้นของชนิดทั่วไปไม่เหมาะสำหรับการใช้งานไฟฟ้าแรงสูงปานกลางหรือสูง โครงสร้างภายในของวัสดุขาดความสม่ำเสมอ ซึ่งทำให้สลายเร็วเกินไป อัตราไดอิเล็กตริกลดลงเนื่องจากไมโครโมลด์

ปัจจัย EMI ที่ต้องพิจารณา

PCB ไฟฟ้าแรงสูง มีชื่อเสียงเนื่องจากมีความถี่ที่หลากหลาย โดยส่วนใหญ่ การรักษาพื้นที่วงให้สั้นและเย็บระนาบพื้นให้มากที่สุดเท่าที่จะทำได้เป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดในการลดขนาด แผ่นโลหะสามารถใช้เพื่อป้องกันส่วนประกอบที่มีไฟฟ้าแรงสูงได้

• หม้อแปลงไฟฟ้าความถี่สูง

วงจรโหมดสวิตช์ที่มีหม้อแปลงไฟฟ้ามักจะใช้เพื่อสร้างไฟฟ้าแรงสูงบนแผงไฟฟ้าแรงสูงส่วนใหญ่ คุณต้องปฏิบัติตามระดับฉนวนหลักของหม้อแปลงในสถานการณ์เหล่านี้ ควรแยกระนาบกราวด์ระหว่างด้านหลักและด้านรองเกี่ยวกับเลย์เอาต์ PCB ควรมีช่องว่างแยกขนาดใหญ่พร้อมช่องเจาะบนกระดานระหว่างด้านหลักและด้านรอง

• มอสเฟต/ทรานซิสเตอร์/สวิตช์

ส่วนใหญ่แล้ว อุปกรณ์ไฟฟ้าแรงสูงจะมาในบรรจุภัณฑ์ที่เหมาะสม เพื่อรองรับไฟฟ้าแรงสูงระหว่างสนาม

การเลือกอุปกรณ์ที่มีพินพิทช์ที่ใหญ่ที่สุดยังคงเป็นเรื่องที่ฉลาดหากคุณรู้ว่าแรงดันไฟฟ้าค่อนข้างสูง ตัวอย่างที่พบบ่อยคือการเลือกอุปกรณ์ TO-247 แทน TO-220 หากไม่มีการจำกัดพื้นที่ ตัวอย่างที่คล้ายกันอาจนำไปใช้กับอุปกรณ์ SMD ได้เช่นกัน

• ส่วนประกอบแบบ Passive

เมื่อเลือกส่วนประกอบแบบพาสซีฟ ขนาดส่วนประกอบมีความสำคัญเนื่องจากขึ้นอยู่กับแรงดันไฟฟ้าที่สามารถรับได้โดยตรง สมมติว่าการออกแบบมี 300V ระหว่างตัวต้านทาน SMD ดังนั้นจึงควรเลือกแพ็คเกจเช่น 1206 มากกว่า 0402 ในบางครั้ง จำเป็นต้องวางส่วนประกอบดังกล่าวจำนวนมากในซีรีย์เพื่อลดความเครียดจากแรงดันไฟฟ้า

• พิลึกและช่องสำหรับการแยก

จะต้องมีช่องเจาะหรือรูแยกใกล้กับส่วนประกอบไฟฟ้าแรงสูงของแผงไฟฟ้าแรงสูง รูและช่องเจาะบอร์ดเหล่านี้จำเป็นสำหรับข้อกำหนดด้านความปลอดภัยหลายประการในสินค้าอุปโภคบริโภค เช่น เครื่องชาร์จและอุปกรณ์จ่ายไฟ

สถานที่และสถานการณ์ที่มีความชื้นสูงที่อาจเกิดการปนเปื้อนอาจได้รับประโยชน์จากคุณสมบัติเหล่านี้ ชั้นทางกลของบอร์ดเป็นที่ที่ช่องแยกและช่องเจาะส่วนใหญ่จะตั้งอยู่

วัสดุสำหรับการพัฒนา PCB ไฟฟ้าแรงสูง

ค่าความเป็นฉนวนต่ำของมาตรฐาน FR-4 ทำให้ไม่เหมาะสำหรับใช้ในแผงวงจรไฟฟ้าแรงสูง ค่าความเป็นฉนวนที่สูงขึ้นจะดีกว่าเมื่อไม่มีปัญหาเรื่องค่าใช้จ่าย ตัวอย่างบางส่วนของวัสดุที่มีแรงดันไฟฟ้าสูงมีดังนี้

• บีทีอีพ็อกซี่
  • ธ เธเธฃ
  • เกาะ
• จบบอร์ด

PCB ไฟฟ้าแรงสูง การตกแต่งเป็นการพิจารณาที่มักถูกมองข้ามแต่มีความสำคัญอย่างยิ่ง คุณภาพพื้นผิวของแผ่นอิเล็กโทรดและร่องรอยที่มองเห็นได้ถือเป็นข้อพิจารณาหลัก กระดานสุดท้ายควรปราศจากสิ่งผิดปกติและแม้กระทั่งทั่วทั้งพื้นผิว

จุดแหลมหรือจุดบกพร่องอื่นๆ ในแผ่นไฟฟ้าแรงสูงอาจสร้างสนามไฟฟ้าที่แรงเกินไปและทำให้เกิดประกายไฟได้

ข้อควรระวังพื้นฐานสำหรับการออกแบบ PCB ไฟฟ้าแรงสูง

ด้วยการใช้ข้อควรระวังบางประการ คุณสามารถหลีกเลี่ยงผลร้ายแรงใดๆ เกี่ยวกับแผงวงจรพิมพ์ไฟฟ้าแรงสูงได้ ต่อไปนี้เป็นปมของข้อมูลทั้งหมดที่กล่าวถึงข้างต้น:

• การกำหนดเส้นทาง

เมื่อออกแบบ a PCB ไฟฟ้าแรงสูงการยึดติดกับวิธีการกำหนดเส้นทางที่พยายามและจริงเป็นสิ่งสำคัญ เมื่อออกแบบวงจร ควรมีช่องว่างระหว่างตัวนำไฟฟ้าที่มีความต่างศักย์สูงเพียงเล็กน้อย เนื่องจากสนามไฟฟ้ามีความเข้มข้นสูง ขอแนะนำให้หลีกเลี่ยงขอบที่แหลมคม การเรียกใช้ร่องรอยไฟฟ้าแรงสูงในชั้นภายในของบอร์ดก็ไม่ใช่เรื่องใหญ่เช่นกัน

• เลเยอร์ภายใน Layer

PCB หลายชั้นที่มีแรงดันไฟฟ้าปานกลางในแต่ละชั้นก็เป็นสิ่งจำเป็นเช่นกัน เมื่อเติมช่องว่างระหว่างชั้นต้องใช้ความระมัดระวัง การออกแบบ PCB กำหนดให้แต่ละชั้นมีความหนา .005 นิ้ว เพื่อรักษาสมดุลโดยรวม รูหรือช่องว่างที่ไม่จำเป็นใน PCB แรงดันสูงจะส่งผลต่อค่าไดอิเล็กตริก

• รูปหลายเหลี่ยมเรขาคณิต

ระยะห่างระนาบหลายเหลี่ยมควรเพิ่มขึ้นอย่างปลอดภัยในทั้งหมด ไฟฟ้าแรงสูง PCBส. ระนาบชั้นในของ PCB แบบหลายชั้นต้องแยกออกจากกันอย่างเหมาะสมและมีไฟฟ้าแรงสูง จึงทำให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านได้ไม่สะดุดทั่วทั้งแผงวงจร

• พื้นที่

คุณอาจเคยได้ยินเกี่ยวกับ PCB ที่มีไฟฟ้าแรงสูงปล่อยสัญญาณรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าต่างๆ สิ่งรบกวนสามารถลดลงได้หากระนาบพื้นมีพื้นที่วงจำกัด

การออกแบบ PCB แรงดันสูง: ทำไมต้องควบคุม Creepage และระยะการกวาดล้าง

ไม่จำเป็นต้องออกแบบ PCB ทั้งหมดที่มีระยะห่างเท่ากับ PCB ไฟฟ้าแรงสูง หากผลิตภัณฑ์ของคุณใช้แรงดันไฟฟ้าเกิน 30 VAC หรือ 60 VDC เราควรพิจารณาระยะห่างของการออกแบบ PCB อย่างจริงจัง หากคุณกำลังออกแบบ PCB ที่มีความหนาแน่นสูง โดยเฉพาะอย่างยิ่งแผงวงจรไฟฟ้าแรงสูง คุณต้องให้ความสนใจมากขึ้นเนื่องจากความหนาแน่นสูงจะทำให้ระยะห่างซับซ้อนขึ้น

ในการออกแบบ PCB แรงดันสูง ระยะห่างที่เหมาะสมเป็นสิ่งสำคัญมาก เนื่องจากแรงดันไฟฟ้าบนส่วนประกอบ PCB ทำให้ส่วนประกอบที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าที่อยู่ติดกันสร้างส่วนโค้งได้ง่ายขึ้น และเมื่อส่วนโค้งเกิดขึ้น จะทำให้เกิดอันตรายที่ซ่อนอยู่อย่างร้ายแรงต่อความปลอดภัยของ ผลิตภัณฑ์และผู้ใช้ เพื่อลดการสร้างสายพานอาร์คและความเสี่ยงที่จะเกิดขึ้น คุณต้องเน้นที่ระยะห่างเมื่อออกแบบ PCB แรงดันสูง และระยะห่างที่เหมาะสมโดยหลักแล้วรวมถึงระยะห่างและระยะคืบคลาน

ระยะการกวาดล้างคืออะไร?

แรงดันช่องว่างหมายถึงระยะทางที่สั้นที่สุดผ่านอากาศระหว่างตัวนำสองตัวที่อยู่ติดกันโดยมีความต่างศักย์ในเครื่องใช้ไฟฟ้า นั่นคือ ระยะทางที่สั้นที่สุดที่วัดตามอากาศระหว่างตัวนำสองตัวที่อยู่ติดกันหรือตัวนำหนึ่งตัวกับพื้นผิวของปลอกมอเตอร์ที่อยู่ติดกัน หากช่องว่างระหว่างส่วนประกอบที่อยู่ติดกันบน PCB มีขนาดเล็กเกินไป การเกิดอาร์คอาจเกิดขึ้นระหว่างส่วนประกอบที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าที่อยู่ติดกันบน PCB เมื่อเกินแรงดันไฟฟ้าที่ระบุ

อย่างไรก็ตาม ไม่มีระยะห่างมาตรฐานสำหรับการกวาดล้าง ซึ่งแตกต่างกันไปตามวัสดุ PCB แรงดันไฟ และสภาพแวดล้อม ในหมู่พวกเขา อิทธิพลของสิ่งแวดล้อมมีขนาดใหญ่มาก ตัวอย่างเช่น ความชื้นจะทำให้แรงดันสลายของอากาศเปลี่ยนแปลง ซึ่งอาจมีแนวโน้มที่จะเกิดประกายไฟขึ้น ฝุ่นเป็นอีกปัจจัยหนึ่ง และฝุ่นที่สะสมอยู่ด้านบนของ PCB สามารถลดระยะห่างระหว่างตัวนำทำให้เกิดประกายไฟได้

Arcs อาจเป็นอันตรายต่อผลิตภัณฑ์และความปลอดภัยของผู้ใช้ ดังนั้นระยะห่างของ PCB จึงเป็นพารามิเตอร์สำคัญที่ควรพิจารณาเมื่อออกแบบ PCB แรงดันสูง

เส้นทาง Creepage คืออะไร?

คล้ายกับระยะห่าง ระยะห่างตามผิวฉนวนใช้ในการวัดระยะทางที่สั้นที่สุดตามพื้นผิวของวัสดุฉนวนระหว่างตัวนำบน PCB แทนระยะห่างในอากาศ วัสดุ PCB และสภาพแวดล้อมยังส่งผลต่อระยะคืบหน้า และคล้ายกับระยะการกวาดล้าง ความชื้นและฝุ่นสามารถลดระยะห่างตามผิวฉนวนได้

เมื่อเราออกแบบ PCB ที่มีความหนาแน่นสูงแรงดันสูง อาจไม่ง่ายที่จะบรรลุระยะคืบคลานอย่างเต็มที่ เนื่องจากการเปลี่ยนแทร็กของ PCB นั้นไม่ใช่สิ่งสำคัญอันดับแรกเพื่อให้ตรงตามระยะคืบคลาน โดยปกติแล้ว เราสามารถเพิ่มระยะห่างพื้นผิวหรือเทคนิคอื่นๆ ในการออกแบบ เช่น ระหว่างราง การเพิ่มช่องหรือสิ่งกีดขวางการแยกแนวตั้งระหว่างช่องเหล่านี้สามารถเพิ่มระยะห่างตามผิวฉนวนได้อย่างมีประสิทธิภาพโดยไม่ต้องเปลี่ยนเลย์เอาต์ของแทร็กบน PCB

วิธีการกำหนดระยะห่างและวัสดุเมื่อออกแบบ PCB ไฟฟ้าแรงสูง

เนื่องจากมีปัจจัยต่างๆ มากมายในการออกแบบ PCB แรงดันสูง วิธีที่ดีที่สุดคือกำจัดอันตรายด้านความปลอดภัยที่อาจเกิดขึ้นจากแหล่งกำเนิดเมื่อเราออกแบบ PCB แรงดันสูง เราสามารถอ้างอิงถึงหลักเกณฑ์มาตรฐานบางประการ เช่น:
IPC-2221 เป็นมาตรฐานทั่วไปสำหรับการออกแบบ PCB และคำแนะนำระยะห่างตามผิวฉนวน
IEC-60950-1 เวอร์ชัน IEC เป็นมาตรฐานสำหรับผลิตภัณฑ์ไอทีใดๆ ที่มีไฟ AC หรือแบตเตอรี่

คำถามที่พบบ่อย

เมื่อพูดถึง PCBs อะไรคือไฟฟ้าแรงสูง?

อย่างไม่เป็นทางการ PCB ที่มี 100V หรือมากกว่านั้นถือเป็นไฟฟ้าแรงสูงแม้ว่าจะไม่มีตัวเลขที่แน่นอนก็ตาม

แรงดันไฟฟ้าสูงสุดที่ PCB สามารถทนต่อได้คือเท่าใด

วัสดุไม่สำคัญเท่าเมื่อออกแบบและผลิตวงจรพิมพ์แรงดันต่ำ เนื่องจากวัสดุวงจรพิมพ์ทั้งหมดสามารถทนได้ถึง 1000 โวลต์

จุดแวะ PCB สามารถรับกระแสไฟได้เท่าไหร่?

คุณสามารถใช้สว่านขนาด 0.35 มม. ในการส่งกระแสไฟฟ้า 2 แอมป์ได้อย่างปลอดภัย การเติมด้วยประสานสามารถลดความต้านทานได้

ร่องรอย PCB สามารถร้อนได้แค่ไหน?

เพื่อป้องกัน PCB จากการเปลี่ยนสีและอ่อนลงเมื่อเวลาผ่านไป เป็นเรื่องปกติที่จะอนุญาตให้มีช่วงอุณหภูมิ 20-30°C การรับรอง UL อาจเป็นเรื่องยากหากอุณหภูมิภายในเกิน 105 องศาเซลเซียส

สรุป

การวางแผนและการผลิต a PCB ไฟฟ้าแรงสูง จำเป็นต้องมีความแม่นยำสูง คุณสามารถหาบอร์ดที่มีอายุการใช้งานยาวนานได้หากคุณปฏิบัติตามระเบียบข้อบังคับและหลักปฏิบัติพื้นฐานสำหรับแนวทางความดันสูงทั้งหมด

นอกจากนี้ การเลือก a ผู้ผลิต PCB ที่เชื่อถือได้ มีความสำคัญมากในกรณีของอุปกรณ์ไฟฟ้าแรงสูง ดังนั้น โอกาสเกิดอุบัติเหตุเพิ่มขึ้นมากด้วยการออกแบบหรือวัสดุที่มีคุณภาพต่ำ