PCB điện áp cao hoạt động ở điện áp lớn hơn điện áp đường sắt điển hình. Bộ nguồn, Bộ biến tần và bộ sạc EV là những ví dụ về loại bo mạch này. Điện áp cao không có ngưỡng định trước. Một điểm khởi đầu tốt sẽ là 100 vôn cho bảng mạch in — đây là dải điện áp bình thường.

Tuy nhiên, trên 100 vôn cần cân nhắc thêm mà bạn cần phải thực hiện khi thiết kế PCB, đặc biệt là đối với mục đích sử dụng trong công nghiệp. Nếu không, PCB của bạn có thể bắt lửa, thiết bị của bạn có thể bị hỏng hoặc có thể dẫn đến bất kỳ tai nạn nào khác.

• Độ bền điện môi

Độ bền điện môi là điện trường lớn nhất mà vật liệu có thể chịu đựng trước khi mất chất lượng cách điện. Đối với hầu hết các PCB, FR4 sẽ là lựa chọn tốt nhất. Trước tiên phải kiểm tra độ bền điện môi của vật liệu PCB của bạn.

Mặc dù vật liệu FR4 được chứng nhận là 300 milimét trên mili mét, các quy định của IPC yêu cầu 3.9 milimét đối với 80V. Thông thường, bạn nên để lại một số khu vực lung lay và tuân thủ các thông số kỹ thuật của IPC.

• Khoảng cách Creeping

Khi hai phần tử dẫn điện nằm trên bề mặt của một chất cách điện thì khoảng cách đường rò là khoảng cách ngắn nhất giữa chúng. Điện áp lâu dài cung cấp cho hai dây dẫn là yếu tố quan trọng nhất quyết định khoảng cách đường rò.

Sự nhiễm bẩn trên bảng có thể xảy ra theo thời gian. Do đó, bạn nên có thêm một khoảng không gian rộng hơn. Bảng dữ liệu cho hầu hết các thành phần và bố cục thường cung cấp các đề xuất về khoảng cách đường rò. Khi nó đến PCB điện áp cao, đây là một sự cân nhắc đáng kể.

• Khoảng cách để xóa

Khi hai dây dẫn đủ gần để chạm vào nhau, điều này được gọi là độ hở. Độ bền điện môi của không khí là yếu tố quyết định mức độ thông thoáng ở đó. 3KV trên mm là tốc độ điển hình mà không khí bị phá vỡ. Khi có hơi ẩm và chất gây ô nhiễm, con số này có thể thấp hơn đáng kể. Tùy thuộc vào kiểu thiết kế, các tiêu chuẩn IPC quy định các khoảng cách thông thủy khác nhau.

Các gói có độ cao chân đủ cao cho hầu hết các thành phần đã tương thích. Ví dụ, một Mosfet định mức 600V thường sẽ được đóng gói trong TO-220 hoặc TO-247.

• Mặt nạ Hàn

Cách nhiệt cũng được cung cấp thông qua mặt nạ hàn. Do đó, chúng lý tưởng để sử dụng trên các bảng mạch có độ cao chân cực nhỏ và điện áp cao trên các chân cắm. Đối với PCB có độ mịn cao, điều quan trọng là phải có nhà sản xuất có thể đặt mặt nạ hàn giữa hai PCB.

Nguyên tắc thiết kế PCB điện áp cao

Những điều sau đây bạn phải ghi nhớ trước khi thiết kế PCB điện áp caos:

• Định tuyến

Đây là những khía cạnh quan trọng nhất cần lưu ý khi định tuyến PCB điện áp cao dấu vết:

• Giữ khoảng cách giữa các vết có hiệu điện thế lớn.
  • Không sử dụng các giai điệu hoặc góc cạnh sắc nhọn vì chúng có thể có điện trường cao
  • Ở các lớp trong cùng của bảng mạch, không được chạy bất kỳ dấu vết điện áp cao nào
• Máy bay đa giác

Khe hở mặt phẳng đa giác trên tất cả các PCB cao áp phải được nâng lên mức an toàn và các khu vực bo mạch cụ thể cũng phải được nâng lên. Người ta thường thấy một đa giác đổ gần một dấu vết, gửi 600V tới một kết nối cạnh trên bảng, nhưng không phải lúc nào cũng vậy.

Các mặt phẳng bên trong của PCB nhiều lớp cũng phải được giữ ở điện áp và khoảng cách hợp lý với nhau để tránh hiện tượng đoản mạch.

• Các lớp trong Lớp

Điện áp trung bình có thể được sử dụng trên tất cả các cấp để tạo ra nhiều lớp. Điều quan trọng nhất là bạn lấp đầy khoảng trống giữa các lớp khác nhau tốt như thế nào. Prepreg yêu cầu độ dày tách lớp ít nhất là.005 ″ để đảm bảo tính toàn vẹn của môi trường làm đầy. Giá trị điện môi sẽ giảm đáng kể nếu có bất kỳ khoảng trống hoặc túi nào.

Compreg FR4 nhiều lớp thuộc loại thông thường không thích hợp cho các hoạt động điện áp trung bình hoặc cao. Cấu trúc bên trong của vật liệu thiếu đồng nhất, khiến vật liệu bị hỏng quá nhanh. Có sự giảm đánh giá chất điện môi do các microvoids.

Các yếu tố EMI cần xem xét

PCBs điện áp cao nổi tiếng vì dải tần số rộng mà chúng có thể tạo ra. Đối với hầu hết các phần, giữ cho khu vực vòng lặp ngắn và may càng nhiều mặt phẳng mặt đất càng tốt là cách hiệu quả nhất để giảm bớt chúng. Một tấm kim loại cũng có thể được sử dụng để cách điện các thành phần điện áp cao.

• Máy biến áp có tần số cao

Mạch chuyển đổi chế độ với một máy biến áp gần như thường được sử dụng để tạo ra điện áp cao trên hầu hết các bảng điện áp cao. Bạn phải tuân thủ mức cách điện lõi của máy biến áp trong những tình huống này. Mặt phẳng nền tốt nhất nên được phân chia giữa mặt chính và mặt phụ liên quan đến cách bố trí PCB. Phải có một khoảng cách ly đáng kể với các vết cắt trên bảng giữa các mặt chính và phụ.

• Mosfet / Bóng bán dẫn / Công tắc

Hầu hết thời gian, các thiết bị điện áp cao sẽ đi kèm trong bao bì phù hợp để chịu được điện áp cao giữa các bình.

Vẫn là thông minh khi chọn thiết bị có bước chân lớn nhất nếu bạn biết điện áp sẽ khá cao. Một ví dụ thường xuyên sẽ là chọn thiết bị TO-247 thay vì TO-220 nếu không có giới hạn về dung lượng. Các ví dụ tương tự cũng có thể được áp dụng cho các thiết bị SMD.

• Linh kiện thụ động

Khi chọn các thành phần thụ động, kích thước thành phần rất quan trọng vì nó phụ thuộc trực tiếp vào điện áp mà nó có thể chịu. Vì vậy, giả sử thiết kế có 300V giữa một điện trở SMD. Sau đó, sẽ tốt hơn nhiều nếu chọn một gói như 1206 thay vì 0402. Đôi khi cần phải đặt nhiều thành phần như vậy trong chuỗi để giảm bớt ứng suất điện áp trên chúng

• Cutouts và Slots để cô lập

Phải có các lỗ khoét hoặc lỗ cách ly gần bất kỳ thành phần điện áp cao nào của bảng điện áp cao. Các lỗ và rãnh cắt này được yêu cầu bởi nhiều yêu cầu an toàn trong hàng tiêu dùng như bộ sạc và nguồn điện.

Các vị trí có độ ẩm cao và các tình huống có khả năng bị nhiễm bẩn có thể được hưởng lợi từ những phẩm chất này. Lớp cơ học của bo mạch là nơi chứa hầu hết các khe cách ly và rãnh cắt.

Vật liệu để phát triển PCB điện áp cao

Độ bền điện môi thấp của tiêu chuẩn FR-4 khiến nó không thích hợp để sử dụng trong bảng mạch điện áp cao. Độ bền điện môi cao hơn được ưu tiên sử dụng bất cứ khi nào chi phí không phải là vấn đề. Một vài ví dụ về vật liệu định mức điện áp cao như sau;

• BT Epoxy
  • Polyimide
  • Đảo
• Hoàn thiện bảng

PCB điện áp cao hoàn thiện là một công việc thường bị bỏ qua nhưng rất quan trọng. Chất lượng bề mặt của miếng đệm và bất kỳ dấu vết có thể nhìn thấy nào là những yếu tố cần cân nhắc chính. Bảng cuối cùng phải không có bất thường và thậm chí trên toàn bộ bề mặt.

Các điểm sắc nhọn hoặc các lỗ hổng khác trên miếng đệm điện áp cao có thể tạo ra điện trường quá mạnh và dẫn đến phóng hồ quang.

Các biện pháp phòng ngừa cơ bản để thiết kế PCB điện áp cao

Bằng cách áp dụng một số biện pháp phòng ngừa, bạn có thể tránh bất kỳ kết quả nghiêm trọng nào liên quan đến bảng mạch in điện áp cao. Sau đây là mấu chốt của tất cả các thông tin được đề cập ở trên:

• Định tuyến

Khi thiết kế một PCB điện áp cao, việc tuân thủ các phương pháp định tuyến đã thử và đúng là rất quan trọng. Khi thiết kế mạch điện, tốt nhất nên có một ít khoảng trống giữa các dây dẫn có hiệu điện thế lớn. Vì nơi tập trung điện trường cao, nên tránh các cạnh sắc nhọn. Chạy các dấu vết điện áp cao trong các lớp bên trong của bo mạch cũng là một điều tối kỵ.

• Các lớp bên trong một lớp

Một PCB nhiều lớp với điện áp trung bình trên mỗi lớp cũng rất cần thiết. Khi lấp đầy các khoảng trống giữa các lớp, phải cẩn thận. Thiết kế PCB yêu cầu độ dày của mỗi lớp phải dày 005 inch để duy trì sự cân bằng tổng thể. Bất kỳ lỗ hổng hoặc khoảng trống không cần thiết nào trong PCB cao áp đều ảnh hưởng đến giá trị điện môi.

• Đa giác hình học

Khoảng cách mặt phẳng đa giác cũng nên được tăng lên một cách an toàn trong tất cả các điện cao thế PCBS. Các mặt phẳng bên trong của PCB nhiều lớp phải được tách biệt thích hợp và có điện áp cao. Do đó, dòng điện có thể chạy mà không bị gián đoạn trong toàn bộ bảng mạch.

• Khu vực

Bạn có thể đã nghe nói về PCB với điện áp cao giải phóng các nhiễu điện từ khác nhau. Các nhiễu động có thể được giảm bớt nếu mặt phẳng mặt đất có diện tích vòng lặp hạn chế.

Thiết kế PCB điện áp cao: Tại sao phải kiểm soát độ cao và khoảng cách thông thủy?

Không phải tất cả các PCB đều cần được thiết kế với khoảng cách giống như các PCB điện áp cao. Nếu sản phẩm của bạn đang hoạt động với điện áp trên 30 VAC hoặc 60 VDC, thì chúng tôi nên xem xét kỹ khoảng cách thiết kế PCB một cách nghiêm túc. Nếu bạn đang thiết kế một PCB mật độ cao, đặc biệt là một bảng mạch điện áp cao, thì bạn cần chú ý hơn do mật độ cao sẽ làm cho khoảng cách phức tạp hơn.

Trong thiết kế PCB cao áp, khoảng cách hợp lý là rất quan trọng, bởi vì điện áp trên các thành phần PCB dễ làm cho các thành phần dẫn điện lân cận tạo ra vòng cung, và một khi hồ quang xảy ra, nó sẽ mang đến những nguy hiểm tiềm ẩn nghiêm trọng cho sự an toàn của sản phẩm và người dùng. Để giảm thiểu việc tạo ra các vành đai hồ quang và rủi ro sắp xảy ra, bạn cần tập trung vào khoảng cách khi thiết kế PCB cao áp, và liệu khoảng cách đó có hợp lý hay không chủ yếu bao gồm khoảng hở và khoảng cách rò rỉ.

Khoảng cách giải phóng mặt bằng là gì?

Khoảng cách điện áp là khoảng cách ngắn nhất trong không khí giữa hai dây dẫn liền kề với hiệu điện thế trong thiết bị điện, nghĩa là, khoảng cách ngắn nhất đo được trong không khí giữa hai dây dẫn liền kề hoặc một dây dẫn và bề mặt của vỏ động cơ liền kề. Nếu khoảng cách giữa các thành phần liền kề trên PCB quá nhỏ, thì hiện tượng phóng điện hồ quang có thể xảy ra giữa các thành phần dẫn điện liền kề trên PCB khi điện áp quy định bị vượt quá.

Tuy nhiên, không có khoảng cách tiêu chuẩn để giải phóng mặt bằng, điều này thay đổi theo vật liệu PCB, điện áp và môi trường. Trong số đó, ảnh hưởng của môi trường rất lớn, ví dụ như độ ẩm sẽ khiến điện áp đánh thủng trong không khí thay đổi, dễ xảy ra hiện tượng phóng hồ quang. Bụi là một yếu tố khác và bụi tích tụ trên PCB có thể làm giảm khoảng cách giữa các dây dẫn, tạo ra hiện tượng phóng điện hồ quang.

Các vòng cung có thể gây nguy hiểm cho sản phẩm và sự an toàn của người dùng, vì vậy khoảng cách PCB là một thông số chính cần xem xét khi thiết kế PCB cao áp.

Đường dẫn Creepage là gì?

Tương tự như khe hở, khoảng cách rò rỉ được sử dụng để đo khoảng cách ngắn nhất dọc theo bề mặt của vật liệu cách điện giữa các dây dẫn trên PCB thay vì khoảng cách trong không khí. Vật liệu và môi trường PCB cũng ảnh hưởng đến khoảng cách đường rò, và tương tự như khoảng cách thông thủy, độ ẩm và bụi có thể làm giảm khoảng cách đường rò.

Khi chúng tôi thiết kế một PCB mật độ cao điện áp cao, có thể không dễ dàng để đáp ứng đầy đủ khoảng cách rò rỉ, bởi vì việc thay đổi theo dõi của PCB không phải là ưu tiên để đáp ứng khoảng cách rò rỉ. Chúng tôi thường có thể tăng khoảng cách bề mặt hoặc các thủ thuật khác trong thiết kế, chẳng hạn như giữa các đường ray. Việc thêm các khe cắm hoặc hàng rào cách ly thẳng đứng giữa chúng có thể làm tăng khoảng cách lan truyền một cách hiệu quả mà không làm thay đổi bố cục đường ray trên PCB.

Cách xác định khoảng cách và vật liệu khi thiết kế PCB cao áp

Vì có nhiều yếu tố khác nhau trong thiết kế PCB cao áp, tốt nhất nên loại bỏ các nguy cơ an toàn tiềm ẩn từ nguồn khi chúng ta thiết kế PCB cao áp. Chúng ta có thể tham khảo một số nguyên tắc tiêu chuẩn, chẳng hạn như:
IPC-2221, là một tiêu chuẩn chung cho khoảng cách thiết kế PCB và hướng dẫn khoảng cách đường rò.
IEC-60950-1. Phiên bản IEC là tiêu chuẩn cho bất kỳ sản phẩm CNTT nào có nguồn điện AC hoặc nguồn pin.

Câu Hỏi Thường Gặp

Khi nói đến PCB, điều gì tạo nên điện áp cao?

Một cách không chính thức, PCB có từ 100V trở lên được coi là điện áp cao, mặc dù không có số hiệu thiết lập.

Điện áp tối đa mà PCB có thể chịu được là bao nhiêu?

Vật liệu không quan trọng bằng khi thiết kế và sản xuất mạch in điện áp thấp, vì tất cả các vật liệu mạch in có thể chịu được tới 1000 Volts.

PCB vias có thể mang bao nhiêu hiện tại?

Sử dụng mũi khoan 0.35 mm, bạn có thể truyền 2 ampe điện một cách an toàn. Làm đầy chúng bằng chất hàn cũng có thể làm giảm sức đề kháng của chúng.

Các dấu vết PCB có thể nóng đến mức nào?

Để bảo vệ PCB không bị đổi màu và suy yếu theo thời gian, một thực tế phổ biến hơn là để ở khoảng nhiệt độ 20-30 ° C. Chứng nhận UL có thể khó khăn nếu nhiệt độ bên trong vượt quá 105 độ C.

Kết luận

Lập kế hoạch và sản xuất một PCB điện áp cao yêu cầu mức độ chính xác cao. Bạn chỉ có thể có được một bảng điện tử lâu dài nếu bạn tuân theo tất cả các quy định và thực hành cơ bản về hướng dẫn áp suất cao.

Hơn nữa, việc chọn một nhà sản xuất PCB đáng tin cậy là rất quan trọng trong trường hợp của các thiết bị điện áp cao. Do đó, khả năng xảy ra tai nạn tăng lên rất nhiều với thiết kế hoặc chất liệu kém chất lượng.