PCB de alta tensão opera em tensões maiores do que a tensão ferroviária típica. Fonte de alimentação elétrica, inversores e carregadores de EV são exemplos deste tipo de placa. A alta tensão não tem um limite predeterminado. Um bom ponto de partida seria 100 volts para placas de circuito impresso - essa é a faixa normal de tensão.

No entanto, mais de 100 volts precisam de considerações extras que você precisaria fazer no projeto do PCB, especialmente para uso industrial. Caso contrário, seu PCB pode pegar fogo, seu dispositivo pode quebrar ou pode resultar em qualquer outro acidente.

• Rigidez dielétrica

rigidez dielétrica é o maior campo elétrico que um material pode suportar antes de perder qualidades isolantes. Para a maioria dos PCBs, o FR4 seria a melhor escolha. A rigidez dielétrica do seu material de PCB deve ser verificada primeiro.

Embora o material FR4 seja certificado para 300 milímetros por mil, os regulamentos IPC exigem 3.9 milímetros para 80V. Normalmente, é bom deixar algumas áreas de oscilação e aderir às especificações do IPC.

• Distância Rastejando

Quando dois elementos condutores estão localizados na superfície de uma substância isolante, a distância de fuga é a distância mais curta entre eles. A tensão de longo prazo fornecida aos dois condutores é o fator mais importante que determina a distância de fuga.

A contaminação na placa pode ocorrer ao longo do tempo. Portanto, é uma boa ideia ter algum espaço extra. As folhas de dados para a maioria dos componentes e layouts geralmente fornecem recomendações para distâncias de fuga. Quando se trata de PCB de alta tensão, esta é uma consideração importante.

• Distância para limpar

Quando dois condutores estão próximos o suficiente para se tocarem, isso é conhecido como folga. A rigidez dielétrica do ar é o que determina quanta folga existe. 3KV por mm é a taxa típica na qual o ar se decompõe. Quando há umidade e contaminantes, esse número pode ser significativamente menor. Dependendo do tipo de projeto, os padrões IPC prescrevem distâncias de folga variáveis.

Pacotes com um passo de pino alto o suficiente para a maioria dos componentes já são compatíveis. Por exemplo, um Mosfet com classificação de 600V geralmente será embalado em um TO-220 ou TO-247.

• máscara de solda

O isolamento também é fornecido através da máscara de solda. Como resultado, eles são ideais para uso em placas de circuito com passos de pinos extremamente pequenos e altas tensões nos pinos. Para PCBs de passo fino, é fundamental ter um fabricante que possa colocar uma máscara de solda entre os dois PCBs.

Princípios do Projeto de PCB de Alta Tensão

As seguintes coisas devem ser mantidas em mente antes de projetar PCB de alta tensãos:

• Roteamento

Estes são os aspectos mais críticos a serem lembrados ao rotear PCB de alta tensão vestígios:

• Mantendo um intervalo entre traços com uma grande diferença de tensão.
  • Não usar tons ou bordas afiadas, pois podem ter um alto campo elétrico
  • Nas camadas mais internas da placa de circuito, não execute nenhum traço de alta tensão
• Planos de polígonos

A folga do plano do polígono em todas as placas de circuito impresso de alta tensão deve ser aumentada para um valor seguro, e as áreas específicas da placa também devem ser aumentadas. É comum ver um polígono se aproximar de um traço, enviando 600V em direção a uma conexão de borda em uma placa, mas nem sempre.

Os planos internos de um PCB multicamada também devem ser mantidos a uma tensão e distância razoáveis ​​um do outro para evitar curto-circuito.

• Camadas dentro da Camada

A média tensão pode ser usada em todos os níveis para criar multicamadas. O que mais importa é o quão bem você preenche os vazios entre as várias camadas. Prepreg requer uma espessura de separação de camada de pelo menos 005″ para garantir a integridade do meio de enchimento. O valor dielétrico será significativamente reduzido se houver vazios ou bolsões.

Um pré-impregnado multicamada FR4 do tipo convencional não é adequado para operações de média ou alta tensão. Há uma falta de uniformidade na estrutura interna do material, o que faz com que ele se desfaça muito rapidamente. Há uma diminuição na classificação dielétrica devido aos microvazios.

Fatores de EMI a serem considerados

PCBs de alta tensão são conhecidos por causa da ampla gama de frequências que podem produzir. Na maioria das vezes, manter a área do laço curta e costurar o máximo possível do plano do solo é a maneira mais eficaz de reduzi-los. Uma chapa metálica também pode ser usada para isolar os componentes de alta tensão.

• Transformadores de Alta Frequência

Um circuito de comutação com um transformador é quase geralmente usado para gerar uma alta tensão na maioria das placas de alta tensão. Você deve respeitar o nível de isolamento do núcleo do transformador nessas situações. O plano de aterramento deve ser preferencialmente dividido entre os lados principal e secundário em relação ao layout da PCB. Deve haver uma lacuna de isolamento substancial com recortes na placa entre os lados primário e secundário.

• Mosfets/Transistores/Interruptores

Na maioria das vezes, os dispositivos de alta tensão vêm na embalagem certa para tolerar a alta tensão entre os arremessos.

Ainda é inteligente escolher o dispositivo com o maior passo de pinos se você souber que as tensões seriam bastante altas. Um exemplo frequente será escolher um dispositivo TO-247 em vez de um TO-220 se não houver limites de espaço. Exemplos semelhantes também podem ser aplicados a dispositivos SMD.

• componentes passivos

Ao escolher componentes passivos, o tamanho do componente é vital, pois depende diretamente da tensão que ele pode suportar. Então vamos supor que o projeto tenha 300V entre um resistor SMD. Então seria muito preferível selecionar um pacote como 1206 em vez de 0402. Às vezes é necessário colocar vários desses componentes em série para aliviar o estresse de tensão entre eles

• Recortes e Slots para Isolamento

Deve haver recortes ou furos de isolamento perto de qualquer componente de alta tensão de uma placa de alta tensão. Esses furos e recortes de placa são exigidos por vários requisitos de segurança em bens de consumo, como carregadores e fontes de alimentação.

Locais de alta umidade e situações onde a contaminação é uma possibilidade podem se beneficiar dessas qualidades. A camada mecânica da placa é onde a maioria dos slots e recortes de isolamento estarão localizados.

Material para desenvolver PCB de alta tensão

A baixa rigidez dielétrica do FR-4 padrão o torna inadequado para uso em placas de circuito de alta tensão. A maior rigidez dielétrica é preferível sempre que o custo não for um problema. Alguns exemplos de materiais com classificação de alta tensão são os seguintes;

• BT Epóxi
  • Poliimida
  • Ilha
• Finalizando a placa

PCB de alta tensão o acabamento é uma consideração muitas vezes negligenciada, mas criticamente vital. A qualidade da superfície das almofadas e quaisquer vestígios visíveis são as principais considerações. A prancha final deve ser desprovida de irregularidades e uniforme em toda a superfície.

Pontas afiadas ou outras falhas nas almofadas de alta tensão podem criar um campo elétrico muito forte e causar arcos.

Precauções básicas para projetar PCB de alta tensão

Ao adotar algumas precauções, você pode evitar qualquer resultado grave em relação à placa de circuito impresso de alta tensão. A seguir está o cerne de todas as informações mencionadas acima:

• Roteamento

Ao projetar um PCB de alta tensão, manter os métodos de roteamento testados e comprovados é fundamental. Ao projetar um circuito, é melhor ter um pouco de espaço entre os condutores com grandes diferenças de tensão. Devido à alta concentração de campo elétrico, é aconselhável evitar bordas afiadas. Executar traços de alta tensão nas camadas internas da placa também é um grande não-não.

• Camadas dentro de uma camada

Um PCB multicamada com média tensão em cada camada também é essencial. Ao preencher as lacunas entre as camadas, deve-se ter cuidado. O design do PCB requer que a separação de cada camada seja de 005″ de espessura para preservar o equilíbrio geral. Quaisquer furos ou lacunas desnecessárias em PCBs de alta tensão afetam o valor dielétrico.

• Polígonos geométricos

A folga do plano do polígono também deve ser aumentada com segurança em todos os alta voltagem PCBs. Os planos internos de um PCB multicamada devem ser devidamente separados e ter alta tensão. Assim, a eletricidade pode fluir sem interrupção por toda a placa de circuito.

• Área

Você já deve ter ouvido falar de PCBs com altas tensões que liberam vários distúrbios eletromagnéticos. Os distúrbios podem ser reduzidos se o plano de aterramento tiver uma área de loop limitada.

Projeto de PCB de alta tensão: por que controlar as distâncias de escoamento e folga?

Nem todos os PCBs precisam ser projetados com o mesmo espaçamento dos PCBs de alta tensão. Se o seu produto estiver trabalhando com tensões acima de 30 VCA ou 60 VCC, é melhor considerar seriamente o espaçamento do projeto da PCB. Se você estiver projetando uma PCB de alta densidade, especialmente uma placa de circuito de alta tensão, precisará prestar mais atenção, pois a alta densidade tornará o espaçamento mais complicado.

No projeto de PCB de alta tensão, o espaçamento razoável é muito importante, porque a tensão nos componentes da PCB facilita a geração de arcos pelos componentes condutores adjacentes e, uma vez que o arco ocorra, trará sérios perigos ocultos à segurança do produtos e usuários. Para reduzir a geração de correias de arco e o risco de aproximação, você precisa se concentrar no espaçamento ao projetar PCBs de alta tensão, e se o espaçamento é razoável inclui principalmente a distância de folga e fuga.

O que é uma distância de afastamento?

A tensão de intervalo refere-se à menor distância através do ar entre dois condutores adjacentes com a diferença de potencial em aparelhos elétricos, ou seja, a menor distância medida ao longo do ar entre dois condutores adjacentes ou um condutor e a superfície da carcaça do motor adjacente. Se a folga entre os componentes adjacentes na placa de circuito impresso for muito pequena, pode ocorrer arco entre os componentes condutivos adjacentes na placa de circuito impresso quando a tensão especificada for excedida.

No entanto, não há uma distância padrão para folga, que varia de acordo com o material, tensão e ambiente da PCB. Entre eles, a influência do ambiente é muito grande, por exemplo, a umidade fará com que a tensão de ruptura do ar mude, o que pode ser mais propenso a arcos. A poeira é outro fator, e a poeira que se acumula no topo da PCB pode reduzir a distância entre os condutores, produzindo arcos.

Os arcos podem colocar em risco a segurança do produto e do usuário, portanto, o espaçamento do PCB é um parâmetro importante a ser considerado ao projetar PCBs de alta tensão.

O que é o caminho de Creepage?

Semelhante à folga, a distância de fuga é usada para medir a distância mais curta ao longo da superfície do material isolante entre os condutores em um PCB em vez da distância no ar. O material e o ambiente da PCB também afetam as distâncias de fuga e, semelhante às distâncias de folga, a umidade e a poeira podem reduzir as distâncias de fuga.

Quando projetamos uma placa de circuito impresso de alta densidade e alta tensão, pode não ser fácil atender totalmente a distância de fuga, porque alterar a trilha da placa de circuito impresso não é uma prioridade para atender à distância de fuga. Geralmente podemos aumentar a distância da superfície ou outros truques no design, como entre as pistas. A adição de slots ou barreiras de isolamento vertical entre eles pode aumentar efetivamente a distância de fuga sem alterar o layout da pista no PCB.

Como determinar o espaçamento e os materiais ao projetar PCBs de alta tensão

Uma vez que existem muitos fatores diferentes no projeto de PCB de alta tensão, é melhor eliminar potenciais riscos de segurança da fonte quando projetamos PCBs de alta tensão. Podemos nos referir a algumas diretrizes padrão, como:
IPC-2221, é um padrão geral para folga de projeto de PCB e orientação de distância de fuga.
IEC-60950-1. A versão IEC é o padrão para qualquer produto de TI que tenha alimentação CA ou bateria.

Perguntas Frequentes:

Quando se trata de PCBs, o que constitui alta tensão?

Extraoficialmente, um PCB com 100V ou mais é considerado de alta tensão, embora não haja um número estabelecido.

Qual é a tensão máxima que um PCB pode suportar?

O material não importa tanto ao projetar e fabricar um circuito impresso de baixa tensão, pois todos os materiais de circuito impresso podem suportar até 1000 Volts.

Vias PCB podem transportar quanta corrente?

Usando uma furadeira de 0.35 mm, você pode transferir com segurança 2 amperes de eletricidade. Preenchê-los com solda também pode diminuir sua resistência.

Quão quentes os traços de PCB podem ficar?

Para proteger o PCB de descoloração e enfraquecimento ao longo do tempo, é uma prática mais comum permitir uma faixa de temperatura de 20-30°C. As certificações UL podem ser difíceis se a temperatura interna exceder 105 graus Celsius.

Conclusão

O planejamento e a fabricação de um PCB de alta tensão exigem um alto grau de precisão. Você pode simplesmente adquirir uma prancha de longa duração se seguir todos os regulamentos e práticas básicas para diretrizes de alta pressão.

Além disso, a escolha de um fabricante de PCB confiável é muito importante no caso de dispositivos de alta tensão. Assim, as chances de acidentes aumentam muito com design ou material de má qualidade.