Informazioni Tecnologia PCB ad Alta Tensione, In alcune applicazioni, come nel caso della maggior parte dei caricatori a muro e degli alimentatori per computer, l’energia in ingresso è prelevata dalla presa a muro, che di solito è 220V. Se preso in esame un PCB, tale voltaggio è considerato superiore al normale e, spesso nella progettazione di una scheda con una linea ad alta tensione risulta necessario prendere in considerazione fattori particolari.
Il presente articolo parlerà di tutto ciò che è necessario che tu sappia in merito ai PCB ad alta tensione.
1、PCB Ad Alta Tensione e Cosa Sapere su Di Essi
1.1 Cosa si intende per PCB ad alta tensione?
In poche parole, qualsiasi PCB che opera con una tensione decisamente più elevata della normale tensione del rail può definire un PCB a media o alta tensione. Schede quali alimentatori alimentati da rete, inverter, caricabatterie ecc. Fanno parte di questa categoria.
Non vi è una soglia specifica sulla base della quale la scheda verrebbe considerata ad alta tensione. Ma come regola generale, potresti tenere in considerazione un valore intorno a 100 V, oltre il quale dovresti valutare regole di progettazione particolari.
Immagine 1: Un alimentatore a tensione di rete
1.2 Rigidità Dielettrica
La rigidità dielettrica di un materiale indica il campo elettrico massimo che il materiale è in grado di sopportare senza perdere le proprie proprietà isolanti.
In linea generale, per la maggior parte dei PCB tale valore sarebbe FR4.
Pertanto la prima cosa fondamentale da verificare è la rigidità dielettrica del materiale PCB.
FR4 valutato per 300 mil / mil; tuttavia, gli standard IPC consigliano una spaziatura di 3,9mils per 80V.
Spesso è di buon senso lasciare spazio e attenersi agli standard IPC.
1.3 Distanza di Dispersione
La distanza di dispersione fa riferiento alla minor distanza tra due parti conduttive lungo la superficie di un materiale isolante solido.
La base cardinale per la definizione della distanza di dispersione sta nella tensione a lungo termine applicata ai due conduttori. Nel corso del tempo, ci può essere contaminazione sulla scheda, pertanto è saggio prevedere ulteriore spazio sopra la testa.
Tutto ciò che viene raccomandato in merito alla distanza di dispersione per la maggior parte dei componenti e dei layout il più delle volte è riportato nelle rispettive schede tecniche e risulta uno dei parametri fondamentali nell’ambito di PCB ad alta tensione.
1.4 Distanza di sicurezza
La distanza di sicurezza fa riferimento all’intervallo più breve in linea d’aria tra due parti conduttive. La rigidità dielettrica dell’aria è alla base della distanza. L’aria di solito si rompe a circa 3 KV per mm. Tuttavia, se in presenza di umidità e contaminazione, tale valore può diminuire drasticamente. Gli standard IPC illustrano distanze di sicurezza diverse a seconda dei tipi di progetto.
La maggior parte dei componenti è già conforme ed è impacchettata in confezioni con una spaziatura del pin abbastanza alto.
Ad esempio, un Mosfet da 600 V solitamente viene fornito in un pacchetto TO-220 o TO-247.
Ulteriori informazioni su distanza di dispersione e di sicurezza sono disponibili qui:
1.5 Maschera di Saldatura
In una certa misura, la maschera di saldatura funge anche da isolante. Ciò vale nel caso di schede con spaziatura tra pin assai stretta e alta tensione tra di essi. È fondamentale rivolgersi a un produttore che possa applicare una maschera di saldatura.
Immagine 2: Un PCB con maschera di saldatura nera
2、 Pratiche di Progettazione per PCB Ad Alta Tensione
2.1 Routing
Ogni volta che si stabiliscono le guide per le tracce di PCB ad alta tensione, i punti principali sono i seguenti:
1.Mantenere lo spazio tra le tracce che hanno una differenza di alta tensione tra di loro.
2.Evitare curve e spigoli vivi dal momento che possono agire come aree del campo elettrico concentrato.
3.Evitare di realizzare tracce ad altissima tensione sugli strati interni della scheda.
Immagine 3: Un PCB con una distanza dal piano superiore del normale
2.2 Piani Poligonali
Per tutti i PCB ad alta tensione, la distanza dal piano poligonale deve essere ampliata a un valore sicuro e ad alcune sezioni della scheda.
Ad esempio, nel caso ci sia una traccia che trasporta 600 V verso un connettore sul bordo di una scheda, spesso il progetto non avrà un poligono vicino a tale traccia.
Inoltre, i piani interni su un PCB multistrato non dovrebbero avere una tensione molto alta o una distanza troppo ravvicinata tra di loro.
2.3 Strati Interni
È possibile costruire multistrato predisponendo la media tensione su tutti gli strati. La questione primaria sta nel corretto riempimento degli spazi tra gli strati. Lo spessore della separazione tra gli strati deve essere almeno .005 “per far sì che l’integrità del mezzo di riempimento, preimpregnato, sia garantita. Eventuali vuoti o sacche degraderanno gravemente il valore dielettrico.
Il multistrato standard tipo FR4 preimpregnato non è idoneo per lavori in media o alta tensione. Il materiale si rompe troppo rapidamente e non presenta una struttura interna omogenea. I micro vuoti in eccesso declassano il rating dielettrico portando ad un conseguente rendimento mediocre.
2.4 Considerazioni sulle Interferenze Elettromagnetiche
I PCB ad alta tensione sono noti per l’emissione di anomalie su un ampio spettro.
Ciò che risulta fondamentale per ridurle al minimo è avere, ove possibile, una piccola area ad anello e vie estese di sutura al piano di terra.
Per di più, i componenti ad alta tensione possono anche essere sigillati e poi protetti da un foglio metallico.
Immagine 4: Una scheda con estese vie di sutura
3、Selezione dei Componenti
3.1 Trasformatori ad Alta Frequenza
La maggior parte delle schede ad alta tensione includerà quasi sempre un circuito a commutazione con un trasformatore per produrre l’alta tensione. In tali casi, devi attenerti al livello di isolamento del nucleo del trasformatore.
Per quanto riguarda il layout del PCB, il piano di terra dovrebbe ipoteticamente disgiungersi tra il lato primario e il lato secondario. Dovrebbe esserci un ampio spazio di isolamento con ritagli sulla scheda tra i lati primario e secondario.
3.2 Mosfet/Transistor/Interruttori
La maggior parte delle volte, i dispositivi ad alta tensione saranno forniti con la giusta confezione identificata per resistere all’alta tensione tra le distanze.
Anche in questo caso, se è noto che le tensioni sarebbero piuttosto alte, si raccomanda di scegliere il dispositivo con spaziatura dei pin maggiore. Un esempio comune nel caso non vi siano vincoli di spazio, sarà quello di prediligere un dispositivo TO-247 invece di un TO-220. Esempi simili possono applicarsi anche a dispositivi SMD.
Immagine 5: Transistor in diversi pacchetti
3.3 Componenti Passivi
Nella selezione dei componenti passivi, la dimensione del componente è fondamentale poiché deriva direttamente dalla tensione che è in grado di tollerare. Quindi immaginiamo che il progetto abbia 300 V tra un resistore SMD; sarebbe pertanto molto meglio scegliere un pacchetto come il 1206 piuttosto che 0402. Spesso è necessario prevedere di avere più componenti di questo tipo in serie per limitare lo stress di tensione su di essi.
4、Caratteristiche Speciali della Scheda
4.1 Spazi di Isolamento e Aperture
La maggior parte delle schede ad alta tensione necessitano di spazi di isolamento e aperture in prossimità di qualsiasi sezione della scheda che trasporta alta tensione.
In molti dispositivi di consumo quali ad esempio caricabatterie e alimentatori, questi spazi e aperture della scheda risultano indispensabili per soddisfare determinati standard di sicurezza. Tali peculiarità inseriscono un ulteriore livello di sicurezza e sarebbero utili in ambienti ad alta umidità e nei casi in cui è probabile la contaminazione.
Gli spazi di isolamento e le aperture di solito devono essere definite su uno strato meccanico della scheda.
4.2 Materiale della Scheda
Lo standard FR-4 non è un buon materiale per schede ad alta tensione poiché caratterizzato da una bassa rigidità dielettrica.
Ogni volta che il costo non risulta vincolante, è meglio optare per un materiale con una maggiore rigidità dielettrica. Alcuni dei materiali classificati per alta tensione sono:
1.Epossidica BT
2.Poliaimide
3.Isola
4.3 Finiture della Scheda
Il fattore più sottovalutato e vitale nel casi dei PCB ad alta tensione è la finitura della scheda. Comprende per lo più la finitura superficiale dei pad ed eventuali tracce esposte. Fondamentalmente la scheda rifinita dovrebbe avere una finitura liscia priva di urti e dovrebbe essere omogenea su tutta la superficie.
Eventuali imperfezioni sui pad ad alta tensione, come ad esempio punti taglienti, possono condurre ad una regione di campo elettrico elevato, che può perciò causare la formazione di archi.
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6、Conclusioni
Un PCB ad alta tensione è qualcosa che necessita di accuratezza sia nel layout della scheda che nelle fasi di produzione. Se segui tutte i dettami e le pratiche generali per le regole ad alta pressione, ottenere una scheda di lavoro che durerà a lungo è facilmente a portata di mano.
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