PCB de alto voltaje opera a voltajes mayores que el voltaje típico del riel. La fuente de alimentación alimentada por la red, los inversores y los cargadores EV son ejemplos de este tipo de placa. El alto voltaje no tiene un umbral predeterminado. Un buen punto de partida sería 100 voltios para placas de circuito impreso; este es el rango normal de voltaje.

Sin embargo, más de 100 voltios necesitan consideraciones adicionales que se deben realizar en el diseño de PCB, especialmente para uso industrial. De lo contrario, su PCB puede incendiarse, su dispositivo puede romperse o puede provocar cualquier otro accidente.

• Resistencia dieléctrica

Rigidez dieléctrica es el mayor campo eléctrico que puede soportar un material antes de perder sus cualidades aislantes. Para la mayoría de las PCB, FR4 sería la mejor opción. Primero se debe verificar la rigidez dieléctrica del material de su PCB.

Aunque el material FR4 está certificado para 300 milímetros por mil, las normas de IPC exigen 3.9 milímetros para 80V. Por lo general, es bueno dejar algunas áreas de movimiento y cumplir con las especificaciones de IPC.

• distancia arrastrándose

Cuando dos elementos conductores se ubican en la superficie de una sustancia aislante, la distancia de fuga es la distancia más corta entre ellos. El voltaje a largo plazo suministrado a los dos conductores es el factor más importante que determina la distancia de fuga.

La contaminación en el tablero puede ocurrir con el tiempo. Por lo tanto, es una buena idea tener algo de espacio adicional. Las hojas de datos para la mayoría de los componentes y diseños a menudo brindan recomendaciones para las distancias de fuga. Cuando se trata de PCB de alto voltaje, esta es una consideración importante.

• Distancia a despejar

Cuando dos conductores están lo suficientemente cerca como para tocarse, esto se conoce como separación. La fuerza dieléctrica del aire es lo que determina cuánto espacio hay. 3KV por mm es la tasa típica a la que se descompone el aire. Cuando hay humedad y contaminantes, este número puede ser significativamente menor. Según el tipo de diseño, las normas IPC prescriben distancias de separación variables.

Los paquetes con un paso de clavija lo suficientemente alto para la mayoría de los componentes ya son compatibles. Por ejemplo, un Mosfet con clasificación de 600 V a menudo se empaquetará en un TO-220 o TO-247.

• Máscara para soldar

El aislamiento también se proporciona a través de la máscara de soldadura. Como resultado, son ideales para su uso en placas de circuitos con pasos de clavija extremadamente pequeños y altos voltajes en las clavijas. Para las PCB de paso fino, es fundamental contar con un fabricante que pueda colocar una máscara de soldadura entre las dos PCB.

Principios del diseño de PCB de alto voltaje

Se deben tener en cuenta las siguientes cosas antes de diseñar PCB de alto voltajes:

• enrutamiento

Estos son los aspectos más críticos a tener en cuenta al enrutar PCB de alto voltaje rastros:

• Mantener un espacio entre las trazas con una gran diferencia de voltaje.
  • No utilizar tonos o aristas agudas ya que pueden tener un campo eléctrico elevado
  • En las capas más internas de la placa de circuito, no ejecute ningún rastro de alto voltaje
• Planos de polígonos

El espacio libre del plano del polígono en todas las PCB de alto voltaje debe elevarse a una cantidad segura, y las áreas específicas de la placa también deben elevarse. Es común ver un polígono verter cerca de un trazo, enviando 600 V hacia una conexión de borde en un tablero, pero no siempre.

Los planos internos de una PCB multicapa también deben mantenerse a un voltaje y una distancia razonables entre sí para evitar cortocircuitos.

• Capas dentro de la Capa

La media tensión se puede utilizar en todos los niveles para crear multicapas. Lo que más importa es qué tan bien llene los vacíos entre las distintas capas. El preimpregnado requiere un espesor de separación de capas de al menos 005″ para garantizar la integridad del medio de relleno. El valor dieléctrico se reducirá significativamente si hay vacíos o bolsas.

Un FR4 preimpregnado multicapa del tipo convencional no es adecuado para operaciones de media o alta tensión. Hay una falta de uniformidad en la estructura interna del material, lo que hace que se descomponga demasiado rápido. Hay una disminución en la clasificación dieléctrica debido a los microhuecos.

Factores de EMI a considerar

PCB de alto voltaje son reconocidos por la amplia gama de frecuencias que pueden producir. En su mayor parte, mantener el área del bucle corta y coser lo más posible del plano de tierra es la forma más efectiva de reducirlos. También se puede utilizar una lámina metálica para aislar los componentes de alta tensión.

• Transformadores con Altas Frecuencias

Casi siempre se usa un circuito de modo de conmutación con un transformador para generar un alto voltaje en la mayoría de los tableros de alto voltaje. Debe cumplir con el nivel de aislamiento del núcleo del transformador en estas situaciones. El plano de tierra debe dividirse preferiblemente entre los lados principal y secundario con respecto al diseño de PCB. Debe haber un espacio de aislamiento sustancial con cortes en el tablero entre los lados primario y secundario.

• Mosfets/Transistores/Interruptores

La mayoría de las veces, los dispositivos de alto voltaje vendrán en el empaque adecuado para tolerar el alto voltaje entre lanzamientos.

Todavía es inteligente elegir el dispositivo con el paso de clavija más grande si sabe que los voltajes serían bastante altos. Un ejemplo frecuente será elegir un dispositivo TO-247 en lugar de un TO-220 si no hay límites de espacio. También se pueden aplicar ejemplos similares a los dispositivos SMD.

• Componentes pasivos

Al elegir componentes pasivos, el tamaño del componente es vital ya que depende directamente del voltaje que puede soportar. Así que supongamos que el diseño tiene 300 V entre una resistencia SMD. Entonces sería mucho más preferible seleccionar un paquete como 1206 en lugar de 0402. A veces es necesario colocar numerosos componentes de este tipo en serie para aliviar la tensión de tensión entre ellos.

• Recortes y ranuras para aislamiento

Debe haber recortes u orificios de aislamiento cerca de cualquier componente de alto voltaje de un tablero de alto voltaje. Numerosos requisitos de seguridad en bienes de consumo como cargadores y fuentes de alimentación exigen estos orificios y cortes en la placa.

Los lugares con mucha humedad y las situaciones en las que existe la posibilidad de contaminación podrían beneficiarse de estas cualidades. La capa mecánica de la placa es donde se ubicarán la mayoría de las ranuras y cortes de aislamiento.

Material para desarrollar PCB de alto voltaje

La baja rigidez dieléctrica del FR-4 estándar lo hace inadecuado para su uso en tableros de circuitos de alto voltaje. La rigidez dieléctrica más alta es preferible siempre que el costo no sea un problema. Algunos ejemplos de materiales clasificados para alto voltaje son los siguientes;

• Epoxi BT
  • Poliimida
  • Isola
• Terminando el tablero

PCB de alto voltaje el acabado es una consideración que a menudo se pasa por alto pero es críticamente vital. La calidad de la superficie de las almohadillas y cualquier rastro visible son las consideraciones principales. El tablero final debe estar libre de irregularidades y uniforme en toda la superficie.

Las puntas afiladas u otros defectos en las almohadillas de alto voltaje pueden crear un campo eléctrico demasiado fuerte y provocar arcos.

Precauciones básicas para diseñar PCB de alto voltaje

Al adoptar algunas precauciones, puede evitar cualquier resultado grave con respecto a la placa de circuito impreso de alto voltaje. El siguiente es el quid de toda la información mencionada anteriormente:

• enrutamiento

Al diseñar un PCB de alto voltaje, apegarse a los métodos de enrutamiento probados y verdaderos es fundamental. Al diseñar un circuito, es mejor dejar un pequeño espacio entre conductores con grandes diferencias de voltaje. Debido a la alta concentración de campo eléctrico, se recomienda evitar los bordes afilados. Ejecutar trazas de alto voltaje en las capas interiores de la placa también es un gran error.

• Capas dentro de una capa

También es esencial una PCB multicapa con voltaje medio en cada capa. Al rellenar los espacios entre las capas, se debe tener cuidado. El diseño de PCB requiere que la separación de cada capa sea de 005″ de espesor para preservar el equilibrio general. Cualquier agujero o espacio innecesario en las PCB de alto voltaje afecta el valor dieléctrico.

• polígonos geométricos

La holgura del plano del polígono también debe aumentarse de forma segura en todos Alto voltaje PCBs. Los planos internos de una PCB multicapa deben estar debidamente separados y tener un alto voltaje. Por lo tanto, la electricidad puede fluir sin interrupción a través de la placa de circuito.

• Área

Es posible que haya oído hablar de PCB con altos voltajes que liberan diversas perturbaciones electromagnéticas. Las perturbaciones se pueden reducir si el plano de tierra tiene un área de bucle limitada.

Diseño de PCB de alto voltaje: ¿Por qué controlar las distancias de fuga y separación?

No todos los PCB deben diseñarse con el mismo espacio que los PCB de alto voltaje. Si su producto funciona con voltajes de más de 30 V CA o 60 V CC, es mejor que consideremos seriamente el espacio de diseño de PCB. Si está diseñando una PCB de alta densidad, especialmente una placa de circuito de alto voltaje, entonces debe prestar más atención debido a que la alta densidad hará que el espacio sea más complicado.

En el diseño de PCB de alto voltaje, el espacio razonable es muy importante, porque el voltaje en los componentes de la PCB facilita que los componentes conductores adyacentes generen arcos, y una vez que se produce el arco, traerá serios peligros ocultos para la seguridad de productos y usuarios. Para reducir la generación de cinturones de arco y el riesgo de venirse, debe centrarse en el espacio al diseñar PCB de alto voltaje, y si el espacio es razonable, incluye principalmente el espacio libre y la distancia de fuga.

¿Qué es una distancia de separación?

El voltaje de brecha se refiere a la distancia más corta a través del aire entre dos conductores adyacentes con la diferencia de potencial en los aparatos eléctricos, es decir, la distancia más corta medida a lo largo del aire entre dos conductores adyacentes o un conductor y la superficie de la carcasa del motor adyacente. Si el espacio entre los componentes adyacentes en la PCB es demasiado pequeño, se pueden producir arcos entre los componentes conductores adyacentes en la PCB una vez que se exceda el voltaje especificado.

Sin embargo, no existe una distancia estándar para el espacio libre, que varía según el material, el voltaje y el entorno de la placa de circuito impreso. Entre ellos, la influencia del medio ambiente es muy grande, por ejemplo, la humedad hará que cambie el voltaje de ruptura del aire, que puede ser más propenso a la formación de arcos. El polvo es otro factor, y el polvo que se acumula en la parte superior de la placa de circuito impreso puede reducir la distancia entre los conductores y producir arcos.

Los arcos pueden poner en peligro la seguridad del producto y del usuario, por lo que el espaciado de la placa de circuito impreso es un parámetro clave a tener en cuenta al diseñar placas de circuito impreso de alto voltaje.

¿Qué es el camino de fuga?

Al igual que el espacio libre, la distancia de fuga se usa para medir la distancia más corta a lo largo de la superficie del material aislante entre conductores en una placa de circuito impreso en lugar de la distancia en el aire. El material de PCB y el entorno también afectan las distancias de fuga y, al igual que las distancias de separación, la humedad y el polvo pueden reducir las distancias de fuga.

Cuando diseñamos una PCB de alta densidad y alto voltaje, puede que no sea fácil cumplir con la distancia de fuga, porque cambiar la pista de la PCB no es una prioridad para cumplir con la distancia de fuga. Por lo general, podemos aumentar la distancia de la superficie u otros trucos en el diseño, como entre las pistas. Agregar ranuras o barreras de aislamiento vertical entre ellas puede aumentar efectivamente la distancia de fuga sin cambiar el diseño de la pista en la PCB.

Cómo determinar el espaciado y los materiales al diseñar PCB de alto voltaje

Dado que hay muchos factores diferentes en el diseño de PCB de alto voltaje, es mejor eliminar los posibles riesgos de seguridad desde la fuente cuando diseñamos PCB de alto voltaje. Podemos referirnos a algunas pautas estándar, tales como:
IPC-2221, es un estándar general para la guía de distancia de fuga y separación de diseño de PCB.
IEC-60950-1. La versión IEC es el estándar para cualquier producto de TI que tenga alimentación de CA o batería.

Preguntas Frecuentes

Cuando se trata de PCB, ¿qué constituye alto voltaje?

Extraoficialmente, un PCB con 100V o más se considera de alto voltaje, aunque no hay un número establecido.

¿Cuál es el voltaje máximo que puede soportar una PCB?

El material no importa tanto al diseñar y fabricar un circuito impreso de bajo voltaje, ya que todos los materiales de circuitos impresos pueden soportar hasta 1000 voltios.

¿Cuánta corriente pueden transportar las vías de PCB?

Con un taladro de 0.35 mm, puede transferir de forma segura 2 amperios de electricidad. Rellenarlos con soldadura también puede disminuir su resistencia.

¿Qué tan calientes pueden llegar a ser las trazas de PCB?

Para proteger la PCB de la decoloración y el debilitamiento con el tiempo, es una práctica más común permitir un rango de temperatura de 20 a 30 °C. Las certificaciones UL pueden resultar difíciles si la temperatura interior supera los 105 grados centígrados.

Conclusión

La planificación y fabricación de un PCB de alto voltaje necesitan un alto grado de precisión. Simplemente puede adquirir una tabla de larga duración si sigue todas las normas y prácticas básicas para las pautas de alta presión.

Además, elegir un fabricante confiable de PCB es muy importante en el caso de dispositivos de alta tensión. Por lo tanto, las posibilidades de accidentes aumentan mucho con un diseño o material de mala calidad.