Wie Sie Ihr PCB-Layout für ein Hochspannungs-Design planen

Früher habe ich mit einer Freundin, die Städteplanerin ist, Trail-Läufe gemacht. Im Zuge ihres hinterlistigen Vorhabens, mich größere Strecken laufen zu lassen, bevor ich zu müde und gelangweilt war, erzählte sie mir von den verschiedenen Überlegungen zur Flächennutzung und Bebauung in einer Stadt. Dabei ging es auch um allerhand Lokalpolitik, was eine interessante Ablenkung bot.

Obwohl meine Freundin sicherlich anderer Meinung wäre, weisen PCB-Layouts für Hochspannungs-Anwendungen einige Gemeinsamkeiten mit komplexer Städteplanung auf. Zusätzlich zu allen anderen Überlegungen, die in das PCB-Design einfließen, benötigt ein Hochspannungs-PCB auch ein Layout, mit Hilfe dessen die Feldstärke auf der Leiterplatte kontrolliert und optimiert werden kann. Ziel ist es dabei, für Ihr Endprodukt optimale Performance und lebenslangen Schutz zu gewährleisten.

Hochspannungsbereiche isolieren

Auf die gleiche Weise, wie eine Stadt in verschiedene Gebiete aufgeteilt wird und es Beschränkungen hinsichtlich der Nutzung der einzelnen Flächen gibt, möchten Sie Ihre Hochspannungs-Schaltungen zusammenfassen, um die Auswirkungen auf den restlichen Teil Ihrer Platine zu minimieren. Durch die Abgrenzung der Hochspannungsbereiche von den Bereichen mit Niederspannung können Sie die Gefahr der Lichtbogenbildung auf Ihrer Leiterplatte eindämmen.

Ein Weg, Hochspannungsbereiche physisch zu isolieren, besteht darin, um die Bereiche herum einen Einsatz einzufügen. Beachten Sie beim Entwerfen der Leiterplatte unbedingt, dass Sie einen Schlitz vorsehen, der ausgefräst wird. Darin würden Sie dann den Einsatz platzieren. Klären Sie im Voraus mit Ihrem Hersteller ab, ob das machbar ist, und erkundigen Sie sich nach der Größentoleranz für den Schlitz.

Da Sie den Schlitz in der Nähe des Bereichs mit den höchsten Spannungen auf Ihrer Leiterplatte vorsehen, können Überspannungen auftreten. Proto Express empfiehlt, dass Sie den Schlitz so entwerfen, dass eine wiederholte Funkenbildung kein Problem darstellt. Die minimale Breite des Schlitzes sollte bei der höchsten auf der Platine zu erwartenden Spannung adäquaten Schutz bieten. Indem Sie an dem Schlitz einen kleinen Rand vorsehen, stellen Sie sicher, dass das PCB nicht beschädigt wird, selbst wenn die Kanten des Schlitzes durch Koronaentladung oder Lichtbögen verkohlen. Dies ist wichtig, da der Widerstand des PCB-Materials entlang der Kanten, die durch Lichtbogenbildung beschädigt wurden, abfällt.

Im Herstellungsprozess wird der Schlitz wie jedes andere Merkmal oder jede andere Durchkontaktierung auf der Leiterplatte gefräst. Anschließend können Sie ein inertes Isoliermaterial in den Schlitz einbringen, um eine vertikale Grenze zu bilden. Für niedrigere Spannungen können Sie PCB-Material verwenden, für höhere Spannungen benötigen Sie dagegen beispielsweise Polyester oder Teflon. Die Einsätze können mit Klemmen oder Klebstoff fixiert werden, oder indem Schlitz und Einsatz für einen festen Sitz konstruiert werden.

^{Die Partitionierung eines PCB für Hochspannungsanwendungen ist entscheidend, um eine allmähliche Abnahme der Spannung über die Leiterplatte hinweg zu erreichen.}

Lassen Sie die Spannung über die Leiterplatte hinweg stufenweise abnehmen

Nachdem Sie die Bereiche mit der höchsten Spannung auf der Leiterplatte isoliert haben, sollten Sie die restliche Leiterplatte ebenfalls in Bereiche aufteilen, mit deren Hilfe sich die Spannung stufenweise verringern lässt. Indem man Schaltungen, die mit niedrigerer Spannung arbeiten, um die Hauptleiter herum gruppiert, lässt sich das elektrische Feld anders verteilen. Die geringere Feldstärke in einem Bereich mindert die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von Koronaentladung oder Lichtbögen.

Potenzialfreie Ringe oder Field-Grating-Ringe können ebenfalls verwendet werden, um die Feldverteilung beim Hochspannungs-Designs zu regeln. Sie können als Abschluss dienen oder mit Widerständen und/oder Kondensatoren gekoppelt werden – je nach den Wechselstrom- bzw. Gleichstromeigenschaften der Hochspannungsquelle, die Ihr Design schützen wird. Hierbei handelt es sich allerdings um sehr hochkarätige Designkomponenten. Falls Sie deren Verwendung in Betracht ziehen, lohnt es sich, sich eingehend mit entsprechenden Literatur auseinanderzusetzen.

Rauschquellen isolieren

Wenn sich das PCB-Design auf eine einzige universelle Regel beschränken lässt, ist es die Regel, entweder kurze Leiterbahnen zu verwenden oder die Rauschquellen zu isolieren. Gleiches gilt auch für das Design von Hochspannungs-PCBs. Genauso, wie Sie nicht neben einer lauten Fabrik wohnen möchten, wünschen Sie auch kein Signal- oder Leistungsrauschen, das sich uneingeschränkt auf Ihrer Leiterplatte verbreitet. Wenn das Rauschen durch die parasitären Kapazitäten auf der Leiterplatte oder im Isoliermaterial durchgekoppelt wird, kann es sich ganz leicht bis in empfindliche Bereiche der Leiterplatte verbreiten.

Verbindungen minimieren

Sie sollten die Verbindungen auf Ihrer Leiterplatte reduzieren. Das Verwenden von weniger Verbindungen reduziert die Möglichkeiten zum Entstehen von Transienten in Ihrem Design. Die Verbreitung hoher Spannungen auf Ihrer Leiterplatte wird dadurch ebenfalls eingeschränkt. Ähnlich wie Rauschen, können auch Transienten oder Bereiche mit unerwartet hohen Spannungen empfindliche Bauteile beschädigen oder die Leistungsfähigkeit beeinträchtigen.

^{Durch PCB-Verbindungen kann sich das elektrische Feld auf der gesamten Leiterplatte leichter verbreiten, was in hohem Maße unerwünscht ist.}

Design-Checks anwenden

Sorgen Sie dafür, dass in Ihr PCB-Design-Tool ein Entwurfsregelprüfungs-Tool integriert ist, das die Entwurfsregeln gründlich überprüft. Dieses Überprüfungsprogramm ist für Ihre Leiterplatte das, was ein Städteplaner für eine Stadt ist. Es stellt sicher, dass die Abstände und Positionierungen im kompletten Design und in der Bestückung Ihrer Leiterplatte den Spezifikationen entsprechen. Alle Kabel, Stecker und Bauteile können Auswirkungen auf die Leistungsfähigkeit jeder Leiterplatte haben. Ein Hochspannungs-Produkt stellt sowohl selbst ein besonderes Risiko dar, als auch für den Anwender, wenn etwas im Design schief läuft.

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Sie haben eine Frage zum Hochspannungs-Design? Dann kontaktieren Sie einen Experten bei Altium.