PCBs con circuitos de alta tensión

Estamos a punto de experimentar una revolución en la movilidad de los seres humanos, el boom de los vehículos eléctricos está a la vuelta de la esquina y con él llegan también nuevos retos en el diseño de placas de circuito impreso, en particular en el diseño de PCBs para el control de elementos que trabajan con alta tensión.

Los circuitos de alta tensión no se encuentran solo en vehículos eléctricos. Hoy en día las aplicaciones más innovadoras del mercado requieren PCBs que puedan operar a tensiones elevadas, como por ejemplo en aplicaciones aeroespaciales, en sistemas de comunicación láser o en fuentes de alimentación para colisionadores de partículas.

Qué voltaje se considera alta tensión?

El voltaje que se considera alta tensión depende de la aplicación del circuito y de la regulación que se aplique en ese país. Por ejemplo, la Comisión Electrotécnica Internacional (CEI), y otros organismos como el IEEE, definen un voltaje de alta tensión los que superan los 1000V en AC (corriente alterna) o los 1500V en DC (corriente continua).

No obstante, en el mundo de la automoción y así como en otras aplicaciones, se considera alta tensión cualquier voltaje superior a los 30 V en AC y los 60 V en DC. En general, voltajes que superan los 50 Voltios pueden generar valores de corriente peligrosos a través del cuerpo humano. Así que cuando se diseña una PCB en la que tenemos tensiones en el orden de las decenas de voltios, hay que empezar a parar especial atención a las normas específicas que ello implica.

La regla de oro: respetar las distancias

Aunque al oír hablar de alta tensión, a muchos nos inspire respeto, en realidad a la hora de diseñar PCBs para este tipo de aplicaciones no nos enfrentamos a algo tan complicado como parece. Hay varias reglas que considerar para estos diseños pero, sobre todo, hay una que se te tiene que meter en la cabeza y que no debes olvidar nunca: respetar las distancias. 

Tu mayor enemigo en un una PCB con circuitos de alta tensión es no respetar las distancias mínimas entre componentes y cobre, dándole la posibilidad a las corrientes de alta tensión de generar arcos entre conductores o encontrar caminos de baja resistencia por los que “escaparse” destrozando todo a su paso.

Hay solamente 2 conceptos referentes a la distancia que debes respetar, la distancia de aislación y la línea de fuga, términos mucho más más conocidos en inglés como; Clearance y Creepage distance. Los términos son confusos, por ello es importante tener clara la definición de cada uno de ellos. 

• Se define como Clearance (distancia de aislamiento) la distancia mínima entre dos partes conductoras a través del aire. 
• Mientras que la definición de Creepage (línea de fuga) es la distancia más corta entre dos partes conductoras a lo largo de una superficie aislante común a ambos conductores. En el caso de una PCB, esta superficie aislante sería el sustrato (FR4, etc.)

Ambas distancias pueden variar según las condiciones ambientales en las que opere el circuito como la humedad, altitud, etc. Y son totalmente dependientes de los valores de voltajes, cuanto más alto el voltaje mayor serán las distancias mínimas.

¿Y cómo saber cuáles con las distancias mínimas a respetar en nuestros diseños? Pues bien, las encontraréis recogidas en las normas IPC- 2221a (Norma genérica sobre diseño de placas de circuito impreso). En concreto, en la sección 6.3 se presentan fórmulas y tablas para obtener la distancia de aislamiento mínima en función del voltaje del circuito. 

En cuanto a la distancia de aislamiento (Clearance), recuerda no olvidar los márgenes de la PCB ya que los arcos se pueden crear también entre componentes que estén muy cerca del margen o incluso entre capas de cobre internas de la PCB. Así que recuerda dejar distancia de aislamiento suficiente entre cobre, componentes y los márgenes de la PCB.

Otras consideraciones en el diseño de PCBs de alta tensión

Para conseguir que nuestras PCBs con alta tensión sean más robustas hay algunas cosas más que podemos hacer, siempre sin olvidar la regla de oro expuesta anteriormente. Por ejemplo, es importante dibujar las pistas y planos evitando que el cobre termine en cantos cuadrados o puntiagudos. Esto aumenta la posibilidad de arcos que se producirían en dichos cantos. La mejor terminación para nuestros polígonos y pistas en estas aplicaciones es la circular. 

Una forma de augmentar la distancia de línea de fuga mínima (Creepage) es realizando un corte en el sustrato de la PCB (un “board cutout”). Esto rompe la conexión directa a través del aislante de los conductores y disminuye ligeramente la posibilidad de arcos. 

Atención a los materiales y a los acabados

Como último punto nos queda considerar los diferentes materiales del sustrato para PCBs. El tradicional FR4 ya tiene unas muy buenas propiedades aislantes, pero hay materiales especiales en el mercado para aplicaciones de alta tensión, como por ejemplo, los laminados para alta tensión de Isola que son menos porosos que el laminado FR4 y ofrecen mayor aislamiento (es decir, mejor índice CTI, Comparative Tracking Index).

En el caso de que el circuito de alta tensión también deba soportar altas corrientes, hay que prestar obviamente mucha atención al peso de cobre que se utiliza en el diseño. Hoy en día se pueden fabricar láminas de cobre de hasta 50 oz para aplicaciones de alta potencia.

Por último, el acabado de la PCB también juega un papel importante en cuanto a la distancia mínima de aislamiento (clearance). Un acabado resinado (conformal coating) ayudará a reducir esta distancia mínima. Así que es recomendable, siempre que la aplicación lo permita, resinar los circuitos de alta tensión. De esa manera se puede reducir esa distancia mínima cuando se diseña aprovechando mejor el espacio. El resinado también protegerá vuestras PCBs de las condiciones ambientales adversas alargando su vida útil.

Definir las reglas de diseño apropiadas en Altium Designer; tu mejor opción

Altium Designer proporciona diversas opciones para mantener bajo control las distancias mínimas a respetar entre componentes y pistas con alta tensión y así asegurarnos de que no tendremos sorpresas con nuestros diseños. 

La clave está en saber definir reglas de diseño de PCB, en particular reglas de Clearance. Estas reglas se pueden definir de dos maneras, directamente desde el esquema eléctrico usando indicadores “Parameter Set” bajo el menú “Place”. Es tan sencillo como adjuntar uno de estos indicadores a cada una de las líneas de alta tensión que necesitan mantener una distancia mínima con otras señales de nuestro circuito, y escribir el valor de la distancia mínima en la ventana de definición de las “Clearance rules”.

El mismo tipo de regla se puede definir directamente en el editor PCB. En este caso, habría que seleccionar en la ventana de definición de reglas, que se accede desde el menú Design->Rules, el nombre de la señal a la que se aplica la regla de distancia y entre qué otras señales queremos mantenerla. En el ejemplo de la imagen, la distancia mínima son 5mm entre la señal HV+ y todas las demás señales del circuito.

Otra manera de mantener bajo control las distancias entre componentes y marcar zonas libres de cobre sería usando regiones “Keepout”. Estas regiones se pueden insertar en el editor de PCBs desde el menú “Place” y se pueden dibujar en cualquier capa de la PCB. Nos pueden ser muy útiles como guía a la hora de realizar la tarea de distribución inicial de componentes en la PCB. 

En resumen, entender y respetar las reglas de distancia mínima y escoger los materiales adecuados es la clave del éxito en vuestras PCBs con alta tensión.