Zapobieganie wyładowaniom łukowym w projektach wysokonapięciowych PCB: postępowanie z padami i ścieżkami

Gdy dorastałem, obsesyjnie układałem puzzle z moją babcią. Zdarzało mi się przez to zapominać o obiedzie. Babcia była arcymistrzynią puzzli: można było patrzeć na obrazek tylko przy wyjmowaniu puzzli. Jeśli pamięć i umiejętność rozpoznawania kształtów nie wystarczały, to było oszukiwanie. Zamiast z poczuciem wstydu ponownie patrzeć na pudełko, nauczyłem się skupiać na kształtach puzzli i ich dopasowaniu do sąsiednich elementów. Dzięki temu brak znajomości dokładnego końcowego obrazku był mniej obezwładniający.

Wytyczanie ścieżek i padów w projekcie wysokonapięciowej płytki drukowanej przypomina mi układanie puzzli. Projektant ma w głowie całkowity obraz, ale żeby uzyskać właściwe rozwiązanie końcowe, ważne są kształty poszczególnych elementów układanki. Rozważając właściwe kształty padów i ścieżek, zwłaszcza w zastosowaniach wysokonapięciowych, trzeba uwzględnić kilka różnych aspektów.

Najlepsze praktyki projektowania narożników w wysokonapięciowym obwodzie drukowanym

Wszelkie narożniki i ostre krawędzie lub zakręty są niepożądane w wysokonapięciowych PCB. W przypadku padów należy stosować gładkie, zaokrąglone krzywe, które odcinają narożniki. Najlepiej stosować krzywe o jak największym promieniu, który nie powoduje niepotrzebnych strat obszaru powierzchni. 

Wytyczając ścieżki, również należy unikać ostrych zakrętów. Zamiast tego należy zakrzywiać ścieżki, stosując największy dostępny promień.

Jeśli w punktach połączeń mają być zastosowane kulki lutownicze, należy również określić ich minimalny promień. Koniecznie trzeba o tym poinformować producenta, zanim ten przedstawi cenę produktu, ponieważ mogą być potrzebne większe kulki lutownicze niż te, które zwykle stosuje.

_{Kulki lutownicze gniazda procesora na płycie głównej wysokonapięciowej płytki PCB} 

Uwagi dotyczące odległości na płytce drukowanej obwodu wysokonapięciowego

Stosując zakrzywione krawędzie zamiast narożników, można zająć znacznie mniejszą powierzchnię między elementami. Według Sierra Proto Board bezpośrednie wyładowanie łukowe może wystąpić w ⅓ odległości od ostro zakończonego lutu w porównaniu do zaokrąglonej krawędzi. Ostro zakończony lut może również trzy razy łatwiej wygenerować wyładowanie koronowe. 

Sierra Proto ma również równania, które pomagają oszacować odległości w oparciu o częstotliwość roboczą. Trzeba pamiętać, że przy wysokich częstotliwościach łatwiej dochodzi do wyładowań łukowych, dlatego trzeba zwiększyć odległości o zalecany współczynnik 1,12.

Gdy płytka jest już gotowa, przed podłączeniem zasilania należy dopilnować, aby jej powierzchnia i krawędzie były czyste, a wszystkie przewodniki gładkie. Zanieczyszczenia, zaostrzone krawędzie i zadrapania mogą obniżyć napięcie przeskoku o 70–80%.

Najlepsze praktyki projektowania krawędzi w wysokonapięciowym obwodzie drukowanym

Tak jak skrajne puzzle w układance, krawędzie na płytce PCB wymagają specjalnej uwagi. Po obróbce lub frezowaniu krawędzi płytki często pozostają na niej zadziory. Jeśli taki zadzior znajdzie się na ścieżce przewodzącej, będzie działać jak ostro zakończony lut, drastycznie zwiększając ryzyko wyładowań łukowych.

Dlatego dla bezpieczeństwa najlepiej trzymać miedziane ścieżki z dala od wszelkich krawędzi. Między przewodnikiem a krawędzią należy zachować minimalną odległość wynoszącą 0,02 cala. Tę odległość należy zwiększać o 0,001 cala na każde 100 V, jakie będzie występować na ścieżce przy maksymalnym obciążeniu.

Czasami nie ma innego wyboru i trzeba wcisnąć ścieżką w pobliżu krawędzi. W takim przypadku można zastosować pokrycie konforemne z materiału odpowiedniego do zastosowań wysokonapięciowych, np. HVPF. Takie pokrycie pozwoli zapewnić dodatkowe zabezpieczenie płytki aż do jej krawędzi.

_{Pady złącza na krawędzi wysokonapięciowej PCB}

Analiza projektu

Przed przesłaniem projektu do produkcji warto przeprowadzić analizę gradientu pola elektrycznego dla wysokiego napięcia. To pomoże zapewnić, że czynniki wykorzystania płytki i podzespołów będą odpowiednie dla obniżenia parametrów znamionowych oraz geometrii zastosowanej w projekcie obwodu.

Moja babcia by się nie zgodziła, ale pomyłki w projekcie PCB są znacznie poważniejsze niż w puzzlach. Dlatego należy korzystać z najlepszych dostępnych narzędzi. Szczególnie pomocną funkcją w oprogramowaniu do projektowania, takim jak Altium Designer, jest definiowanie własnych reguł projektowania Dzięki temu nie trzeba pamiętać o odległościach i rozmiarach kulek lutowniczych podczas optymalizowania układu z wyłącznie zaokrąglonymi ścieżkami. 

Po odłożeniu puzzli możesz skorzystać ze wsparcia na żywo dostępnego w Altium, aby dowiedzieć się więcej na temat tego, jak najlepsze oprogramowanie do projektowania PCB może pomóc w udoskonaleniu procesu projektowania płytek wysokonapięciowych.

Masz pytanie dotyczące zapobiegania wyładowaniom łukowym? Porozmawiaj z ekspertem Altium.