Prąd upływu PCB i przebicie w projektowaniu wysokonapięciowym

Prawo Ohma: to wspaniałe narzędzie, które mamy do analizowania wszelkiego rodzaju obwodów. Ta prosta zależność ma zastosowanie do tak wielu urządzeń, że wiele aspektów zachowania komponentów można łatwo wyjaśnić tą jedną równaniem. Jednak w przypadku PCB wysokiego napięcia musimy użyć innych narzędzi oprócz prawa Ohma, aby zrozumieć niektóre ważne aspekty zachowania obwodu. Wprowadź prawo Paschena i prawa Kirchhoffa, a będziesz miał wszystko, czego potrzebujesz, aby zrozumieć zasady działania PCB wysokiego napięcia.

Jednym z ważnych efektów, który występuje przy wysokim napięciu, jest prąd upływu PCB. Ten efekt jest dość prosto wyjaśniony przy użyciu prawa Ohma: jeśli istnieje różnica potencjałów między dwoma punktami na twojej płytce, prąd między tymi dwoma punktami będzie mniejszy, gdy opór jest wyższy. Gdy twoje PCB jest wprowadzone do eksploatacji, prąd upływu może zmieniać się z wielu powodów. Twoim zadaniem jako projektanta jest przewidzenie tych problemów i wybór odpowiednich materiałów, aby zminimalizować prąd upływu.

Co to jest prąd upływu PCB?

W świecie projektowania wysokonapięciowego, niezależnie od tego, czy mówimy ogólnie o PCB, czy o projektowaniu systemów wysokonapięciowych, prąd upływu wynika z różnicy potencjałów stałoprądowych między dwoma punktami. Na płytce PCB dwa przewodniki z różnicą potencjałów są oddzielone izolacyjnym podłożem, a pewna ilość prądu może przepływać przez to podłoże między tymi dwoma przewodnikami. Różnica potencjałów rzędu ~10 V jest wystarczająca, aby wytworzyć ~10 nA prądu upływu, w zależności od przewodności podłoża.

Porowatość podłoży z włókna szklanego oraz materiałów maski lutowniczej powoduje, że podczas fabrykacji absorbują one wodę, a ta absorpcja wody trwa również w czasie eksploatacji. Wilgoć może być obecna w materiale epoksydowym szklanym prepregu oraz w jakichkolwiek mikropęknięciach w podłożu przed fabrykacją. Woda i inne ciecze mogą być absorbowane podczas mokrych procesów produkcyjnych, a wilgoć może dyfundować na powierzchnię PCB podczas przechowywania.

PCB rozmieszczone w środowisku o wysokiej wilgotności będą absorbować wodę aż do nasycenia zawartości wilgoci. Substraty PCB z wyższą zawartością wilgoci będą miały wyższy prąd upływu, ponieważ woda i inne ciecze używane podczas procesów produkcyjnych PCB są polarnymi substancjami, a więc mają tendencję do wysokiej przewodności. Z czasem prąd upływu PCB na całej płycie będzie wzrastał, nawet jeśli płyta została przygotowana w środowisku wolnym od wilgoci i intensywnie odgazowana przed rozmieszczeniem. Oprócz wilgoci, na płycie mogą gromadzić się małe cząsteczki kurzu, a kurz będzie gromadził się szybciej w miejscach, gdzie pole elektryczne jest większe. Wilgoć i kurz przyczyniają się do wzrostu prądu upływu PCB z czasem. Akumulacja wilgoci i kurzu sprawia również, że powierzchnia staje się bardziej podatna na łukowanie, tj. pole przebicia jest niższe na powierzchni płyty.

Kurz może prowadzić do zwiększenia prądu upływu PCB

Duży prąd upływu między węzłami komponentu o wysokiej impedancji wejściowej może prowadzić do dość dużego spadku napięcia wejściowego widzianego przez komponent, podobnie jak spadek IR. Jako przykład, rozważmy prąd upływu PCB wynoszący 100 nA, który jest odprowadzany przez dodatnie i ujemne zaciski komponentu o impedancji wejściowej 1 MOhm - zgodnie z prawem Ohma, spowoduje to obniżenie napięcia wejściowego o 0,1 V. Należy to wziąć pod uwagę wraz z prądem upływu PCB przy określaniu kryteriów awarii dla twojej wysokonapięciowej płytki.

Prześwit, Odległość izolacyjna i Prąd Upływu

Prąd upływu może już występować przez izolacyjny substrat po prostu z powodu różnicy napięć stałych, ale prąd upływu również wzrasta po początkowym przebiciu między dwoma naładowanymi przewodnikami. W przypadku, gdy dojdzie do przebicia między dwoma przewodnikami, węgiel może gromadzić się na powierzchni PCB. Ścieżka, która tworzy się wzdłuż skarbonizowanej powierzchni, jest dość przewodząca, co zwiększa prąd upływu między dwoma punktami na płytce o wysokiej różnicy potencjałów. Ekstremalna karbonizacja, taka jak przebicie w atmosferze bogatej w węgiel lub powtarzające się zdarzenia przebicia, może skutecznie utworzyć zwarcie między dwoma punktami na płytce.

IPC 2221B to ogólna norma, która obejmuje odległości pełzania i izolacji jako funkcję napięcia, poziomu wysokości oraz powłoki. Chociaż ta norma określa te odległości jako funkcję wysokości, to rzeczywistym parametrem decydującym o polu przebicia jest ciśnienie atmosferyczne dla powietrza między przewodnikami (zgodnie z prawem Paschena). Zawartość wilgoci w powietrzu będzie również wpływać na pole przebicia, jak i na potencjalny wzrost prądu upływu w czasie. Te czynniki wpływają również na wymagania dotyczące pełzania i izolacji; systemy wysokiego napięcia powinny być generalnie zaprojektowane z nadmiarem bezpieczeństwa i w celu redukcji prądu upływu.

Jeśli twoja płyta będzie używana w wilgotnym środowisku, niemal nie ma sensu usuwanie jakiejkolwiek wilgoci z gotowej płyty, ponieważ zostanie ona po prostu ponownie zaabsorbowana przez płytę, gdy zostanie wdrożona do użytku. Istnieją pewne izolacyjne powłoki konformalne chroniące przed wilgocią, które są przeznaczone dla PCB wysokiego napięcia.

Dla płyt z problemami z kurzem lub pozostałościami, prosta procedura mycia jest wystarczająca, aby usunąć zanieczyszczenia z twojej PCB. Polega to na szczotkowaniu płyt alkoholem izopropylowym, a następnie płukaniu wodą dejonizowaną i pieczeniu płyty w temperaturze 85 °C przez kilka godzin. Nadal powinieneś być ostrożny przy użyciu rozpuszczalników na płytach z topnikami rozpuszczalnymi w wodzie; mieszanie tych materiałów może pozostawić osady soli po wysuszeniu i wypieczeniu płyty.

Nie powinieneś czyścić w ten sposób swoich PCB wysokiego napięcia...

Narzędzia CAD i funkcje trasowania w Altium Designer^® są idealne do tworzenia PCB dla dowolnej aplikacji. Te funkcje projektowe automatycznie sprawdzają układ pod kątem ważnych zasad projektowania, zapewniając, że twoja płyta spełnia ważne standardy odstępów i prześwitów, jak również standardy prądu upływu PCB. Będziesz miał również pełny zestaw funkcji dokumentacji, które pomogą ci przygotować się do produkcji i montażu.

Teraz możesz pobrać darmową wersję próbną Altium Designer i dowiedzieć się więcej o najlepszych w branży narzędziach do projektowania, symulacji i planowania produkcji. Porozmawiaj z ekspertem Altium już dziś, aby dowiedzieć się więcej.