Diseñar una PCB de alto voltaje no se trata solo de ampliar una PCB estándar. Requiere consideraciones críticas para prevenir arcos eléctricos, garantizar la seguridad y mantener un rendimiento a largo plazo.
Este artículo explorará cómo optimizar el diseño de PCB de alto voltaje para lograr seguridad y confiabilidad, desde la distancia de separación de alto voltaje, el espaciado de pistas de PCB hasta el aislamiento y más.
¿Qué es una PCB de alto voltaje?
La PCB de alto voltaje es una placa de circuito impreso especialmente diseñada para soportar alto voltaje, lo que suele ser adecuado para aplicaciones donde el voltaje es mucho más alto que el de las placas de circuito estándar, como voltajes que van desde varios cientos de voltios a varios miles de voltios.
En comparación con las PCB normales para señales analógicas o digitales de bajo voltaje, las PCB de alto voltaje deben diseñarse centrándose en cómo prevenir la ruptura eléctrica de las capas de aislamiento, cómo evitar la formación de arcos eléctricos en el aire y cómo garantizar que haya suficiente espacio libre entre los elementos conductores.
Por lo tanto, en el diseño de PCB de alto voltaje, consideraciones clave como la selección de materiales de aislamiento, la configuración de la distancia de separación de alto voltaje, la disposición razonable del espaciado de las pistas de PCB y la implementación de métodos de aislamiento estructural son muy importantes para garantizar la seguridad y la confiabilidad.
Aplicaciones comunes de las PCB de alto voltaje
PCB de alto voltaje Se utilizan comúnmente en equipos que requieren manejo de alto voltaje y operan en entornos complejos, como:
• Fuentes de alimentación y convertidores de potencia:
Estos dispositivos se utilizan para convertir niveles de voltaje, como de CA a CC o de bajo voltaje a alto voltaje.
• Sistemas de vehículos eléctricos:
En los vehículos eléctricos, componentes como los motores, los sistemas de gestión de baterías (BMS) y los sistemas de carga implican la transmisión y el control de corrientes de alto voltaje.
• Equipos de automatización industrial:
Los equipos como maquinaria de gran tamaño, brazos robóticos, inversores y sistemas de control de motores a menudo manejan señales o cargas de alta potencia y alto voltaje.
• Dispositivos médicos (como desfibriladores):
Algunos dispositivos médicos necesitan liberar una ráfaga repentina de alto voltaje: los desfibriladores, por ejemplo, pueden generar voltajes de descarga de miles de voltios.
• Sistemas aeroespaciales y de defensa:
Estos sistemas operan en entornos extremos, como grandes altitudes, baja presión y alta humedad, lo que requiere placas de circuito con una estabilidad y seguridad excepcionales.
En todas las aplicaciones mencionadas, sin un diseño confiable de PCB de alto voltaje para la prevención de arcos eléctricos, se pueden producir fallas en el circuito, arcos eléctricos o incluso lesiones personales. Por lo tanto, la etapa de diseño debe centrarse en el aislamiento, el espaciado, los materiales y otros factores para garantizar el funcionamiento seguro, estable y duradero del equipo en entornos de alta presión.
Consideraciones clave de diseño para PCB de alto voltaje
Si diseña una placa de circuito impreso que necesita funcionar en un entorno de alto voltaje, no puede dibujarla como una PCB normal. Cuando el voltaje es alto, es fácil que se produzcan chispas, fugas de corriente o incluso que el circuito se queme. Por lo tanto, debe ser extremadamente cuidadoso durante el proceso de diseño. Preste especial atención a las siguientes áreas:
1. Distancia de fuga y de espacio libre
Estos dos términos suenan técnicos, pero en realidad son fáciles de entender:
• AutorizaciónEsta es la distancia más corta "a través del aire" entre dos piezas metálicas bajo tensión. Si están demasiado cerca, el alto voltaje puede descomponer el aire y provocar una chispa (arco).
• Distancia de fugaEste es el camino más corto por el que la corriente podría circular por la superficie de la PCB. Si la superficie está polvorienta, húmeda o sucia, es aún más probable que se produzca una fuga de electricidad.
Así que, al diseñar, asegúrate de que haya suficiente distancia entre las piezas con corriente. Si están demasiado cerca, la corriente podría "saltar por el aire" o arrastrarse por la superficie de la placa.
2. Selección de materiales
Cuando el voltaje es alto, no se puede utilizar cualquier material.
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Los materiales de PCB comunes como FR4 son adecuados para el uso regular, pero pueden no ser lo suficientemente seguros para situaciones de alto voltaje.
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Es mejor usar materiales con un aislamiento más resistente, como poliimida de alta temperatura o materiales cerámicos. Estos son mucho más difíciles de atravesar por el voltaje.
En términos simples: usar el material correcto evita que el voltaje se “atraviese”.
3. Técnicas de aislamiento
Además de mantener las piezas separadas y elegir buenos materiales, existen formas adicionales de mejorar el aislamiento:
• Recubrimiento conformado:Rocíe una capa protectora sobre la superficie del tablero para evitar la humedad, el polvo y la corrosión.
• Encapsulamiento o encapsulamiento:Llene todo el tablero o las áreas clave con pegamento o resina para que la corriente no tenga dónde ir.
• Ranuras de aislamiento:Corte ranuras en la placa para separar físicamente las áreas de alto voltaje del resto, forzando a la corriente a tomar un camino más largo y seguro.
Estos trucos ayudan a “fijar” el voltaje para que no pueda tener fugas ni saltos.
4. Grosor y espaciado de las tablas
• Espesor del tablero:Cuanto más gruesa sea la placa, mejor resistirá las roturas causadas por un alto voltaje.
• Espaciado de trazasEl espacio entre las líneas de cobre debe ser lo suficientemente amplio. Si las pistas están demasiado cerca, podría sobrepasarlas el alto voltaje.
Una regla general es dejar al menos 2.5 mm de espacio por cada 1000 voltios. Por lo tanto, para 3000 voltios, se necesitarían al menos 7.5 mm.
Esto puede hacer que tu tabla sea más grande, pero vale la pena por la seguridad.
5. Acabado superficial y protección de vías
• Para la superficie de la placa, utilice un acabado de alta calidad como ENIG (Níquel Electrolítico Inmersión en Oro). Este previene la oxidación y mejora la conductividad, ideal para placas de alto voltaje.
• No deje los pequeños orificios de la placa (llamados vías) expuestos. Tápelos o rellénelos para que no se conviertan en vías de arco eléctrico.
Conclusión
El diseño de una PCB de alto voltaje se reduce básicamente a una idea simple:
Haga que la corriente siga el camino correcto y no permita que salte, forme un arco o tenga fugas.
Para ello, es necesario elegir los materiales adecuados, dejar suficiente espacio entre las piezas, aplicar un aislamiento adecuado, usar placas más gruesas y prestar atención a los detalles. Si se gestionan correctamente todos estos aspectos clave, la PCB de alto voltaje podrá funcionar de forma segura y fiable durante mucho tiempo.
Si está diseñando un producto, manejando adquisiciones o recién comenzando en la industria de PCB, estos son los principios de seguridad más básicos pero esenciales que debe comprender.
