La conception d'un circuit imprimé haute tension ne se limite pas à la mise à l'échelle d'un circuit imprimé standard. Elle nécessite des considérations essentielles pour prévenir les arcs électriques, garantir la sécurité et maintenir les performances à long terme.
Cet article explorera comment optimiser la conception de circuits imprimés haute tension pour la sécurité et la fiabilité, de la distance de dégagement haute tension, de l'espacement des pistes de circuits imprimés à l'isolation, et plus encore.
Qu'est-ce qu'un PCB haute tension ?
Le PCB haute tension est un circuit imprimé spécialement conçu pour résister à une haute tension, qui convient généralement aux applications où la tension est beaucoup plus élevée que celle des circuits imprimés standard, comme des tensions allant de plusieurs centaines de volts à plusieurs milliers de volts.
Par rapport aux circuits imprimés classiques pour signaux numériques ou analogiques basse tension, les circuits imprimés haute tension doivent être conçus en mettant l'accent sur la manière d'empêcher la panne électrique des couches isolantes, d'éviter la formation d'arcs dans l'air et de garantir un espace suffisant entre les éléments conducteurs.
Par conséquent, dans la conception de circuits imprimés haute tension, des considérations clés telles que la sélection des matériaux isolants, le réglage de la distance de dégagement haute tension, la disposition raisonnable de l'espacement des traces de circuits imprimés et la mise en œuvre de méthodes d'isolation structurelle sont très importantes pour garantir la sécurité et la fiabilité.
Applications courantes des circuits imprimés haute tension
PCB haute tension sont couramment utilisés dans les équipements qui nécessitent une gestion de haute tension et fonctionnent dans des environnements complexes, tels que :
• Alimentations et convertisseurs de puissance:
Ces appareils sont utilisés pour convertir les niveaux de tension, par exemple du courant alternatif au courant continu ou de la basse tension à la haute tension.
• Systèmes de véhicules électriques:
Dans les véhicules électriques, des composants tels que les moteurs, les systèmes de gestion de batterie (BMS) et les systèmes de charge impliquent la transmission et le contrôle de courants haute tension.
• Équipements d'automatisation industrielle:
Les équipements tels que les grosses machines, les bras robotisés, les onduleurs et les systèmes de contrôle de moteurs traitent souvent des signaux ou des charges de haute puissance et de haute tension.
• Dispositifs médicaux (tels que les défibrillateurs):
Certains appareils médicaux doivent délivrer une décharge soudaine de haute tension : les défibrillateurs, par exemple, peuvent générer des tensions de choc de plusieurs milliers de volts.
• Systèmes aérospatiaux et de défense:
Ces systèmes fonctionnent dans des environnements extrêmes, tels que des altitudes élevées, une basse pression et une humidité élevée, nécessitant des circuits imprimés dotés d'une stabilité et d'une sécurité exceptionnelles.
Dans toutes les applications mentionnées ci-dessus, l'absence d'une conception fiable de circuit imprimé haute tension pour la prévention des arcs électriques peut entraîner une défaillance du circuit, des arcs électriques, voire des blessures. Par conséquent, la conception doit se concentrer sur l'isolation, l'espacement, les matériaux et d'autres facteurs afin de garantir un fonctionnement sûr, stable et durable de l'équipement dans un environnement haute pression.
Considérations clés en matière de conception pour les circuits imprimés haute tension
Si vous concevez un circuit imprimé devant fonctionner dans un environnement haute tension, vous ne pouvez pas le dessiner comme un circuit imprimé classique. Une tension élevée peut facilement provoquer des étincelles, des fuites de courant, voire griller le circuit. Il est donc essentiel d'être particulièrement vigilant lors de la conception. Les points suivants doivent faire l'objet d'une attention particulière :
1. Ligne de fuite et distance de sécurité
Ces deux termes semblent techniques, mais ils sont en fait faciles à comprendre :
• Autorisation: Il s'agit de la distance la plus courte « dans l'air » entre deux pièces métalliques sous tension. Si elles sont trop proches, la haute tension peut briser l'air et provoquer une étincelle (arc).
• Ligne de fuite: Il s'agit du chemin le plus court par lequel le courant peut « se déplacer » le long de la surface du circuit imprimé. Si la surface est poussiéreuse, humide ou sale, le risque de fuite d'électricité est encore plus élevé.
Lors de la conception, assurez-vous donc de laisser une distance suffisante entre les pièces sous tension. Si elles sont trop proches, le courant risque de « sauter dans l'air » ou de ramper sur la surface de la carte.
2. Sélection des matériaux
Lorsque la tension devient élevée, vous ne pouvez pas utiliser n’importe quel matériau.
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Les matériaux PCB courants comme le FR4 conviennent à une utilisation régulière, mais ils peuvent ne pas être suffisamment sûrs pour les situations de haute tension.
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Il est préférable d'utiliser des matériaux offrant une isolation plus solide, comme le polyimide haute température ou les matériaux à base de céramique. Ces matériaux sont beaucoup plus difficiles à traverser par la tension.
En termes simples : l’utilisation du bon matériau empêche la tension de « passer ».
3. Techniques d'isolation
Outre le fait de séparer les pièces et de choisir de bons matériaux, il existe d’autres moyens d’améliorer l’isolation :
• Revêtement conforme:Vaporisez une couche protectrice sur la surface de la carte pour empêcher l'humidité, la poussière et la corrosion de pénétrer.
• Enrobage ou encapsulation:Remplissez toute la carte ou les zones clés avec de la colle ou de la résine afin que le courant n'ait nulle part où aller.
• Fentes d'isolement:Couper des rainures dans la carte pour séparer physiquement les zones à haute tension du reste, forçant le courant à emprunter un chemin plus long et plus sûr.
Ces astuces aident à « verrouiller » la tension afin qu’elle ne puisse pas fuir ou sauter.
4. Épaisseur et espacement des planches
• Épaisseur du panneau:Plus la carte est épaisse, mieux elle peut résister aux pannes dues à une haute tension.
• Espacement des traces: L'espace entre les lignes de cuivre doit être suffisamment large. Si les traces sont trop proches, une haute tension risque de les traverser.
En règle générale, il faut laisser un espacement d'au moins 2.5 mm pour chaque 1000 3000 volts. Ainsi, pour 7.5 XNUMX volts, il faut au moins XNUMX mm.
Cela peut rendre votre planche plus grande, mais cela en vaut la peine pour la sécurité.
5. Finition de surface et protection des vias
• Pour la surface de la carte, utilisez une finition de haute qualité comme l'ENIG (Electroless Nickel Immersion Gold). Elle prévient l'oxydation et améliore la conductivité, ce qui est idéal pour les cartes haute tension.
• Pour les petits trous sur la carte (appelés vias), ne les laissez pas exposés. Couvrez-les ou bouchez-les pour éviter qu'ils ne deviennent des passages d'arcs électriques.
Conclusion
La conception d'un PCB haute tension se résume essentiellement à une idée simple :
Faites en sorte que le courant suive le chemin qu'il est censé suivre et ne le laissez pas sauter, former un arc ou fuir.
Pour ce faire, il est essentiel de choisir les bons matériaux, de prévoir suffisamment d'espace pour les composants, d'appliquer une isolation adéquate, d'utiliser des cartes plus épaisses et de prêter attention aux détails. Si vous maîtrisez tous ces aspects clés, votre circuit imprimé haute tension fonctionnera de manière sûre et fiable pendant longtemps.
Si vous concevez des produits, gérez des achats ou débutez dans l'industrie des PCB, voici les principes de sécurité les plus élémentaires mais essentiels que vous devez comprendre.
