資料介紹
作者:Bill Schweber 貿(mào)澤電子
對于經(jīng)常工作在純數(shù)字低壓領(lǐng)域的工程師來說,對于“高壓”的理解也許就是數(shù)字電路的兩到三倍電壓,可能也就是24V或者48V,或者即使是三相數(shù)字域的線電壓也就是120/240V AC。但實際上確實存在需要在1000V、1500V或更高電壓下要完成的工程設(shè)計領(lǐng)域。
這些領(lǐng)域的產(chǎn)品設(shè)計需要不同尋常的思維、元器件和互連方式,工程師通常的那套低壓產(chǎn)品下的思維已經(jīng)沒用,這些設(shè)計考量僅適用于無源組件、連接器、線路連接、MOSFET/IGBT和布局布線,也當(dāng)然適合安全和監(jiān)控方面。當(dāng)你的設(shè)計電壓可能是高壓時,這將變成一個艱難無情的世界。一些微不足道的疏忽可能會突然變成危及生命安全的事件。記住,準(zhǔn)則1就是在你做任何事情之前停下來想一想;準(zhǔn)則2就是提醒記住準(zhǔn)則1,也許還得多提醒幾次。
高壓設(shè)計的需求
鑒于如此大的風(fēng)險和挑戰(zhàn),為什么工程師還要考慮使用這些高壓?一個是工程師沒的選擇,另外是高壓設(shè)計是必需的。這種應(yīng)用大致可以分為兩類:
就工程師沒的選擇而言,例如科學(xué)、醫(yī)學(xué)的和物理儀器設(shè)備確實需要高壓,如一些專業(yè)設(shè)備X-射線機(jī)等,為了開發(fā)高強(qiáng)電子場,使原子電離,以及加速電子和其他粒子。這同樣適合真空管,其仍需要大功率放射甚至中功率微波和毫米波發(fā)射機(jī)。更常見應(yīng)用中是一個商用霓虹燈需要幾千伏電壓來電離里面的惰性氣體。注意,這些設(shè)備需要幾千伏甚至更高高壓,但是相其電流較小只有100mA左右。
圖1:許多科學(xué)實驗可能需要上萬伏電壓且低電流來激發(fā)激粒子,或控制和加速粒子運動
在高壓設(shè)計是必需的方面,工程師的設(shè)計主要考量是功耗和效率。當(dāng)電源或馬達(dá)需要產(chǎn)生大功率時,功率源都是以瓦(功率單位)來計量的,它是電壓和電流的乘積,不過電壓降低,則電流要升高,所以IR(電流x電阻)的固有損耗在導(dǎo)線、連接器、開關(guān)以及有源器件引起的效率降低、損耗和I2R熱損耗等等。
圖2:為了使得IR在電纜和連接器、電磁元件和有源器件上的損耗降到最低,電機(jī)必須設(shè)計成在極高壓下工作。
減少這些損耗的方法是提升電壓降低電流,從而減少IR損耗和 I2R發(fā)熱。舉個例子,這就是為什么電機(jī)車工作在20KV并且電力公司AC-feeder 的線可以承載100KV甚至更多。如果我們在較低電壓下操作這種設(shè)備,基本路線和其他損耗(效率成本和耗散熱量)將非常大,這是難以容忍的,與上面提到的科研、醫(yī)療和物理的儀器應(yīng)用相比,這些設(shè)備的“功率輸出”設(shè)計,除了千伏級電壓外,電流也可以達(dá)到數(shù)十或數(shù)百安培。
物理設(shè)計規(guī)則
處理高壓始于導(dǎo)體間距和相關(guān)尺寸規(guī)格。對于更高的電壓導(dǎo)體間距,其關(guān)鍵之處是爬電和間隙。
? 爬電是指電弧可能在表面劃過的距離,比如印制配線板的兩個走線之間或者橫跨IC或者集線器表面。
? 間隙是指電弧穿過空氣的最短距離,比如來自連接器或者IC管腳之間的距離。
爬電和間隙需要是峰值電壓的函數(shù);正弦波交流信號,考慮安全因素,峰值是RMS值的1.4倍。如果在任何電壓下都能滿足特定的爬電和間隙尺寸,那是非常好的,但這樣做是不可能的,因為它們的尺寸取決于許多因素:
1、是否它是一個潛在的電擊危險或只有一個功能性故障問題,
2、該領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn),不同的區(qū)域有不同的標(biāo)準(zhǔn),
3、應(yīng)用:例如科學(xué)、工業(yè)、或醫(yī)學(xué),甚至是消費類產(chǎn)品,
4、最大操作高度和濕度(干燥的空氣在海平面有閃絡(luò)評級4 kv /厘米,或10 kv /英寸),
5、在PC板和其他表面:潛在的污染程度,可能會由于各種污染;PCB材料級別;以及涂層(如果有的話)。
因此,需要特別研究確定所需的最小爬電和間隙值,如果最終產(chǎn)品需要正式批準(zhǔn)生產(chǎn)和銷售時,工程師可能還需要雇傭一個有經(jīng)驗的顧問或?qū)<摇?
移到被動元件
從事低壓設(shè)計的工程師至少需要查看下他們的無源元件的電壓等級;這些幾乎數(shù)不清的的電阻、電容和電感支持IC和分立設(shè)備。但是這些確實有最大工作電壓等級規(guī)范。超過這個電壓,組件可能工作不規(guī)范,品質(zhì)會大幅度降低,過早失效或者遭受災(zāi)難性的失效故障。
例如,一個電容也許會標(biāo)明“10uF/15V DC”,最大額定電壓應(yīng)該要標(biāo)示出來。注意,可以抵抗多久過壓取決于供應(yīng)商;也許只有幾毫秒也許可以長達(dá)幾分鐘,所以工程師必須看供應(yīng)商的定義。如果工作電壓是100V,那在電容內(nèi)層之間可能會產(chǎn)生電弧,造成短路并且破壞電容功能。
大部分工程師會把預(yù)期最大電壓基礎(chǔ)上再乘以2到3倍安全系數(shù)作為額定電壓,所以對于1-KV的直流電路工程師往往會選擇2到3kv的額定電壓。
例如,AVX SXP塑封徑向多層電容(如圖3),有各種各樣的電壓等級,最大達(dá)到了3000V。SXP4是這個系列電容中最大的,從100pf到2200pF,并且測量值是22.4x16.3x5.84mm厚,管腳間距是19.8mm(大約是標(biāo)準(zhǔn)的回形針那么長)
圖3:這個AVX SXP系列電容額定電壓3000 v,并具有略低于20毫米的引線間距。(圖片源:貿(mào)澤)(mbbeetchina)
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