高電圧プリント基板技術 について，壁掛け充電器やコンピュータの電源など、特定のアプリケーションでは、入力エネルギーは壁のコンセントから取られますが、これは通常220Vです。これは、PCBにとって通常よりも高い電圧と考えられ、しばしば、高電圧ラインを持つ基板を設計する際には、特別な配慮が必要となります。
この記事では、高電圧プリント基板について知っておくべきことをすべて紹介します。
1、高電圧プリント基板とそれについて知っておくべきこと
1.1 高電圧プリント基板とは？
要するに、通常のレール電圧よりもはるかに高い電圧で動作するPCBは、中電圧または高電圧PCBと呼ぶことができます。主電源、インバータ、EV充電器などの基板がこれに該当します。
どの基板が高電圧とみなされるかについて、決まった数字はありません。しかし、経験則としては、100Vのように考えることができ、それを超えると特別な設計ルールを考慮する必要があります。
図1：主電源電圧スイッチモード電源装置
1.2 高電圧プリント基板技術 – 誘電体の強度
材料の絶縁耐力とは、その材料が絶縁性を失うことなく耐えられる最大の電界のことです。
通常、ほとんどのプリント基板ではFR4が該当します。
そのため、最初に確認すべき重要なことは、PCB材料の絶縁耐力です。
FR4の定格は300mil/milですが、IPC規格では80Vで3.9milの間隔を推奨しています。
そのため、IPC規格に従うように余裕を持たせるのが賢明です。
1.3 沿面距離
沿面距離とは、固体の絶縁材料の表面に沿った2つの導電性部品間の最短距離のことです。
沿面距離を決定する主な根拠は、2つの導線にかかる長期電圧です。時間が経つと、基板上に汚染が生じる可能性があるため、余裕を持っておくのが賢明です。
ほとんどの部品やレイアウトに対する沿面距離の推奨値は、通常、データシートに記載されています。沿面距離は、高電圧プリント基板の重要なパラメータの1つです。
1.4 クリアランス
クリアランスとは、2つの導電性部品間の空気中の最短距離のことです。クリアランスは、空気の誘電率によって決まります。通常、空気は 1mm あたり約 3KV で破壊されます。しかし、湿気や汚染のある環境では、この値はもっと低くなります。IPC規格では、デザインタイプによって異なるクリアランス距離を規定しています。
ほとんどの部品はすでに準拠しており、十分に高いピンピッチのパッケージに収められています。
例えば、600V定格のMosfetは、通常、TO-220またはTO-247のパッケージに入っています。
沿面・クリアランスの詳細については、こちらをご覧ください。
1.5 ソルダーマスク
ソルダーマスクは、ある程度、絶縁体としても機能します。そのため、ピンピッチが非常に狭く、ピン間の電圧が高い基板の場合には注意が必要です。微細なピッチのPCBの間にソルダーマスクを適用できるメーカーを選ぶことが重要です。
画像2：黒のソルダーマスクを使用したPCB
2、高電圧プリント基板の設計手法
2.1 配線処理
高電圧プリント基板のトレースを配線する際には、以下の点に注意してください。
1.高電圧差のあるトレース間のクリアランスを確保すること。
2.電界が集中する場所であるため、急峻なカーブやエッジを避けてください。
3.基板の内層に高電圧のトレースを走らせない。
図3：通常よりも大きなプレーンクリアランスを持つプリント基板
2.2 ポリゴンプレーン
すべての高電圧プリント基板では、ポリゴンプレーンのクリアランスを安全な値まで大きくして、基板の特定の部分に使用する必要があります。
例えば、基板のエッジコネクタに向かって600Vの電圧を流すトレースがある場合、そのトレースの近くにはポリゴンを流さない設計にすることが多いです。
また、多層基板の内部プレーンは、非常に高い電圧がかかっていたり、非常に小さい間隔であったりしてはいけません。
2.3 内部レイヤー
すべての層に中電圧をかけて多層化することは可能です。大きな考慮点は、層間のスペースを適切に埋めることです。充填媒体であるプリプレグの完全性を維持するために、層間の分離の厚さは少なくとも0.005インチでなければならない。空洞やポケットがあると、誘電体の値が著しく低下します。
標準的なプリプレグFR4タイプのマルチレイヤーは、中電圧や高電圧の作業には適していません。この材料は分解が早く、内部構造が均質ではありません。過剰なマイクロボイドは誘電率を低下させ、その結果、性能が低下してしまいます。
2.4 EMIに関する注意事項
高電圧プリント基板は、広い範囲で妨害電波を発することで有名です。
これらを最小限に抑えるために最も重要なことは、ループ領域を小さくし、可能な限りグランドプレーンへのビアスティッチを広くとることです。
また、高電圧部品をポッティングした後、金属シートでシールドすることも可能です。
画像4：船上での豊富なスティッチング回数
3、部品の選定
3.1 高周波トランス
ほとんどの高電圧基板では、スイッチモード回路と高電圧を発生させるためのトランスが使用されています。このような場合、トランスのコアの絶縁レベルを遵守する必要があります。
プリント基板のレイアウトについては、グランドプレーンが一次側と二次側で分離していることが理想的です。一次側と二次側の間には、基板上のカットアウトで大きなアイソレーションギャップを設ける必要があります。
3.2 モスフェット／トランジスタ／スイッチ
ほとんどの場合、高電圧デバイスは、ピッチ間の高電圧に耐えるように定格された正しいパッケージで提供されます。
しかし、高電圧が発生することがわかっている場合は、ピンピッチの大きなデバイスを選ぶのがよいでしょう。例えば、スペースに制約がなければ、TO-220ではなくTO-247を選択するのが一般的な例です。同様の例は、SMDデバイスにも適用できます。
イメージ5：各種パッケージのトランジスタ
3.3 受動部品
受動部品を選ぶ際には、許容できる電圧に直接依存する部品サイズが重要です。例えば、SMD抵抗器の間に300Vの電圧がかかっているとします。その場合、0402ではなく1206のようなパッケージを選択する方がはるかに良いでしょう。また、このような部品を複数個直列に配置して、電圧ストレスを軽減することもしばしば必要となります。
4、基板の特徴
4.1 アイソレーションスロットとカットアウト
ほとんどの高電圧基板では、高電圧がかかる基板部分の近くに絶縁スロットや基板カットアウトが必要となる。
充電器や電源などの多くの民生機器では、一定の安全基準を満たすために、これらのスロットや基板の切り欠きが必須となっている。これらの機能は、安全性をさらに高めるものであり、高湿度の環境や汚染の可能性がある場合に役立ちます。
アイソレーションスロットやカットアウトは、通常、基板の機械的な層に設ける必要があります。
4.2 基板の材質
標準的なFR-4は、絶縁耐力が低いため、高電圧基板には適していません。
コストに制約がない場合には、より高い誘電率を持つ基板材料を使用することをお勧めします。高電圧定格の材料には次のようなものがあります。
1.BTエポキシ
2.ポリイミド
3.イソラ
4.3 基板の仕上げ
高電圧プリント基板に関して、最も見落とされている重要な要素は、基板の仕上げです。これには主に、パッドや露出したトレースの表面仕上げが含まれます。主に、完成した基板は、凹凸のない滑らかな仕上げで、表面全体が均一でなければなりません。
高電圧パッド上に尖った部分などの欠陥があると、高電界領域が発生し、アーク放電の原因となります。
5、当社のPCBが提供するもの
短納期
2層基板の場合は24時間、4層基板の場合は48時間という超短納期を実現しています。これは、プロトタイプ基板を迅速にテストするエンジニアリングチームにとって最も重要な要素の1つです。
豊富なオプション
ボード製造のために、OurPCBは異なるパラメータの幅広い選択を持っています。それはあなたが使用したいPCB材料の種類、表面仕上げと一緒にあなたのボードのためのユニークな識別子を追加するためのオプションが含まれています。
OurPCBはまた、最大32層のボードを製造することができます。
オンライン見積システム
最後に、OurPCB はまた自動的にあなたの Gerber ファイルをアップロードし、必要なデータを入力した後あなたの PCB の価格を計算するオンライン引用システムを持っています。
6、おわりに
高電圧プリント基板は、基板のレイアウトと製造の両方の段階で精密さが求められるものです。高圧のルールと一般的な慣習にすべて従えば、長い間使えるボードを手に入れることは簡単に手が届きます。
OurPCBは、価格と品質の完璧なバランスを提供し、高圧基板に適しているかもしれない様々な製造オプションを提供しています。
詳細については、OurPCBのウェブサイトからお問い合わせください。
