關(guān)于高壓電路設(shè)計分析介紹

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(yùn)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(fèi)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?/p>

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。