用于电气系统的高压连接器
高压连接器是医疗、汽车、制造和通信领域的常见特征。与低压连接器不同,高压连接器对硬件工程师提出了相当大的挑战。客户不能承受高压设计中的错误,因为它们可能导致安全和火灾风险。
什么是高压连接器?
高压连接器是指将电流引导到某个电压限制之外的互连。IEC 将高压定义为高于 1000 VAC 或 1500 VDC 的电压。但是,纯粹按照 IEC 标准对高压连接器进行分类是错误的。
如果连接器传导对人体构成安全风险或触发电弧的电流,则该连接器被视为高压。例如,超过 50V 的电流可能会触发心率突然增加。当导体彼此靠近时,承载 120V 的连接器会产生电弧。
市面上各种形状和尺寸的高压连接器。例如,它们可用作单引脚、多引脚、串联和面板安装。一些使用高压连接器的应用在极端温度或压力等恶劣环境中运行。
高压连接器设计挑战
我们必须从与低压设计不同的角度来处理高压连接器。在更高的电压下,连接器的机械成分、操作环境和设计可能会引发以下问题。
电晕放电
当高压导体周围的空气被高度带电和电离时,就会发生电晕放电。这种现象可能发生在电压低至 300V 的情况下。电晕放电导致在高压导体和相邻引脚之间形成导电区域。
虽然电晕放电不会引起电弧放电,但它会导致绝缘体中的电介质逐渐退化。我们还需要注意连接器的几何形状,因为电晕放电在具有气隙的绝缘体中更为普遍。产品展开后,电晕放电可能会造成安全隐患。
电弧放电
当两个高电荷导体靠近放置时,电弧会立即产生影响。在高压导体中,当电应力破坏电介质的分子结构时,就会发生电弧放电。当绝缘体失效时,电流在高压导体与地之间流动并导致电火花。即使电弧没有破坏性,也可能对相邻电路 造成电磁干扰(EMI)。
高压连接器的设计注意事项
安装在 PCB 上的高压连接器
就高压连接器设计而言,火灾隐患和安全风险是真实存在的。因此,在使用高压连接器时,我们需要考虑以下设计建议。
绝缘材料
由于高压会损害绝缘体,因此我们需要选择由具有高电气强度的电介质制成的连接器。例如,聚四氟乙烯和硅橡胶更耐电击穿。此外,绝缘体不具有多孔表面以防止电晕放电也很重要。
爬电距离和间隙
爬电距离是指导体之间沿绝缘体的最短距离,而间隙是指导体与空气之间的最短路径。这两个参数对于防止电弧放电和电晕放电都很重要。选择连接器时,请确保其在指定电压下具有足够的爬电距离和电气间隙。
操作环境
空气中存在异物颗粒和水分会加剧电弧放电和电晕放电。即使我们使用的是在实验室环境中可靠工作的连接器,我们也不能假设在部署时具有相同程度的安全性。高压连接器根据其污染等级进行分类,范围从1到4。如果我们将产品部署在污染环境中,则需要使用污染等级较高的连接器,以符合UL和IEC等安全标准.
PCB布局
确保高压设计的安全性并不仅限于选择正确的连接器。在电子产品中,PCB布局成为确保电路安全性和可靠性的重要因素。以下是在 PCB 上使用高压连接器或接线端子进行设计时要遵守的一些基本规则:
· 确保高压和相邻走线之间有足够的间隙。
· 避免高压走线上有锋利的边缘,以防止产生电弧。
· 采取安全措施,例如保险丝,以防短路。
· 如果走线也承载大电流,请确保其有足够的厚度和宽度。
Cadence 提供的设计和分析工具可帮助我们在功能、安全性和可制造性之间取得平衡。我们的软件允许我们指定规则和约束,以满足电子产品中高压连接器设计的严格标准。
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