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高压电路设计，工程师的主要考量是功耗和效率资料下载
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2021-04-17
李艳
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作者：Bill Schweber 贸泽电子
对于经常工作在纯数字低压领域的工程师来说，对于“高压”的理解也许就是数字电路的两到三倍电压，可能也就是24V或者48V，或者即使是三相数字域的线电压也就是120/240V AC。但实际上确实存在需要在1000V、1500V或更高电压下要完成的工程设计领域。
这些领域的产品设计需要不同寻常的思维、元器件和互连方式，工程师通常的那套低压产品下的思维已经没用，这些设计考量仅适用于无源组件、连接器、线路连接、MOSFET/IGBT和布局布线，也当然适合安全和监控方面。当你的设计电压可能是高压时，这将变成一个艰难无情的世界。一些微不足道的疏忽可能会突然变成危及生命安全的事件。记住，准则1就是在你做任何事情之前停下来想一想；准则2就是提醒记住准则1，也许还得多提醒几次。
高压设计的需求
鉴于如此大的风险和挑战，为什么工程师还要考虑使用这些高压？一个是工程师没的选择，另外是高压设计是必需的。这种应用大致可以分为两类：
就工程师没的选择而言，例如科学、医学的和物理仪器设备确实需要高压，如一些专业设备X-射线机等，为了开发高强电子场，使原子电离，以及加速电子和其他粒子。这同样适合真空管，其仍需要大功率放射甚至中功率微波和毫米波发射机。更常见应用中是一个商用霓虹灯需要几千伏电压来电离里面的惰性气体。注意，这些设备需要几千伏甚至更高高压，但是相其电流较小只有100mA左右。
图1：许多科学实验可能需要上万伏电压且低电流来激发激粒子，或控制和加速粒子运动
在高压设计是必需的方面，工程师的设计主要考量是功耗和效率。当电源或马达需要产生大功率时，功率源都是以瓦（功率单位）来计量的，它是电压和电流的乘积，不过电压降低，则电流要升高，所以IR(电流x电阻)的固有损耗在导线、连接器、开关以及有源器件引起的效率降低、损耗和I2R热损耗等等。
图2：为了使得IR在电缆和连接器、电磁元件和有源器件上的损耗降到最低，电机必须设计成在极高压下工作。
减少这些损耗的方法是提升电压降低电流，从而减少IR损耗和 I2R发热。举个例子，这就是为什么电机车工作在20KV并且电力公司AC-feeder 的线可以承载100KV甚至更多。如果我们在较低电压下操作这种设备，基本路线和其他损耗（效率成本和耗散热量）将非常大，这是难以容忍的，与上面提到的科研、医疗和物理的仪器应用相比，这些设备的“功率输出”设计，除了千伏级电压外，电流也可以达到数十或数百安培。
物理设计规则
处理高压始于导体间距和相关尺寸规格。对于更高的电压导体间距，其关键之处是爬电和间隙。
• 爬电是指电弧可能在表面划过的距离，比如印制配线板的两个走线之间或者横跨IC或者集线器表面。
• 间隙是指电弧穿过空气的最短距离，比如来自连接器或者IC管脚之间的距离。
爬电和间隙需要是峰值电压的函数；正弦波交流信号，考虑安全因素，峰值是RMS值的1.4倍。如果在任何电压下都能满足特定的爬电和间隙尺寸，那是非常好的，但这样做是不可能的，因为它们的尺寸取决于许多因素：
1、是否它是一个潜在的电击危险或只有一个功能性故障问题,
2、该领域的标准，不同的区域有不同的标准,
3、应用：例如科学、工业、或医学，甚至是消费类产品,
4、最大操作高度和湿度(干燥的空气在海平面有闪络评级4 kv /厘米,或10 kv /英寸),
5、在PC板和其他表面：潜在的污染程度，可能会由于各种污染；PCB材料级别；以及涂层(如果有的话)。
因此，需要特别研究确定所需的最小爬电和间隙值，如果最终产品需要正式批准生产和销售时，工程师可能还需要雇佣一个有经验的顾问或专家。
移到被动元件
从事低压设计的工程师至少需要查看下他们的无源元件的电压等级；这些几乎数不清的的电阻、电容和电感支持IC和分立设备。但是这些确实有最大工作电压等级规范。超过这个电压，组件可能工作不规范，品质会大幅度降低，过早失效或者遭受灾难性的失效故障。
例如，一个电容也许会标明“10uF/15V DC”，最大额定电压应该要标示出来。注意，可以抵抗多久过压取决于供应商；也许只有几毫秒也许可以长达几分钟，所以工程师必须看供应商的定义。如果工作电压是100V，那在电容内层之间可能会产生电弧，造成短路并且破坏电容功能。
大部分工程师会把预期最大电压基础上再乘以2到3倍安全系数作为额定电压，所以对于1-KV的直流电路工程师往往会选择2到3kv的额定电压。
例如，AVX SXP塑封径向多层电容（如图3），有各种各样的电压等级，最大达到了3000V。SXP4是这个系列电容中最大的，从100pf到2200pF，并且测量值是22.4x16.3x5.84mm厚，管脚间距是19.8mm（大约是标准的回形针那么长）
图3：这个AVX SXP系列电容额定电压3000 v,并具有略低于20毫米的引线间距。（图片源：贸泽）(mbbeetchina)
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