在高压PCB设计中，开关电源PCB设计中要注意电气间隙和爬电距离，距离不够会引起漏电。 通用标准（不同行业有区别，如灯具，电动车等），需要经过认证的产品：按照标准查表设计 GB4943.1对应EC60950.1(IEC62368-1)，GB/T16935.1-2008对应IEC60664.1 IPC-2221 电气间隙和爬电距离在PCB的设计中，影响电气性能，安全和可靠性 电气间隙和爬电距离与电压，绝缘材料（介电常数，耐电弧性能），温湿度，污染，导电有关。 电气间隙 爬电地址 根据IEC60950标准定义 定义 通过空气测量两个导电对象之间或导电部件和设备边界表面之间的最短路径空气间隙 通过沿着绝缘材料表面测量两个导电物体之间的最短路径爬电距离 不足的解决办法 开槽1mm问题 电气间隙不够，开槽不一定能解决电气间隙问题 大于1mm的开槽能增加表面爬电距离不能增加电气间隙 电气间隙不足解决方案 1通过绝缘材料并且在可能的情况下通过双侧搭建实现间隔； 2高低电压隔离，顶部放置高电压，底部放置低电压。 爬电距离稀疏的解决方案 a图表示多层表面，电爬距离是在节点之间PCB表面上测量； b图表示V形槽可以增加节点之间的表面距离，增加的长度仅沿沿岸测量其减少到1mm宽度的点； c图表示多层，进一步可以增加表面距离，但宽度必须为1mm或更大，加工成本更贵； d图表示在PCB上直接开，槽大于1mm的槽们可以藏家表面距离，简单实用。 电子钯及PCB电气隔离距离参考 变压器内部的电气隔离距离参考 变压器内部的电气隔离距离是指变压器挡墙的宽度的总和，如果变压器挡墙的宽度为3mm，那么变压器的电气隔离距离等于6mm（变压器挡墙的宽度相同）。如果变压器没有墙，那么变压器的隔离距离就等于所用胶纸的厚度。另外，对于AC-DC电源，变压器初、间结构应用三层胶纸隔离，DC-DC电源，只可用二层胶纸隔离。以下数值未包括裕量： 注：变压器的引脚如果没有套上绝缘套管，那么在引脚处的隔离距离也可能绕过胶纸加护墙的厚度，所以变压器的引脚需要套上绝缘套管且套管要穿越挡墙。 保险丝前面L、N线之间的电气间隙=2.0mm。 保险丝后面L、N线之间的电气间隙=1.5mm。 220V电气间隙和爬升电距离结论 电气间隙>2mm 爬电距离>2.5mm 如果遇到无法满足爬电距离的位置，开>1mm槽满足设计需求，防止漏电。
MLCC——多层片式陶瓷电容器，简称贴片电容，会引起噪声啸叫问题…… 声音源于物体振动，振动频率为20Hz~20 kHz的声波能被人耳识别。 MLCC发出啸叫声音，即是说，MLCC在电压作用下发生幅度较大的振动（微观的较大，小于1nm）。 MLCC为什么会振动？ 我们要先了解一种自然现象——电致伸缩。 在外电场作用下，所有的物质都会产生伸缩形变——电致伸缩。 对于某些高介电常数的铁电材料，电致伸缩效应剧烈，称为——压电效应。 压电效应包括正压电效应和逆压电效应 正压电效应 对具有压电特性的介质材料施加机械压力，介质晶体会发生结构重组排布，材料表面会感应出电荷，产生电位差。 逆压电效应 对具有压电特性的介质材料施加电压，则产生机械应力，发生形变。 压电效应的学术定义： “在没有对称中心的晶体上施加压力、张力和切向力时，则发生与应力成比例的介质极化，同时在晶体两端面将出现正、负电荷，这一现象称为正压电效应。反之在晶体上施加电场而引起极化，则产生与电场强度成比例的变形或机械应力，这一现象称为逆压电效应。这两种正、逆压电效应统称为压电效应。” 陶瓷介质是MLCC主要组成部分，电压作用下，电致伸缩不可避免。如电致伸缩强烈表现为压电效应，则会产生振动。 所有MLCC都会啸叫吗？ MLCC设计制造陶瓷介质材料主要有顺电介质和铁电介质两大类。 顺电介质 又称I类介质，主要有SrZrO3、MgTiO3等。 顺电介质电致伸缩形变很小，在工作电压下，不足以产生噪声。 所以，顺电介质(I类介质)材料做的MLCC，如NPO（COG）等温度稳定性产品，就不会产生噪声啸叫。 铁电介质 又称II类介质，主要BaTiO3、BaSrTiO3等。 铁电介质具有强烈的电致伸缩特性—压电效应。 因此，铁电介质（II类介质）做的MLCC，如X7R/X5R特性产品，在较大的交流电场强度作用下会产生明显的噪声啸叫。 如上所示，X7R-MLCC两端加上大幅度变化电压后，BaTiO3陶瓷产生逆压电效应，MLCC形变振动并传递到PCB板上发生共振。 当电压信号的频率在20Hz~20kHz人耳听觉范围内，则能听到电容在啸叫。 哪些场合MLCC啸叫明显? 较大的交变电压，频率在20Hz到20kHz之间，使用X7R/X5R类中高容量MLCC，会产生明显的啸叫，如开关电源、高频电源等场合。 啸叫的危害 许多移动电子设备靠近人耳，如：笔记本电脑、平板电脑、智能手机等，如电子电路中有可听噪声会影响使用感受。 剧烈的啸叫除了令人生厌外，还可能存在着可靠性设计不足的隐患。 剧烈的啸叫源于剧烈的振动，振动幅度由压电效应程度决定。 压电效应与电场强度成正比，外加电压不变，介质越薄，压电效应越强，啸叫声音越大。 额定电压由MLCC的材质和介质厚度决定的，剧烈的啸叫表示对当前工作电压所选用的MLCC介质厚度过薄，应当考虑选用介质更厚，额定电压更高的MLCC。 对铁电陶瓷，在交变电场作用下，还存在铁电畴交替转向内摩擦方面的问题，交变场强大，内摩擦严重，失效机率上升。这可在啸叫声音的大小上反映出来的。 解决啸叫的对策 降低MLCC电容器产生的可听噪声的方法有很多，所有解决方案都会增加成本。 1、改变电容器类型是最直接的方法，用顺电陶瓷电容、钽电容和薄膜电容等不具有压电效应的电容器替代。但需要考虑体积空间、可靠性和成本等问题。 2、调整电路，将加在MLCC大的交变电压消除或者将其频率移出人耳听感频段 (人耳最敏感音频为1KHz~3KHz)。 3、注意PCB布局、PCB板规格，帮助降低啸叫水平。 4、选用无噪声或低噪声的MLCC。 无噪/低噪声MLCC的设计 目前针对MLCC的啸叫现象，设计解决措施有三种。 （1）加厚底部保护层 由于保护层厚度部分是没有内电极的，这部分的BaTiO3陶瓷不会发生形变，当两端的焊锡高度不超过底保护层厚度，这时产生的形变对PCB影响要小，有效地降低噪声。 （2）附加金属支架结构 结构图如下，它采用金属支架把MLCC芯片架空。 MLCC与PCB板隔空，把逆压电效应产生形变通过金属支架弹性缓冲，减少对PCB板的作用，有效的降低噪声。 （3）使用压电效应弱的介质材料设计制造 通过对钛酸钡（BaTiO3）进一步掺杂牺牲一定的介电常数和温度特性，得到压电效应大大减弱的介质材料，用其制造的MLCC可有效的降低噪声。 各大MLCC厂家，都有相应低噪材质的MLCC产品系列。
许多运动控制应用都采用永磁直流电机。因为与交流电机相比，直流电机的控制系统更容易实现。因此，在需要控制速度、扭矩或位置时，通常都采用直流电机。 常用的直流电机有两种：有刷电机和无刷电机（或称BLDC电机）。顾名思义，有刷直流电机带有电刷，电刷可以使电机换向并旋转；而无刷电机则用电子控制取代了机械换向功能。 很多应用都是既可以使用有刷直流电机，也可以使用无刷直流电机。两种类型的电机基于相同的线圈和永磁体吸引与排斥原理，二者都具有各自的优缺点，可以根据应用需求进行具体选择。 直流电机使用绕线线圈来产生磁场。在有刷电机中，线圈可以自由旋转从而驱动轴，它们被称为“转子“。通常，线圈缠绕在铁芯上，当然也有“无芯“有刷电机，其绕组是自支撑的。 电机的固定部分称为“定子“。用于提供固定磁场的永磁体通常位于定子的内表面和转子的外部。 为了产生使转子旋转的扭矩，转子的磁场需要持续旋转，以使其磁场吸引并排斥定子的固定磁场。通常采用滑动式电子开关来使磁场旋转。该开关由换向器和固定电刷组成，换向器通常是安装在转子上的分片触点，而固定电刷则安装在定子上 随着转子的转动，换向器不断地接通和断开不同的转子绕组，导致转子线圈不断被定子的固定磁体吸引和排斥，从而使转子旋转。 有刷电机的电刷和换向器之间存在机械摩擦，而且由于是电触点，通常无法润滑。因此电刷和换向器在电机的整个寿命周期内都存在机械磨损，并最终将导致电机无法工作。不过许多有刷电机（尤其是大型有刷电机）都有可更换的电刷，其电刷通常由碳制成，在磨损后也可保持良好的接触，这些电机都需要定期维护。但即使有可更换的电刷，换向器最终也会磨损到必须更换电机的程度。 要驱动有刷电机，需要在电刷两端施加直流电压，使电流流经转子绕组从而旋转电机。 如果一个有刷电机在应用中只需要向一个方向旋转，也无需控制速度或扭矩，则完全不需要驱动电子设备。在这类应用中，只需打开和关闭直流电压即可使电机运行或停止。这在电动玩具等低成本应用中很常见。如果需要反向旋转，则可以通过双极开关来实现。 如果需要控制速度、扭矩和方向，则采用由电子开关（晶体管、IGBT或MOSFET）组成的“ H桥”来驱动电机向任一方向旋转。施加到电机上的电压可以是任一极性，它使电机沿不同方向旋转。而通过调制开关脉冲的宽度可以控制电机的速度或扭矩。 无刷直流电机 无刷直流电机与有刷电机的磁吸和排斥原理相同，但结构略有不同。与有刷电机的机械换向器和电刷不同，无刷电机通过电子换向器实现定子的磁场旋转，而这需要使用主动控制电子设备。 I在无刷电机中，转子上附有永磁体，定子上则装有绕组。转子可以放在内侧（如上图所示），也可以放在绕组外侧（有时称为“外转式”电机）。 无刷电机中用到的绕组数称为相数，它可以有不同的相数，但最常见的是三相无刷电机。另外，如小型冷却风扇等可能就只有一相或两相。 无刷电机的三个绕组通常以“星形”或“三角形”方式连接。无论哪种连接，都有三根线连接到电机，而且其驱动技术和波形都是相同的。 三相电机可以构建不同的磁配置，称为磁极。最简单的三相电机有两个磁极：转子只有一对磁极，一个N极，一个S极。当然也可以有更多的磁极，这需要在转子中配置更多的磁性部分，并在定子中增加更多绕组。磁极越多，性能越高，但极数少可以实现更高的速度。 要驱动三相无刷电机，三相绕组每相需要在根据转子位置状态，运行在高电位或低电位上。为此，通常采用三个“半桥”驱动电路来实现驱动，每个驱动电路都由两个开关组成。根据所需的电压和电流，开关可以是双极型晶体管、IGBT或MOSFET。 三相无刷电机可以采用的驱动技术有很多，其中最简单的被称为梯形波驱动、方波驱动或120度换向控制。梯形换向有点类似于直流有刷电机中采用的换向方法：在任何给定时间，三相中都有一相接地、一相断开、另一相连至电源电压。如果需要控制速度或扭矩，则可以脉宽调制连接到电源电压的相位。由于相位在每个换向点突然切换，而转子的旋转是恒定的，因此扭矩会随着电机的旋转产生一些变化，这称为扭矩波动。 为了改善性能，也可以采用其他换向方法。如正弦或180度换向法可以始终驱动所有三个电机相位的电流。控制器控制驱动，使得三相无刷电机每相产生正弦电流，且每相之间的相移为120度。这种驱动技术可以最大程度地减小扭矩波动以及噪音和振动，通常用于高性能或高效率的驱动器。 要适当地旋转磁场，控制电子设备需要知道转子上的磁体相对于定子的物理位置。通常，这个位置信息通过安装在定子上的霍尔传感器获得。当磁性转子旋转时，霍尔传感器会拾取转子的磁场。驱动电子设备利用该信息，使电流按顺序流过定子绕组以使转子旋转。 采用三个霍尔传感器，通过简单的组合逻辑即可实现梯形换向，无需复杂的控制电子设备。而其他换向方法（例如正弦换向）则需要更复杂的控制电子设备，而且通常需要微控制器。 除了使用霍尔传感器提供位置反馈以外，还有很多方法可以在没有传感器的情况下确定转子位置。最简单的方法是在未驱动的相位上监测反电动势，以感应相对于定子的磁场。还有一种更复杂的控制算法，称为磁场定向控制（FOC），它基于转子电流和其他参数来计算位置。FOC通常需要功能强大的处理器来快速执行许多计算，因此这种方法比简单的梯形控制法要昂贵很多。 有刷电机和无刷电机的优缺点 下表总结了两种电机类型的主要优缺点。根据应用需求，您可能更愿意选择无刷电机。 使用寿命 如前所述，有刷电机的缺点之一是电刷和换向器存在机械磨损。碳刷尤其是易耗品，在很多电机的维护计划中，都规定碳刷要定期更换。换向器的软铜也会被电刷慢慢磨损，并最终导致电机无法工作。而无刷电机没有运动触点，因此不存在这种磨损。 速度和加速度 有刷电机的转速会受到电刷、换向器以及转子质量的限制。在极高的速度下，电刷与换向器的接触会变得不稳定，并且电刷电弧会增大。大多数有刷电机在转子中还使用了叠片铁芯，这使它们具有较大的转动惯量，也限制了电机的加速和减速速率。在转子上采用高性能稀土磁体可以将转动惯量降至最低。当然，这会增加成本。 电气噪声 电刷和换向器形成了一种电气开关。当电机转动时，开关打开或闭合，大量电流流过电感转子绕组，并在触点处产生电弧。这些电弧会产生大量电气噪声，会耦合到敏感电路中。在电刷上增加电容或RC缓冲器可以一定程度上减轻电弧，但是换向器的瞬时切换仍然会产生一些电气噪声。 声学噪声 有刷电机是“硬切换”的，也就是说，电流是突然从一个绕组移动到另一个绕组。随着绕组的接通和断开，产生的扭矩随转子的旋转而变化，导致扭矩波动。而无刷电机可以控制绕组电流逐渐从一个绕组过渡到另一个绕组，这降低了扭矩波动。扭矩波动是能量在转子上的机械脉动，它会引起振动和机械噪声，尤其是在转子转速较低时更严重。 成本 有刷电机技术非常成熟，制造成本也很低。无刷电机因为需要更复杂的电子设备，所以总成本高于有刷电机；但因为没有电刷和换向器，因此比有刷电机更容易制造。无刷电机现在越来越普及，特别是在汽车电机等大批量应用中。另外，电子设备（如微控制器）成本持续下降也使无刷电机更具吸引力。 总结 由于成本不断下降而且性能更佳，无刷电机越来越受欢迎。但对有些应用来说，有刷电机仍然是最佳选择。 从无刷电机在汽车中的应用我们可以知道，截至2020年，大多数汽车行驶时运行的电机（例如泵和风扇）都已从有刷电机转为无刷电机，以提高其可靠性。现场故障率的降低和维护要求的降低，完全弥补了无刷电机及其驱动设备所增加的成本。 另一方面，那些不常操作的电机（例如移动电动座椅和电动窗的电机）仍然主要采用有刷电机。因为在汽车的整个寿命周期内，这些电机的总运行时间非常短，不大可能发生故障。 随着无刷电机及其相关电子设备的成本不断降低，无刷电机逐渐渗透传统有刷电机占据主导的应用。汽车行业的另一个例子是，高端车型中的座椅调节电机已经换成了无刷电机，因为它们产生的噪音更小。
电器应用中常用的隔离器件有光耦、继电器、变压器。❤光耦属于流控型元件，以光为媒介传输信号：电→光→电，输入端是发光二极管，输出端是光敏半导体。光耦的核心应用是隔离作用，常用于输入与输出之间无共地的系统。所以输入与输出之间的耐压可达上千伏特。很多通讯模块也是光耦隔离的，更容易实现各个系统之间的连接，完全不用考虑是否共地。如图1为光耦控制继电器（小功率），为使光耦能有效驱动继电器，那么输出端的阻抗应较小，所以输入端的电流应较大，具体原因见下面分析。图1：光耦控制继电器 如图2为开关信号经过光耦隔离输入至单片机，图中24V与3.3V不是共地的，且在控制系统中数字电压3.3V驱动能力有限，所以通常用开关电源的24V或12V作为开关信号的电源。图2：输入输出隔离 以上两种普通的应用看似简单，但要正确使用光耦，就必须掌握光耦的输入和输出到底是什么关系？❤光耦分为线性光耦和非线性光耦，实际常规应用中线性光耦较多，因为线性光耦可以替代非线性光耦，现在以线性光耦（PS2561A）做以下实验，换种角度了解TA的魅力。如图3所示，调节光耦输入电流IF，测量输出的CE阻抗。图3：输入电流IF与输出CE阻抗关系实验 左边为输入电流IF，右边为输出CE阻抗 如图4所示，光耦输入与输出的限流电阻都是1k，且输入电压都相同，于是调节稳压源的电压值，可以得到光耦输入电流IF与输出电流IC的关系。图4：输入电流IF与输出电流IC的关系实验 左边为输入电流IF，右边为输出电流IC ❤如图5得到的实验数据，输出电流IC与输入电流IF曲线趋势基本一致，CE阻抗小于1k左右呈线性变化。且最低阻抗大于100Ω。 图5：实验数据所以使用线性光耦传递开关信号时，需要合理匹配输入电阻的大小，图1中输入电阻360Ω，光耦输入正向压降1V左右，所输入电流IC为(5-1)/360≈11mA，光耦输出CE阻抗200Ω多点，而继电器HFD2线圈阻抗2880Ω，此时可正常驱动继电器，若IC电流变小，则CE阻抗变大后会导致不能正常驱动继电器。❤线性光耦主要用于模拟信号的传递，输出相当于一个可变电阻。在开关电源中很常见，利用光藕做反馈，把高压和低压隔离。常用的有PC817、PS2561、PS2801。如前面例子也常用于开关信号。图7为图6中开关电源内部的线性光耦，开关电源的输出电压经过线性光耦隔离并反馈到控制芯片达到实时调节输出电压的目的。图6：光耦在开关电源中的应用 图7：开关电源内部的光耦 ❤非线性光耦主要用于开关信号（或数字信号）的传递，常用的4N系列的有4N25、4N26以及TIL117；另外还有高速光耦，如6N136、6N137、PS9714、PS9715等。多用于通讯隔离以及PWM波控制（可有效降低电磁干扰），判断是不是高速光耦，看数据手册是否注明 High speed（1Mbps、10Mbps）。❤要点①光耦的核心应用是隔离作用；②相同电压下线性光耦输入电阻与输出电阻相同时，输出电流IC基本与输入电流IF一致；即使输入与输出电压不同，也可以匹配输出与输入的电阻来实现；③用于开关信号线性光耦和非线性光耦都可以，反过来线性光耦电路中不能用非线性光耦代替。④非线性光耦要比线性光耦响应速度快，类似于比较器比运算放大器响应速度快一样。最后欢迎各位硬件组长、硬件经理、硬件总监购买我们整理的优质硬件设计资料：7G 保姆级高质量硬件设计资料
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