如何在PCB設計中優化MDD高壓二極管布線？實現高壓系統安全防護

在高壓系統中，高壓二極管作為整流、續流、箝位或保護元件，起著至關重要的作用。然而，許多工程師在PCB設計階段，往往只關注器件的電氣參數，卻忽視了布線設計對系統安全、防護性能以及長期可靠性的影響。實際上，MDD高壓二極管的PCB布線，涉及電氣間距、爬電距離、電場分布、散熱、寄生效應等多個層面。如果處理不當，輕則引入干擾、降低效率，重則引發高壓擊穿、絕緣失效甚至火災。本文將圍繞MDD高壓二極管的PCB布線優化，梳理關鍵設計要點，幫助工程師實現更安全、可靠的高壓系統設計。

一、電氣間距與爬電距離：高壓設計的第一道防線

在高壓電路中，PCB上的導體之間必須保持足夠的電氣間距（air clearance）和爬電距離（creepage distance），以防止電弧擊穿或表面閃絡。這些距離的標準并非一成不變，而是取決于工作電壓、環境條件（如濕度、污染等級）和絕緣材料。

一般來說：

對于1kV及以下的系統，導體間的空氣間距至少應達到1mm/kV。

對于更高電壓（例如10kV系統），需要查閱IEC、UL、GB等標準，往往要求10~12mm甚至更大。

爬電距離通常比空氣間距要求更高，尤其在潮濕或污染環境下，必須使用防護涂層或增設隔離槽（如開槽、繞行布局）來增加有效路徑。

設計建議：

①在布局中預留足夠的凈距，避免尖角、銳邊。

②使用防護涂層（如三防漆）或導體包覆，提升耐壓性能。

③對于極高壓區域，考慮局部開槽或導入陶瓷基板，降低爬電風險。

二、合理布局：電場分布與寄生效應優化

高壓二極管的布局不僅影響耐壓，也會影響電場分布。密集布線、銅箔尖角、長引線等都會在局部產生強電場，增加局部擊穿或電暈放電的風險。

設計建議：

①優化器件布局，高壓與低壓側盡量分離。

②避免長直線布線，可采用曲線或圓角過渡降低電場集中。

③在高壓二極管兩側布置等電位環（guard ring）或銅箔屏蔽，控制電場擴散。

此外，高速或高頻應用中，高壓二極管的寄生電感、寄生電容也會引入開關尖峰、振蕩或EMI。此時：

①短引腳、緊湊布局、回流路徑優化，能有效降低寄生效應。

②必要時并聯小電容（snubber）吸收尖峰能量。

三、散熱與功耗：熱設計的可靠性保障

高壓二極管在工作中會產生正向導通損耗和反向恢復損耗，如果散熱不良，芯片結溫過高，容易導致熱擊穿、漏電流增大、壽命縮短。

設計建議：

①在PCB上加大銅箔面積，優先使用大銅厚（2 oz及以上）。

②對大功率二極管，布置熱通孔與散熱銅面連接，或直接加裝散熱片。

③合理分配高壓器件與其他熱源之間的空間，避免局部過熱。

四、過壓與浪涌防護：強化安全屏障

在高壓系統中，二極管的擊穿往往不是因為穩態電壓超標，而是瞬態過壓（如雷擊、電源浪涌）引起。因此，PCB設計中除了選用高耐壓二極管，還應考慮浪涌路徑設計：

①在高壓輸入側并聯TVS二極管或壓敏電阻，吸收浪涌。

②高壓母線采用分段布線，降低單點沖擊壓力。

③引入共模、差模濾波結構，減小系統瞬態干擾。

總之，MDD高壓二極管的PCB布線優化，是一個綜合考慮電氣、熱、機械和EMI的系統工程。良好的電氣間距、優化的電場分布、可靠的散熱設計、有效的過壓防護，都是實現安全防護、提升系統可靠性的關鍵環節。作為FAE，我建議每位設計工程師在布線前不僅要看器件規格書，還要結合標準、仿真、實際工藝，全面審視設計。這樣，才能打造出真正安全、耐用、可靠的高壓系統。