如何在PCB设计中优化MDD高压二极管布线？实现高压系统安全防护

在高压系统中，高压二极管作为整流、续流、箝位或保护元件，起着至关重要的作用。然而，许多工程师在PCB设计阶段，往往只关注器件的电气参数，却忽视了布线设计对系统安全、防护性能以及长期可靠性的影响。实际上，MDD高压二极管的PCB布线，涉及电气间距、爬电距离、电场分布、散热、寄生效应等多个层面。如果处理不当，轻则引入干扰、降低效率，重则引发高压击穿、绝缘失效甚至火灾。本文将围绕MDD高压二极管的PCB布线优化，梳理关键设计要点，帮助工程师实现更安全、可靠的高压系统设计。

一、电气间距与爬电距离：高压设计的第一道防线

在高压电路中，PCB上的导体之间必须保持足够的电气间距（air clearance）和爬电距离（creepage distance），以防止电弧击穿或表面闪络。这些距离的标准并非一成不变，而是取决于工作电压、环境条件（如湿度、污染等级）和绝缘材料。

一般来说：

对于1kV及以下的系统，导体间的空气间距至少应达到1mm/kV。

对于更高电压（例如10kV系统），需要查阅IEC、UL、GB等标准，往往要求10~12mm甚至更大。

爬电距离通常比空气间距要求更高，尤其在潮湿或污染环境下，必须使用防护涂层或增设隔离槽（如开槽、绕行布局）来增加有效路径。

设计建议：

①在布局中预留足够的净距，避免尖角、锐边。

②使用防护涂层（如三防漆）或导体包覆，提升耐压性能。

③对于极高压区域，考虑局部开槽或导入陶瓷基板，降低爬电风险。

二、合理布局：电场分布与寄生效应优化

高压二极管的布局不仅影响耐压，也会影响电场分布。密集布线、铜箔尖角、长引线等都会在局部产生强电场，增加局部击穿或电晕放电的风险。

设计建议：

①优化器件布局，高压与低压侧尽量分离。

②避免长直线布线，可采用曲线或圆角过渡降低电场集中。

③在高压二极管两侧布置等电位环（guard ring）或铜箔屏蔽，控制电场扩散。

此外，高速或高频应用中，高压二极管的寄生电感、寄生电容也会引入开关尖峰、振荡或EMI。此时：

①短引脚、紧凑布局、回流路径优化，能有效降低寄生效应。

②必要时并联小电容（snubber）吸收尖峰能量。

三、散热与功耗：热设计的可靠性保障

高压二极管在工作中会产生正向导通损耗和反向恢复损耗，如果散热不良，芯片结温过高，容易导致热击穿、漏电流增大、寿命缩短。

设计建议：

①在PCB上加大铜箔面积，优先使用大铜厚（2 oz及以上）。

②对大功率二极管，布置热通孔与散热铜面连接，或直接加装散热片。

③合理分配高压器件与其他热源之间的空间，避免局部过热。

四、过压与浪涌防护：强化安全屏障

在高压系统中，二极管的击穿往往不是因为稳态电压超标，而是瞬态过压（如雷击、电源浪涌）引起。因此，PCB设计中除了选用高耐压二极管，还应考虑浪涌路径设计：

①在高压输入侧并联TVS二极管或压敏电阻，吸收浪涌。

②高压母线采用分段布线，降低单点冲击压力。

③引入共模、差模滤波结构，减小系统瞬态干扰。

总之，MDD高压二极管的PCB布线优化，是一个综合考虑电气、热、机械和EMI的系统工程。良好的电气间距、优化的电场分布、可靠的散热设计、有效的过压防护，都是实现安全防护、提升系统可靠性的关键环节。作为FAE，我建议每位设计工程师在布线前不仅要看器件规格书，还要结合标准、仿真、实际工艺，全面审视设计。这样，才能打造出真正安全、耐用、可靠的高压系统。