CN109417849B - 电流分离装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电流分离装置，其包括印刷电路板（3），该印刷电路板（3）包括第一焊盘（7）、第二焊盘（8）和凹槽（12），其中焊垫（7，8）被布置在印刷电路板（3）的下侧（9）上，由此限定焊垫（7，8）之间的间隙和/或爬电距离（10，11），并且凹槽（12）被布置在焊垫（7，8）之间；连接到第一焊盘（7）的初级绝缘绕组层（5）和连接到第二焊接部分（8）的第二绝缘绕组层（6），其中绕组层被布置在印刷电路板的上侧上；以及绝缘层（13），其中绝缘层（13）从上侧（2）延伸穿过凹槽（12）并且在下侧（9）上突出超过印刷电路板，由此增加间隙和/或爬电距离（10，11）。

Description

电流分离装置
技术领域
本发明涉及一种电流分离装置，其包括印刷电路板，该印刷电路板包括第一焊盘和第二焊盘，其中焊垫被布置在印刷电路板的下侧上，从而限定焊垫之间的间隙距离(clearance distance)和/或爬电距离。
背景技术
在变电站自动化中，达到最高可能的可靠性和可用性是至关重要的，这对于这样的设施的每个设计者来说都是挑战。需要在同一设计中实现若干个矛盾的方面，因为除了别的以外，I/O电路需要为电流绝缘的以用于需要被实现的接地回路或双重绝缘的消除。在期望高可靠性和高可用性的同时，也需要针对EMC来保护相应的I/O电路，这导致所需组件数量上的增加。尽管设计者决定电流隔离在这样的设施中的何处发生，但通常在外部接口与内部电子器件之间实现电流隔离。产品安全标准IEC 60255-27定义了针对在若干个电路类别(诸如HLV、PELV等)中的接口的种类，从而导致各种可能的组合以用于在诸如HLV到PELV、PELV到PELV、HLV到HLV等的类别之间进行去耦。
例如，对于利用IEC 60255-27作为产品标准的HLV到PELV而言，300V AC/DC的额定绝缘电压、加强绝缘、过电压种类III和污染等级II，以及根据IEC 60255-26、IEC 61000-4-2、具有15kV空气放电和8KV接触放电的IEEE Std C37.90.3的静电放电(ESD)、电流隔离所需要的间隙和爬电距离被设计成根据所需要的过电压种类来承受浪涌和高电压AC/DC测试。一般而言，额定冲击电压(RIMV)小于要被施加于ESD的空气放电电压(RIMV 4kV<<ESDair＝15kV)。间隙距离的经典经验法则是在具有所需要的ESD间隙15mm(即根据IEC60255-27为5.5mm(增强型))的情况下的1kV/mm。
然而，明显的是，根据IEC 60255-27的指定的间隙和爬电距离不能承受诸如ESD脉冲之类的高电压瞬变，并且可能发生闪络。由于注入的瞬变，电流流过电流隔离，这通过耦合电容的充电或放电电流发生。该电流常常引起对例如隔离变压器的这样的电流隔离装置的次级侧上的以及初级侧上的电子器件的干扰。根据现有技术已知的用以避免所述瞬变的措施以不利的方式增加了所需要的空间以及增加了制造成本并且因此增加了设备成本，该措施诸如例如，添加保护电路以限制最大过电压和/或限制流到电子器件中的最大电流，或者添加涂覆或灌封(potting)。
US 2014/048322 A1描述了一种电子设备，其包括电路板、绝缘结构和变压器。电路板具有顶面、底面以及跨顶面和底面延伸的开口。
US 6 563 056 B1描述了一种印刷电路板(PCB)组装件，其包括至少两个单独的PCB部分，其中绝缘变压器被用作支撑结构来使该部分机械地互连。
DE 10 2013 113861 A描述了一种电流分离装置，其作为平面变压器制造简单，并且装配简单，并且其可以与电路板上的其他组件被一起焊到电路板上。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种能够承受高电压瞬变的电流分离装置。
本发明的目的通过独立权利要求的特征解决。在从属权利要求中详述优选实施例。
因此，通过一种电流分离装置来解决目的，该电流分离装置包括：印刷电路板，该印刷电路板包括第一焊盘、第二焊盘和凹槽，其中焊垫被布置在印刷电路板的下侧上，由此限定焊垫之间的间隙距离和/或爬电距离，并且凹槽被布置在焊垫之间；连接到第一焊盘的初级绝缘绕组层和连接到第二焊接部分的第二绝缘绕组层，其中绕组层被布置在印刷电路板的上侧上；以及绝缘层，其中该绝缘层从上侧延伸穿过凹槽并且在下侧上突出超过该印刷电路板，由此增加间隙和/或爬电距离。
本发明的关键点在于提供了具有用于增加间隙和/或爬电距离的绝缘层的电流分离装置。所提出的解决方案具有下述优点：如果注入高电压瞬变，则不会发生闪络，这导致了注入的瞬变与电子器件之间的干扰减少。在现有技术的设施中，由于印刷电路板上缺少空间，通常不能够实现参考电位之间的所需要的间隙和/或爬电距离。利用所提出的解决方案，现有技术的用于承受高电压瞬变的灌封或涂覆的解决方案变得过时，并且不再需要昂贵的过电压保护。因此，由于由以低廉制造成本的组件发生故障所导致的接地故障的更小可能性，所提出的解决方案允许更高MTBF值、更高可靠性和可用性。此外，可以实现具有更小电流隔离的I/O通道的更高集成和每设备的更多I/O通道。换言之，本发明提供了对用以承受高电压瞬变的另外需要的以及更昂贵的内部措施的放宽。
优选地，绕组层在印刷电路板上被焊接到焊垫。将凹槽优选地居中布置在焊垫之间。凹槽优选地包括具有圆形边缘的矩形形状，和/或尺寸被定得大于绝缘层，使得绝缘层当被布置在凹槽中时不接触印刷电路板。例如，凹槽包括是绝缘层宽度的三倍的宽度。绝缘层优选地被提供为平板、屏蔽壁、叶片等等，并且包括电绝缘材料。电流分离装置的初级侧优选地连接到初级绝缘绕组层，并且电流分离装置的次级侧优选地连接到次级绝缘绕组层。初级绝缘绕组层或初级侧优选地连接到危险带电电压(HLV)，并且次级绝缘绕组层或次级侧优选地连接到保护性超低电压(PELV)。例如具有按照IEC 60255-27的类别的其他配置也是可能的。绝缘绕组层优选地包括多个绕组，每个绕组彼此绝缘。因此，绕组层或电流隔离装置优选地被提供作为隔离变压器。优选地，电流隔离装置适配于在变电站自动化中使用。
根据优选实施例，绝缘层被布置在绕组层中间，并且由此使绕组层彼此绝缘，并且突出超过绕组层。这样的实施例导致在初级侧到次级侧之间的有利的更小的耦合电容，因此减小了高电压快速瞬变对次级侧的影响。优选地，绕组层被布置得邻接绝缘层。进一步优选地，绝缘层的延伸至少匹配绕组层的延伸。
根据另一优选实施例，绝缘层包括绝缘板，该绝缘板平行于印刷电路板且垂直于绝缘层延伸，并且被布置在印刷电路板与绕组层之间。绝缘板优选地与绝缘层整体形成，优选地包括相同的材料，和/或具有绝缘板的绝缘层在侧视图中包括“T”形。更优选地，绝缘板被布置得邻接印刷电路板，和/或在平行于印刷电路板的方向上包括相同绕组或者至少与绕组相同的延伸。在凹槽的纵向延伸方向上并且平行于印刷电路板，绝缘板优选地突出绕组和/或小于凹槽。
根据另外的优选实施例，绝缘层至少部分地垂直于印刷电路板延伸。在尤其优选的实施例中，绝缘层通过在全部方向上突出绕组层来垂直于印刷电路板延伸，并且穿过凹槽突出超过印刷电路板。
根据另一优选实施例，电流分离装置包括第二绝缘层，该第二绝缘层平行于印刷电路板延伸并且被布置在绕组层中间，并且由此使绕组层彼此绝缘。第二绝缘层优选地包括管子的形状，并且被布置得邻接绕组层，和/或包括与绝缘层相同的材料。在尤其优选的实施例中，与绝缘层和被提供为“T”形的绝缘板一起提供第二绝缘层。由于该第二绝缘层，可以有利地省略另外需要的两段式线轴。
根据另外的优选实施例，初级绕组层和/或次级绕组层包括螺旋形导体路径，导体路径通过灌封、涂覆彼此绝缘和/或包括根据IEC 60950的三重隔离。绕组层的杆优选地平行于该印刷电路板延伸。螺旋形导体路径优选地被布置在杆上，该杆在平行于印刷电路板的方向上延伸。优选地，绕组层包括多个绕组和/或双线绕组。
根据另一优选实施例，初级绕组层和/或次级绕组层包括THT、通孔技术、或SMT、表面安装技术、绕组被布置在其上的线轴(例如THT EP 10芯)。例如通过波峰焊将线轴在上侧上优选地焊接到印刷电路板上。
根据另外的优选实施例，第一焊盘和/或第二焊盘包括THT引脚。绕组层优选地在上侧上被波峰焊到印刷电路板上，并且通过例如由所述THT引脚电接触到印刷电路板的下侧。使用这样的通孔技术允许有成本效益的制造。
根据另一优选实施例，绝缘层被可拆卸地固定到绕组层。这样，绝缘层可以被有利地移除、交换或添加到绕组层。
根据另外的优选实施例，绝缘层包括≥1mm或≥2mm的厚度。初级绕组层与次级绕组层之间的绝缘层的厚度可以被设计成限制最大耦合电容。例如，较大厚度导致较小耦合电容，而反之亦然，较小厚度导致较大耦合电容。减小初级侧与次级侧之间的耦合电容导致注入的瞬变与电子器件之间的干扰减小，以及另外所需要的保护措施的量的减少，由此导致较小封装、较少(峰值)功耗等。替换地，绝缘层的厚度可以为≥0.5mm、≥3mm或≥5mm和/或≤2mm、≤3mm或≤5mm。
根据另一优选实施例，在印刷电路板的下侧上的焊垫之间的距离为≥3mm、≥5.5mm或≥11mm。该距离是焊垫之间在无阻碍分散下的直接距离，例如是在将绝缘层从凹槽移除的情况下所测量的。优选地，该距离满足IEC 60255-27的要求，例如针对按照IEC60255-27的表C.10的材料组II和300V AC/DC额定绝缘电压而言为5.5mm。替换地，该距离可以是1.7mm、3mm或14mm。
根据另外的优选实施例，间隙和/或爬电距离为该距离的≥1.2、1.5、2或2.5倍。优选地，间隙和爬电距离满足所述条件以用于承受高电压瞬变。
根据另一优选实施例，绝缘层在平行于和/或远离印刷电路板的方向上突出超过绕组层。根据另外的优选实施例，绝缘层在下侧上突出超过印刷电路板≥0.25、0.5或1倍的该距离。通过突出超过印刷电路板，绝缘层有利地增加了间隙和/或爬电距离。
附图说明
本发明的这些和其他方面将根据下文描述的实施例是显而易见的并且参考下文描述的实施例来阐明本发明的这些和其他方面。
在附图中：
图1示出了根据第一优选实施例的在左侧的以侧视图以及在右侧的以顶视图的电流分离装置，
图2示出了根据第二优选实施例的在左侧的以侧视图以及在右侧的以顶视图的电流分离装置，以及
图3示出了根据第三优选实施例的以侧视图的电流分离装置。
具体实施方式
图1至图2分别示出了根据不同优选实施例的以侧视图以及顶视图的电流分离装置，同时图3示出了以侧视图的电流分离装置。电流分离装置包括焊接到印刷电路板3的上侧2上的隔离变压器1。隔离变压器1包括THT线轴4，特别是THT EP 10芯。尽管未示出，替换地也可以使用SMD线轴4。可以通过使用“孔中粘贴”技术将THT线轴4波峰焊或电连接到印刷电路板3。初级绝缘绕组层5和次级绝缘绕组层6被布置在THT线轴4上。初级绝缘绕组层5和次级绝缘绕组层6的绕组均包括具有根据IEC 60950的三重隔离的螺旋形导体路径。替换地，导体路径可以通过灌封和/或涂覆而彼此绝缘，或者可以包括双线绕组。
印刷电路板3包括第一焊盘7和第二焊盘8，其二者都被布置在印刷电路板3的下侧9上。THT引脚被焊接到下侧9上的第一焊盘7和上侧2上的初级绝缘绕组层5，并且另一THT引脚被焊接到下侧9上的第二焊盘8和上侧2上的次级绝缘绕组层6。由此，焊垫7、8限定其之间的间隙距离10和爬电距离11。焊垫7、8之间的直接距离为5.5mm。
印刷电路板3进一步包括凹槽12，该凹槽12从上侧2延伸到下侧9并且被布置在焊垫7、8之间。绝缘层13被垂直于印刷电路板3地布置在绕组层5、6中间，并且由此使绕组层5、6在上侧2上彼此绝缘，并且既垂直还平行于印刷电路板3地突出超过绕组层5、6。绝缘层13从上侧2延伸通过凹槽12，并且在下侧9上突出超过印刷电路板3长达大约3mm，由此增加间隙和爬电距离10、11。因此，间隙和爬电距离10、11大于该距离的1.5倍。绝缘层13被可拆卸地固定到绕组层5、6，即可以从隔离变压器2中移除。绝缘层包括1mm或2mm的厚度和电绝缘材料。
图2示出了另外的实施例，其中绝缘层13并没有作为隔板被布置在绕组层5、6中间，而仍然从上侧2延伸穿过凹槽12并且在下侧9上突出超过印刷电路板3，以用于增加间隙和爬电距离10、11。垂直于印刷电路板3延伸的绝缘层13进一步包括绝缘板14，该绝缘板14平行于印刷电路板3且垂直于绝缘层13延伸。绝缘板14被布置在印刷电路板3与绕组层4、6之间，作为通过了延伸绝缘层13的凹槽12而与其垂直整体形成的平板。在侧视图中，具有绝缘板14的绝缘层13被形成为“T”。绝缘板14和绝缘层13包括相同厚度，其中绝缘板14在平行于印刷电路板3的延伸中具有与绕组层5、6相同的延伸。在凹槽的纵向延伸中，如可以从图2中的顶视图看到的，绝缘板14在两侧上都突出绕组层5、6。除此之外，图2中示出的实施例等同于图1中示出的实施例。
图3示出了根据第三优选实施例的以侧视图的电流分离装置，其再次具有与绝缘板14整体形成的绝缘层13，该绝缘板14垂直于绝缘层13延伸。此外，提供第二绝缘层15，其平行于印刷电路板3延伸并且被布置在绕组层5、6中间，并且由此使绕组层5、6彼此绝缘。第二绝缘层15包括与绝缘层13相同的厚度，并且以管子的形状跨绕组层5、6的整个宽度延伸，如在图3中可以看到的。除此之外，图3中示出的实施例等同于图2中示出的实施例。
尽管已经在附图和前面的描述中详细图示和描述了本发明，但是这样的图示和描述被认为是说明性或示例性的而非限制性的；本发明不限于所公开的实施例。通过研究附图、公开内容和所附权利要求，本领域技术人员在实践所要求保护的发明时可以理解和实现要公开的实施例的其他变型。在权利要求中，词语“包括”并不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中记载某些措施的仅有事实并不指示这些措施的组合不能被用来获利。权利要求中的任何附图标记不应该被理解为对范围进行限制。
参考标记列表
1 隔离变压器
2 上侧
3 印刷电路板
4 线轴
5 初级绝缘绕组层
6 次级绝缘绕组层
7 第一焊盘
8 第二焊盘
9 下侧
10 间隙距离
11 爬电距离
12 凹槽
13 绝缘层
14 绝缘板
15 第二绝缘层

Claims (13)

1.电流分离装置，其包括
印刷电路板(3)，所述印刷电路板(3)包括第一焊盘(7)、第二焊盘(8)和凹槽(12)，其中焊盘(7，8)被布置在所述印刷电路板(3)的下侧(9)上，由此限定所述焊盘(7，8)之间的间隙和/或爬电距离(10，11)，并且所述凹槽(12)被布置在所述焊盘(7，8)之间，连接到所述第一焊盘(7)的初级绝缘绕组层(5)和连接到所述第二焊盘(8)的次级绝缘绕组层(6)，其中所述绕组层(5，6)被布置在所述印刷电路板(3)的上侧(2)上；以及
绝缘层(13)，其中所述绝缘层(13)从所述上侧(2)延伸穿过所述凹槽(12)并且在所述下侧(9)上突出超过所述印刷电路板(3)，由此增加所述间隙和/或爬电距离(10，11)，其中
所述绝缘层(13)被布置在所述绕组层(5，6)中间，并且由此使所述绕组层(5，6)彼此绝缘，并且突出超过所述绕组层(5，6)，以及
所述间隙和/或爬电距离(10，11)为≥1.2倍的在所述印刷电路板(3)的下侧上的焊盘(7，8)之间的距离。
2.根据权利要求1的电流分离装置，其中所述绝缘层(13)包括绝缘板(14)，所述绝缘板(14)平行于所述印刷电路板且垂直于所述绝缘层延伸，并且被布置在所述印刷电路板与所述绕组层之间。
3.根据权利要求1或2所述的电流分离装置，其中所述绝缘层(13)至少部分地垂直于所述印刷电路板(3)延伸。
4.根据权利要求1或2所述的电流分离装置，其包括第二绝缘层(15)，所述第二绝缘层(15)平行于所述印刷电路板(3)延伸并且被布置在所述绕组层(5，6)中间，并且由此使所述绕组层(5，6)彼此绝缘。
5.根据权利要求1或2所述的电流分离装置，其中所述初级绝缘绕组层(5)和/或所述次级绝缘绕组层(6)包括螺旋形导体路径，所述导体路径通过灌封、涂覆彼此绝缘，和/或包括根据IEC 60950的三重隔离。
6.根据权利要求1或2所述的电流分离装置，其中所述初级绝缘绕组层(5)和/或所述次级绝缘绕组层(6)包括THT或SMT线轴(4)。
7.根据权利要求1或2所述的电流分离装置，其中所述第一焊盘(7)和/或所述第二焊盘(8)包括THT引脚。
8.根据权利要求1或2所述的电流分离装置，其中所述绝缘层(13)被可拆卸地固定到所述绕组层(5，6)。
9.根据权利要求1或2所述的电流分离装置，其中所述绝缘层(13)包括≥1mm或≥2mm的厚度。
10.根据权利要求1或2所述的电流分离装置，其中在所述印刷电路板(3)的下侧上的焊盘(7，8)之间的距离为≥3mm、≥5.5mm或≥11mm。
11.根据权利要求1或2所述的电流分离装置，其中所述间隙和/或爬电距离(10，11)为≥1.5、2或2.5倍的所述距离。
12.根据权利要求1或2所述的电流分离装置，其中所述绝缘层(13)在所述下侧(9)上突出超过所述印刷电路板(3)≥0.25、0.5或1倍的所述距离。
13.根据权利要求1或2所述的电流分离装置，其中所述绝缘层(13)在平行于和/或远离所述印刷电路板(3)的方向上突出超过所述绕组层(5，6)。
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