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车载充电PCB的安全防护设计:从电气隔离到故障冗余

  • 2025-09-18 10:33:00
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车载充电系统直接连接外部电网与车内高压电池,其安全风险贯穿充电全过程:电网浪涌(如雷击导致的 2kV 电压冲击)可能击穿 PCB 绝缘层;充电电流异常(如短路导致的 200A 过流)会烧毁线路;高压漏电(如绝缘层破损导致的对地漏电)则可能引发触电事故。据国家市场监管总局数据,2023 年新能源汽车充电相关故障中,38% 与 PCB 安全设计缺陷有关。因此,车载充电 PCB 的安全防护设计,不仅是满足车规标准的基础,更是保障用户生命安全的核心防线。

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电气隔离是安全防护的第一道屏障,需严格控制 “爬电距离” 与 “电气间隙”。根据 IEC 61558-2-2 标准(车载充电系统安全标准),车载充电 PCB 的高压区(如 AC 输入、DC 输出)与低压区(如控制电路、传感电路)之间,爬电距离需≥8mm,电气间隙需≥5mm;若 PCB 表面有涂层(如三防漆),爬电距离可适当缩短,但需≥6mm。某车企的车载充电机 PCB,初期因高压区与低压区的爬电距离仅 5mm,在浪涌测试(2kV)中出现绝缘击穿;调整布局后爬电距离增至 8mm,顺利通过测试,且在后续 10 万次充电循环中无漏电问题。



除物理隔离外,“浪涌抑制电路” 的 PCB 布局也至关重要。电网浪涌会通过 AC 输入端子侵入 PCB,需在输入侧布局 TVS 管(瞬态电压抑制二极管)、压敏电阻、共模电感等浪涌抑制器件,且器件需靠近输入端子(距离≤10mm),减少浪涌信号在 PCB 上的传输路径,避免干扰其他电路。布局时,TVS 管需与地线直接连接(线长≤5mm),确保浪涌电流能快速导入大地;共模电感的输入输出端需分开布局,避免线圈之间的电磁耦合。某 Tier1 供应商的充电 PCB,通过 “TVS 管 + 共模电感” 的近距离布局,将浪涌抑制能力从 1.5kV 提升至 2.5kV,满足 GB/T 18487.1-2015 的浪涌测试要求。



过流与短路防护需依赖 “故障监测与熔断” 的线路设计。车载充电 PCB 需在主电流路径上串联电流采样电阻(如合金电阻,精度 1%),采样电阻与 MCU(微控制单元)的信号采集引脚直接连接(线长≤8mm,减少信号干扰),实时监测充电电流;同时,在高压区布局自恢复保险丝(PPTC),当电流超过阈值(如 150A)时,保险丝快速熔断,切断电流路径。某新势力车企的快充 PCB,在电流采样线路中增加屏蔽层(减少电磁干扰),使电流监测误差从 5% 降至 1%,当出现短路(电流 220A)时,自恢复保险丝在 10ms 内熔断,避免线路烧毁。



高压漏电防护则需 “绝缘监测与接地设计” 协同。PCB 的高压区需与接地层之间保持足够的绝缘电阻(≥100MΩ@500V DC),同时布局绝缘监测芯片(如 TI 的 ISO7740),通过测量高压区与接地层之间的漏电流,判断绝缘状态;接地设计上,采用 “单点接地”,避免接地环路导致的漏电流误判。某车企的充电 PCB,通过绝缘监测芯片与单点接地设计,能检测到≥5mA 的漏电流,当绝缘层破损导致漏电流达 8mA 时,系统立即切断充电,避免触电风险。



车载充电 PCB 的安全防护设计,需覆盖电气隔离、浪涌抑制、过流防护、漏电监测等全场景。捷配针对这一需求,严格按照 IEC 61558-2-2、GB/T 18487.1 标准设计 PCB,确保高压区与低压区的爬电距离≥8mm、电气间隙≥5mm,支持浪涌抑制器件的近距离布局(最小距离 5mm),可集成电流采样电阻、自恢复保险丝、绝缘监测芯片的线路设计,所有产品通过耐压测试(2kV AC/1min)、绝缘电阻测试(≥100MΩ),符合 IATF16949 车规认证,批量良率稳定在 99.7% 以上,为车载充电系统提供可靠的安全防护保障。