Wie man Masseverbindungen in einem isolierten Netzteil-PCB-Layout herstellt

Die meisten Entwickler, die mit einem Tisch-Netzteil arbeiten, verwenden wahrscheinlich ein isoliertes geregeltes (schaltendes) Netzteil, das an die Wand gesteckt wird. Alles, was benötigt wird, um stabile Leistung auf einem bestimmten Gleich- oder Wechselstromniveau und mit relativ geringem Rauschen zu liefern, ist in das Gerät integriert, und Sie als Entwickler müssen eigentlich nichts weiter tun, als einige Kabel mit der Platine zu verbinden. Leider sind reale Systeme mit integrierten Stromversorgungsabschnitten oder sogar nur Stromreglermodule, die Sie in ein größeres System integrieren möchten, nicht so einfach und benötigen ein individuelles Design, um sicherzustellen, dass sie korrekt funktionieren.

Ein wichtiger Aspekt bei der Integration eines Netzteils in Ihr System ist das korrekte Einrichten und Verbinden von Masseverbindungen, selbst bei isolierten Netzteilen. Wenn Sie ein isoliertes Netzteil auf einer Platine mit dem Rest Ihrer Hauptschaltung integrieren, müssen Sie immer noch die Masseverbindungen in Ihrem System herstellen. Diese Regeln gelten auch für eine Leiterplatte für ein isoliertes DC-Ladegerät oder einen DC-Netzadapter, da das Design je nach Anwendung und Sicherheitsbedenken möglicherweise wieder mit der Erde verbunden werden muss. Da schlechte Masseverbindungen Probleme mit Störgeräuschen verursachen können oder sogar eine Sicherheitsgefahr darstellen, schauen wir uns die besten Praktiken für das Erstellen von Masseverbindungen in Ihrem Spannungsregelungsbereich an, wenn Sie AC in DC auf Ihrer Platine umwandeln.

Erstellung der Masse in einem isolierten Netzteil

Angenommen, Sie entwerfen ein System, das Stromumwandlung (AC in DC), Regulierung und Lieferung an Ihre Schaltungen in Ihrem Design durchführen muss. Wenn Sie über den praktischen Aufbau dieses Systems nachdenken, gibt es drei verschiedene mögliche Optionen für die Verwendung von Masse:

• Erde: Dies ist eine wörtliche elektrische Verbindung zurück zur Erde, die als Sicherheitsleitung (PE) bei 3-Draht-AC-Leitungen vorhanden ist.
• Gehäusemasse: Dies gilt für ein Gehäuse mit Metallelementen, bei dem Metall im Gehäuse verwendet wird, um eine Masseverbindung herzustellen.
• Signalmasse: Dies wird manchmal fälschlicherweise als analoge Masse und digitale Masse abgegrenzt (teilen Sie Ihre Massen nicht so auf). Eine Signalmasse bezieht sich im Allgemeinen auf alles, was nicht Erde oder Gehäuse ist.

Netzteile, die mit Transformator-Kopplung gebaut sind, wie AC-DC-Wandler, DC-DC-Schaltwandler oder Kombinationen dieser beiden Systeme, werden mit einem Transformator gebaut, der diese Lücken im PCB-Layout überbrückt. Der Grund dafür ist einfach: Wenn Sie nicht nur bei niedriger Spannung und niedrigem Strom arbeiten, möchten Sie in der Regel eine Isolierung im Design, um Benutzer vor Sicherheitsgefahren zu schützen.

Diese Masse-Systeme befinden sich nicht immer über einer einzigen Masseebene aus verschiedenen Gründen. Dies gilt insbesondere für Schaltnetzteile, insbesondere für komplexere Versorgungen wie LLC-Resonanzwandler. Der Grund, warum Masse so wichtig ist, liegt darin, dass sie die Spannung definiert, die eine Komponente misst, wenn sie in einem System arbeitet. Wenn ich „Spannung, die eine Komponente misst“ schreibe, bedeutet das, dass ein 5-V-Signal, das über eine Masse-Region in einem System definiert ist, möglicherweise nicht als 5V gemessen wird, wenn es über eine andere Masse-Region in einem System gemessen wird.

Der Grund, warum wir zwei Erdungen haben, die einen potenziellen Unterschied aufweisen könnten, besteht darin, eine sekundäre Referenz zu schaffen, die den Benutzer nicht der Eingangsseite aussetzt, die eine Quelle hoher Ströme sein könnte. Wir müssen diese Isolation aufrechterhalten und gleichzeitig eine Möglichkeit bieten, hochfrequentes Rauschen zurück auf die Eingangsseite und letztendlich zur Erde abzuleiten. Dies wird mit einem Kondensator über die beiden GND-Bereiche erreicht.

Das Verbinden von Erdungen mit einem Kondensator erhält die DC-Isolation

Glücklicherweise gibt es eine einfache Lösung: die Ebenen mit Kondensatoren verbinden. Y-bewertete Kondensatoren sind hier für Designs mit höherer Spannung/Strom eine gute Wahl. Dies können Sie einfach in Ihren Schaltplänen tun: Suchen Sie einfach die Komponente, die Sie für Ihren Kondensator benötigen, und dann überbrücken Sie die Erdungsnetze mit einer direkten Verbindung. Der typische Ort, dies im PCB-Layout zu tun, ist in der Nähe des Transformators. Eine komplexere Methode, obwohl immer noch gültig bei der AC-DC-Umwandlung, ist die Verwendung eines Kondensators zwischen der Stromschiene und der AC-Seite des Systems.

Beachten Sie, dass dies nur für zwei Erdungsregionen auf der Platine gilt. Wir haben das Gehäuse oder die Erde noch nicht berücksichtigt. Es gibt jedoch einige grundlegende Schritte, die Sie unternehmen können, um sicherzustellen, dass das Gehäuse, die Platine und die Erde ordnungsgemäß miteinander verbunden sind. Leider ist dies nicht so einfach und erfordert Überlegungen dazu, wie Rauschen und Ströme im System eine Rolle spielen, sowie ob sie eine Sicherheitsgefahr darstellen könnten. Hier sind einige Ressourcen für weiterführende Literatur, die Ihnen helfen sollen, die beste Methode zur Verbindung von Erdungen zu entscheiden, während die Isolation aufrechterhalten wird.

• Alles über Erdung im Elektronikdesign und PCB-Layout
• Isolierte vs. nicht isolierte Stromversorgungen: Die richtige Wahl ohne Fehler
• Definition der Stromversorgungserde: System, Gehäuse und Erde in Ihrer PCB

Wie man über die Erdungsplane-Lücke routet

Wenn Sie einen Steueralgorithmus für Ihr Stromsystem implementieren möchten, müssen Sie eine Rückkopplung vom Ausgang zurück zum Eingang zulassen, damit die Ausgangsleistung erfasst werden kann. Das bedeutet, dass Sie physisch eine Leitung vom Ausgang der Seite des Reglers zurück zur Eingangsseite führen müssen, die die Schaltelemente enthält. Die Frage ist: Was ist der beste Weg, um dies zu ermöglichen, wenn Ihre Ausgangsseite DC ist, aber Sie die Isolation aufrechterhalten möchten?

Die Antwort ist die Verwendung eines Optokopplers. Eine Leiterbahn über die Lücke zu legen, ist nicht angemessen, da die Leiterbahn externe Störungen empfangen kann, und Schaltnetzteile können viel Lärm erzeugen. Eine Transformator-Kopplung ist ebenfalls unbrauchbar, da Sie Gleichstrom regulieren. Im untenstehenden Schaltplan überbrückt der Optokoppler die Trennung zwischen der Massefläche, sodass wir die gewünschte Isolation in dieser Versorgung beibehalten haben.

Sobald Sie Ihren Optokoppler platziert haben, können Sie den Ausgang zu Ihrem Versorgungscontroller führen. Ein Mikrocontroller mit einem PWM-Ausgang ist eine gute Wahl für einen benutzerdefinierten Leistungsregler, obwohl einige Unternehmen MOSFET-Gate-Treiber-Controller herstellen, die einen Feedback-Eingang haben und mit einigen externen Widerständen konfigurierbar sind. Wenn Sie eine sehr präzise Leistungsregelung entwerfen oder mit Steuerungsalgorithmen experimentieren, ist dies eine einfache Lösung, um die Ausgangserfassung zu implementieren. Sie können dann einen Standard-Steuerungsalgorithmus verwenden, um die Frequenz Ihres PWM-Controllers anzupassen, um maximale Effizienz zu gewährleisten oder um speziell die gewünschte Leistungsabgabe zu verfolgen.

Wann Sie einen Kondensator nicht direkt an Primär anschließen sollten

Die obige Diskussion bezieht sich auf eine bestimmte Klasse von Stromversorgungen, bekannt als Klasse-2-Geräte. Gibt es einen Grenzwert, bei dem man dies nicht tun sollte? Wie sich herausstellt, lautet die Antwort "ja". Der Kondensator kann einen gewissen Leckstrom zur Ausgangsseite durchlassen, und dieses Niveau des Leckstroms kann signifikant genug sein, um ein Sicherheitsproblem zu verursachen. IEEE-Standards setzen ein Limit für diesen Leckstrom auf

Im Falle, dass ein höherer Leckstrom über einen Kondensator zwischen den beiden Seiten des Transformators auftritt, ist die alternative Strategie, das Gehäuse als Brücke zwischen den beiden Seiten zu verwenden. Die Primär- und Sekundärseite können mit eigenen Y-Typ-Kondensatoren an das Gehäuse gebrückt werden. Diese Art von Stromversorgung wird als Klasse-1-Stromversorgung bezeichnet. Allgemein werden Y1-Typ-Kondensatoren in Klasse-2-Geräten verwendet, während Y2-Typ-Kondensatoren in Klasse-1-Geräten verwendet werden. Dies könnte jedoch die Anfälligkeit für hochfrequentes Gleichtakt-Rauschen erhöhen, wie in diesem Artikel diskutiert.

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