Isolierte und nicht-isolierte Netzteile: So treffen Sie stets die richtige Wahl

Im Rahmen Ihrer Arbeit als PCB-Designer kann es vorkommen, dass Ihre Designs spezifischen Anforderungen Dritter entsprechen müssen. Ob in der Medizin, Automobilbranche, Militär oder ähnliches, Ihr Design könnte hier genauer unter die Lupe genommen und an sehr hohen Standards gemessen werden. Wo diese Vorschriften greifen, wird die Stromisolierung (oder deren Fehlen) plötzlich zu einem sehr wichtigen Thema.

Was versteht man unter Stromisolierung und was genau ist ein isoliertes Netzteil? Stromisolierung ist im Wesentlichen das, wonach es sich anhört: Die Stromversorgung ist vom Rest der Schaltkreise im System isoliert. Dies ist eine gängige Maßnahme in Stromversorgungssystemen, und das aus gutem Grund. Mit einem nicht-isolierten Netzteil, welches beispielsweise eine Leiterplatte in einem medizinisches Gerät mit Strom versorgt, besteht ein größeres Risiko, dass gefährliche Stromstöße oder Überspannungen durch das Netzteil in das Gerät eindringen und dem Benutzer (und vielleicht sogar dem Patienten!) Schaden zufügen könnten.

Beim Verständnis von isolierten und nicht-isolierten Netzteilen dreht sich alles um die Sicherheit der Designer und Benutzer. Wir sprechen hier nicht nur von Wechselstrom- oder Gleichstrom-Netzteilen, welche Sie üblicherweise im Labor vorfinden. Sondern bei vielen digitalen und eingebetteten Systemen ist die Stromversorgung in der Leiterplatte integriert und erscheint nicht als einzelne integrierte Schaltung. Die Isolierung der Stromversorgung, selbst wenn sie in der Leiterplatte oder in ein Multi-Board-System integriert ist, trägt dabei zum Schutz des Endbenutzers und anderer Geräte bei. Tun wir uns also alle einen Gefallen und betrachten den Unterschied zwischen einer isolierten und einer nicht-isolierten Stromversorgung einmal genauer, bevor wir mit dem eigentlichen Design beginnen.

Was ist ein isoliertes Netzteil?

Ein Netzteil versorgt den Stromkreis mit Strom. Ein isoliertes Netzteil tut dies auch, ist aber vom Rest des Stromkreises elektrisch isoliert – häufig durch einen Isolationstransformator. Das bedeutet, dass Strom und Spannung vom Eingang zum Ausgang übertragen werden, ohne das jedoch eine direkte elektrische Verbindung zwischen den beiden Bereichen besteht. Diese Netzteile können eine große Eingangsspannung aus dem Wechselstromnetz aufnehmen und diese in eine niedrigere Spannung umwandeln. Die nachfolgenden PFC- und Reglerstufen können verwendet werden, um den Ausgangsstrom auf einen stabilen Wert zu begrenzen. So wird sichergestellt, dass die nachgeschalteten Komponenten vor großen Spannungs- und Stromstößen am Netzteileingang geschützt sind.

Bei einem Gleichstrom- oder Wechselstrom-Netzteil in Laborqualität müssen die Benutzer mit der Ausgangsstufe des isolierten Netzteils interagieren. Mit anderen Worten: Sie müssen möglicherweise Kabel ein- oder ausstecken, einige Einstellungen an der Frontplatte anpassen oder das Netzteil anderweitig handhaben. Durch die Isolierung des Eingangs vom Ausgang sind die Endbenutzer des Netzteils allerdings einem geringeren Schockrisiko ausgesetzt, wenn sie mit dem Netzteil arbeiten. Eine typische Topologie für die Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom mit einer isolierten Stromversorgung ist unten einmal exemplarisch dargestellt.

Einfache Topologie für die Ausgabephase eines isolierten Netzteils über einen Isolationstransformator.

In der obigen Topologie ist ein Abwärtstransformator dargestellt. Er befindet sich hier am Eingang (zwischen einer beliebigen Eingangs-EMI-Filterung und der Gleichrichterschaltung) und ist Teil der Wechselstrom-Gleichstrom-Umwandlung. Normalerweise wird dieser Transformator erst nach den Gleichrichter- und PFC-Stufen platziert – insbesondere in einem isolierten Gleichspannungswandler. Bei Hochstrom-Gleichspannungsschaltwandlern, die isoliert werden müssen, erfordert die Strategie der isolierten Gleichspannungsversorgung in der Regel die Ansteuerung einer Halb- oder Vollbrückenanordnung von MOSFETs; und dies mit einem von einer Gate-Treiberschaltung gelieferten Impulsstrom. Dies ist im Grunde das, was auch in einem LLC-Resonanzwandler passiert. Das pulsierende Ausgangssignal dieser Schaltung wird dann mit einem Transformator auf eine niedrigere Spannung heruntergeregelt und mit einer Kondensatorbank geglättet. Dies geschieht auch in einem Sperrwandler, ein gängiger Typ eines isolierten Gleichspannungsschaltwandlers, obwohl die Topologie hier unterschiedlich sein kann.

Die obige Topologie zeigt Ihnen dabei eine wichtige Sache nicht explizit auf: wie die Isolierung tatsächlich umgesetzt wird und die allgemeine Erdungsstrategie. In einer isolierten Stromversorgung kann es bis zu 3 Masseregionen geben:

• Primäre Masseregion (PGND): Das ist die Masseregion auf der primären Seite des Transformators, d. h. die Eingangsseite des Netzteils. Bei Anschluss an einphasigen oder dreiphasigen Wechselstrom kann eingangsseitig auch eine Masseverbindung (siehe unten) als Anschluss an eine eingangsseitige EMI-Filterschaltung vorhanden sein. Diese Masseregion sollte bis zur Primärseite des Transformators verlaufen. Der Rand der Masseregion definiert dabei, wo im System eine Isolierung entsteht.
• Sekundäre Masseregion (SGND): Diese Masseregion beginnt an der sekundären Seite des Transformators und liefert die Massereferenz für den Rest des Systems. Dieser Bereich kann in Ihrem System ohne Erdung bleiben. Beachten Sie aber: In Hochstromsystemen kann dieser Bereich erhebliches Rauschen erzeugen, vor allem dann, wenn die Sekundärmasse um den Referenzpegel der Leistungsmasse oszilliert; die Sekundärseite wirkt dann wie ein nicht geerdeter Leiter. Dies kann bei Wechselstrom mittels eines Y-Kondensators über den beiden GND-Regionen unterdrückt werden.
• Masseanschluss (PE oder GND): Wenn dieser Anschluss in Ihrem isolierten Stromnetz vorhanden ist, dann wahrscheinlich aus Sicherheitsgründen. Er sollte dabei nicht an folgende Elemente angeschlossen werden: die Ausgangsseite Ihrer isolierten Stromversorgung oder an die Stromrückführung von nachgeschalteten Geräten sowie Leiterplatten in Ihrem System. Die Masse ist nicht als stromführender Leiter gedacht, das passiert nur dann, wenn ein Fehler auftritt.

Beachten Sie, dass die Bezeichnungen „PGND” und „SGND” nicht erforderlich sind; Sie können Ihre Netze nach Belieben benennen. Wie diese Bereiche tatsächlich miteinander verbunden sind, um etwa Rauschen zu beseitigen und die Sicherheit bei gleichzeitiger Wahrung der Gleichspannungsisolierung zu gewährleisten, hängt von der jeweiligen Anwendung ab. Hier finden Sie einige Ressourcen, die Ihnen den Einstieg in diese Systeme erleichtern:

• Wie man Massen in einem PCB-Layout mit isolierter Stromversorgung anschließt
• PCB-Erdungstechniken für plattierte PCB-Befestigungslöcher

Designbeispiele

Die folgenden Grafiken zeigen ein Designbeispiel mit einem isolierten Netzteil. In diesem Netzteil gibt es tatsächlich zwei Isolationsstufen zwischen Eingang und Ausgang:

• am Wechselstrom-Eingang
• zwischen Gegentakt-Schaltstufe und Ausgang

Die Wechselstrom-Eingangsstufe ist im Bild unten nicht dargestellt. Der Grund hierfür ist, dass es mehrere Referenzdesigns gibt, die die anfängliche Wechselstrom-Gleichstrom-Umwandlung bewältigen können. Der Ausgang der Wechselstrom-Gleichrichtungsstufe wird in eine PFC-Schaltung geführt. Diese kompensiert die Verringerung der Leistungswandlungseffizienz des Wandlers durch Schaltvorgänge. Die isolierte Schaltstufe ist entsprechend unten dargestellt.

Dies ist ein LLC-Resonanzschaltwandler, eine Variante eines Designs, das ich an anderer Stelle schon einmal gezeigt habe. Es gibt hier eine zusätzliche Gate-Treiberschaltung, die die Stufen auf der Primär- und Sekundärseite dieses Resonanzwandlers schaltet. Wir wissen, dass dieser Wandler isoliert ist. Denn die primäre und die sekundäre Masse haben unterschiedliche Netze; miteinander sind sie nur über einen Sicherheitskondensator verbunden.

Weitere typische Topologien für isolierte Stromversorgungen sind unten dargestellt – es sind aber eben nur Topologien. Hier wird auch ein Gate-Treiber benötigt, um die Schaltaktion zu steuern. Ein Rückkopplungsmechanismus wird ebenso in echten isolierten Stromversorgungen verwendet. Der Feedback-Circuit misst dabei den Ausgang und passt das treibende PWM-Signal stetig an, um die entsprechende Zielspannung aufrechtzuerhalten.

Zu den oben genannten Topologien ist anzumerken, dass die Schaltungen teilweise oder vollständig in einen vorliegenden Schaltkreis integriert werden können. Diese integrierten Schaltungen bieten dabei eine hohe galvanische Isolierung. Sie weisen zudem nur ein geringes Rauschen auf, da sie über eine integrierte Rückkopplung und unterstützende Schaltung verfügen. Daher wird diese Art von Schaltung häufiger in Systemen mit geringem Stromverbrauch verwendet, die ein geringes Rauschen und einen hohen Wirkungsgrad erfordern.

Transformatoren sorgen für galvanische Isolierung

Eine isolierte Stromversorgung verwendet einen Isoliertransformator, um eine galvanische Isolierung zwischen dem Eingangs- und dem Ausgangsbereich zu gewährleisten. Transformatoren übertragen einfach Strom zwischen den Spulen, indem sie das Magnetfeld nutzen, das durch den Wechselstrom in jeder Spule erzeugt wird. Die Spannung wird je nach Windungsverhältnis im Transformator dann entsprechend nach oben oder unten abgestuft. Der Vorteil der Isolierung mit einem Transformator besteht darin, dass es keine direkte elektrische Verbindung zwischen Eingangs- und Ausgangsspulen am Transformator gibt; die Leiter auf beiden Seiten berühren sich dabei nicht. Der Strom wird über die beiden Massebereiche im Gerät per Induktion übertragen. Dadurch wird alles, was dem Transformator nachgeschaltet ist, vor der hohen Spannung/Stromstärke auf der Eingangsseite geschützt. Oder anders ausgedrückt, alles, was dem Transformator nachgeschaltet ist, ist „isoliert”.

Wenn eine Rückkopplungsschleife zur Überwachung und Steuerung der Ausgangsleistung erforderlich ist, wird normalerweise ein Opto-Isolator verwendet. Dieser verbindet den Ausgang mit einer früheren Reglerstufe. Diese Komponente verwendet eine Infrarotdiode, um die Isolierung zwischen Hochleistungs- und Niedrigleistungsreglerstufen sicherzustellen. Bei Netzteilen, die mit niedriger Spannung/niedrigem Strom betrieben werden, kann normalerweise ein Opto-Isolator direkt an den Ausgang angeschlossen werden, obwohl es einige Opto-Isolator-ICs gibt, die höhere Spannungs-/Strompegel empfangen können.

Ein wichtiger Punkt, den es bei einer isolierten Stromversorgung zu berücksichtigen gilt, ist ihre Effizienz. Denn alle Transformatoren weisen gewisse Verluste auf – sowohl in Form von Wärme, die in der Wicklung abgeleitet wird, als auch aufgrund der Wechselmagnetisierung im Kern. Das im Kern verwendete magnetische Material (in der Regel Eisen oder eine ferromagnetische Eisenlegierung) wird durch die Schwingungen des Eingangswechselstroms hin- und her magnetisiert. Wenn das vom Wechselstrom-Eingang erzeugte Magnetfeld sehr groß ist, kann dies zu einer Sättigung der Magnetisierung im Kern führen. Dieses wiederum begrenzt dann die Ausgangsleistung, was den Wirkungsgrad verringert und zu größeren Kernverlusten führen kann. Dies ist einer der Faktoren, welcher die primären Spannungswerte auf beiden Seiten des Transformators bestimmen.

Diese Art von Transformator findet man beispielsweise in einem großen isolierten Netzteil.

Isoliertes vs. nicht-isoliertes Netzteil

Jetzt, da wir wissen, was ein Netzteil von der Leiterplatte isoliert, ist es offensichtlich, dass die Entnahme des Transformators aus der Designkette ein nicht-isoliertes Netzteil zur Folge hat. Es ist üblich, eine Leiterplatte ohne Stromisolierung zu entwerfen. Wenn Sie jedoch mit hoher Leistung arbeiten oder ein schnell schaltendes Netzteil verwenden, sollten Sie bei der Entwicklung auch an den Endbenutzer denken. So ersparen Sie sich möglicherweise das ein oder andere Gerichtsverfahren, wenn Ihr Lieblingskunde einen Schock erleidet, den er so schnell nicht vergessen wird.

Die Vorteile eines auf nicht-isolierten Stromversorgungen basierenden Designs sind dabei groß. So haben Sie im Vergleich zu einer isolierten Stromversorgung mehr Platz auf der Leiterplatte, da Sie keinen Transformator in Ihrem Gehäuse unterbringen müssen. Denn es gibt extra kleine handelsübliche Transformatoren für niedrige Spannungen/Stromstärken. Je größer Ihre Designs werden, desto mehr Platz wird auch auf Ihrer Leiterplatte benötigt. Möglicherweise profitieren Sie zudem mit einer nicht-isolierten Stromversorgung auch von einem höheren Wirkungsgrad.

Bei nicht-isolierten Netzteilen besteht aufgrund der Konstruktion immer die Gefahr eines Stromschlags.

Es ist erwähnenswert, dass es gängige Praxis ist, nicht isolierte Leistungsregler einer isolierten Stromversorgung oder einem isolierten Schaltregler nachzuschalten. Bei dieser Strategie wird die isolierte Stromversorgung an die Wechsel- oder Gleichstromquelle mit hoher Leistung angeschlossen, die dann die Spannung auf ein Niveau absenkt, das für einen Standard-Gleichstromregler-IC oder eine Spannungsreglerschaltung sicher genug ist. Dies ist etwas komplexer, hat aber den Vorteil, dass Sie den richtigen Schutz erhalten, der Ihren Sicherheitsanforderungen genügt. Ein Beispiel dafür kann ein eigenständiges medizinisches Netzteil (isoliert) sein, das eine Reihe (nicht isolierter) nachgeschalteter Geräte versorgt.

Welches Netzteil ist das richtige für Sie?

Zusammenfassend lässt sich also sagen, dass die Leistungsregelungsschaltung auf Ihrer Leiterplatte normalerweise einfach eine nicht-isolierte Stromversorgung sein sollte. Diese bestehen aus kleinen Reglerschaltungen oder Chips, die keine Isolierung erfordern. Denn sie müssen nicht so viel Strom erzeugen oder mit sehr hoher Spannung arbeiten. Selbst wenn diese einmal mit hoher Stromstärke arbeiten, kann der Benutzer niemals so mit dem System interagieren, dass ein Schockrisiko besteht. Daher sind nicht-isolierte Netzteile für die meisten kleineren Leiterplatten in Ordnung. Um die Leistung auf das erforderliche Niveau herunterzuregeln, ist hier normalerweise nur ein Abwärtswandler, gefolgt von einem LDO nötig.

Wenn Sie eine Umwandlung von Wechselstrom auf Gleichstrom (AC/DC) oder eine Hochleistungs-Gleichspannungsumwandlung (DC/DC) benötigen, verwenden Sie in der Regel eine isolierte Stromversorgung. Oft wird hier die Stromversorgung dabei auf einer eigenen Leiterplatte positioniert. Was als Nächstes geschieht, hängt von den besonderen Merkmalen Ihrer Stromquelle ab: Wechselstrom vs. Gleichstrom, Netzstrom vs. Batterie usw.. Eine spielt Rolle spielt dabei auch, wie Ihr Gehäuse verwendet wird und wie die Erdung in allen nachgeschalteten Schaltkreisen oder Systemen definiert ist, die an Ihre Stromversorgung angeschlossen sind.

Wie bereits erwähnt, werden isolierte Stromversorgungen häufig in regulierten Branchen verwendet und müssen dementsprechend auch spezifische Standards erfüllen. Beispiele hierfür sind:

• IEC 60601-1 Sicherheitsnorm für medizinische Geräte
• IEC 62368-1 Sicherheitsnorm für IT- sowie Audio- und Videogeräte (ersetzt IEC 60950-1 und IEC 60065)
• IEC 61204-7:2016 Sicherheitsnorm für allgemeine Schaltnetzteile

Einige Vorschriften definieren zwar keine bestimmten Industriestandards (z. B. US-FDA-Vorschriften für kardiovaskuläre Geräte in 21CFR870.3605). Sie schreiben jedoch Sicherheits- und EMV-Tests vor, um sicherzustellen, dass diese Geräte in der für sie vorgesehenen Umgebung vollständig mit der relevanten Elektronik und grundlegenden Sicherheitsstandards kompatibel sind.

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