Cómo conectar tierras en un diseño de PCB de fuente de alimentación aislada

La mayoría de los diseñadores que trabajan con una fuente de alimentación de banco probablemente están utilizando una PSU regulada aislada (de conmutación) que se enchufa a la pared. Todo lo necesario para proporcionar energía estable a un nivel específico de CC o CA, y con relativamente poco ruido, está integrado en la unidad, y tú como diseñador realmente no tienes que hacer nada excepto conectar algunos cables a la placa. Desafortunadamente, los sistemas reales con secciones de alimentación integradas, o incluso solo módulos reguladores de potencia que deseas integrar en un sistema más grande, no son tan simples y necesitan un diseño personalizado para asegurar que operen correctamente.

Un aspecto importante de integrar una fuente de alimentación en su sistema es configurar y conectar correctamente las tierras, incluso para fuentes de alimentación aisladas. Si está integrando una fuente de alimentación aislada en una placa con el resto de su circuito principal, aún necesitará conectar las tierras en su sistema. Estas reglas también se aplican en un PCB para un cargador de CC aislado o un adaptador de alimentación de CC, ya que el diseño puede necesitar estar conectado a tierra, dependiendo de la aplicación y las preocupaciones de seguridad. Debido a que las malas conexiones a tierra pueden crear problemas de ruido, o incluso un peligro para la seguridad, veamos las mejores prácticas para crear conexiones a tierra en su sección de regulación de potencia al convertir de CA a CC en su placa.

Construcción de Tierra en una Fuente de Alimentación Aislada

Supongamos que está diseñando un sistema que necesita realizar la conversión de potencia (de CA a CC), regulación y entrega a sus circuitos en su diseño. Si piensa en la construcción práctica de este sistema, hay tres posibles opciones diferentes para usar como tierra:

• Tierra física: Esta es una conexión eléctrica literal de vuelta a la tierra, que está presente como la línea de seguridad (PE) en líneas de CA de 3 hilos.
• Tierra del chasis: Esto se aplica en un recinto con elementos metálicos, donde el metal en el recinto se utiliza para crear una conexión a tierra.
• Tierra de señal: Esto a veces se delinea incorrectamente como tierra analógica y tierra digital (no dividas tus tierras de esta manera). Una tierra de señal generalmente se refiere a cualquier cosa que no sea tierra física o del chasis.

Fuentes de alimentación construidas con acoplamiento de transformador, como convertidores AC-DC, convertidores conmutados DC-DC, o combinaciones de estos dos sistemas, se construirán con un transformador que puentea estas brechas en el diseño del PCB. La razón de esto es simple: a menos que solo estés operando a baja tensión y baja corriente, típicamente querrás aislamiento en el diseño para proteger a los usuarios de peligros de seguridad.

Estos sistemas de tierra no siempre están sobre un único plano de tierra por una variedad de razones. Esto es cierto en el caso de las fuentes de alimentación conmutadas, particularmente las fuentes más complejas como convertidores resonantes LLC. La razón por la que la tierra es tan importante es que define el voltaje que un componente mide cuando opera en un sistema. Cuando escribo “voltaje que un componente mide”, significa que una señal de 5 V definida sobre una región de tierra en un sistema puede no ser medida a 5V cuando se mide sobre alguna otra región de tierra en un sistema.

La razón por la que tenemos dos tierras que podrían incluir una diferencia de potencial es para crear una referencia secundaria que no exponga al usuario al lado de entrada, que podría ser una fuente de alta corriente. Necesitamos mantener esta aislación mientras también proporcionamos alguna manera de desviar el ruido de alta frecuencia de vuelta al lado de entrada y eventualmente a la tierra. Esto se hace con un capacitor a través de las dos regiones de GND.

Unir Tierras con un Capacitor Mantiene la Aislación de CC

Afortunadamente, hay una solución simple: unir los planos con capacitores. Los capacitores clasificados Y son una buena elección aquí para diseños de mayor voltaje/corriente. Puedes hacer esto fácilmente en tus esquemáticos: solo localiza el componente que necesitas para tu capacitor, y luego une las redes de tierra con una conexión directa. El lugar típico para hacer esto en el diseño del PCB es cerca del transformador. Un método más complejo, aunque aún válido en la conversión AC-DC, es usar un capacitor entre el riel de potencia y el lado AC del sistema.

Tenga en cuenta que esto solo se aplica a dos regiones de tierra en la placa. Aún no hemos considerado el chasis o la tierra propiamente dicha. Sin embargo, hay algunos pasos básicos que puede seguir para asegurarse de que el recinto, la placa y la tierra estén correctamente conectados. Desafortunadamente, esto no es tan simple y requiere pensar en cómo el ruido y las corrientes juegan un papel en el sistema, así como si crearán un peligro de seguridad. Aquí hay algunos recursos para lectura adicional que le ayudarán a decidir la mejor manera de conectar las tierras manteniendo la aislación.

• Todo Sobre el Aterrizaje en el Diseño Electrónico y el Diseño de PCB
• Fuentes de Alimentación Aisladas vs No Aisladas: La Elección Correcta Sin Fallos
• Definiendo la Tierra de la Fuente de Alimentación: Sistema, Chasis y Tierra en su PCB

Cómo Tender un Puente Sobre la Brecha del Plano de Tierra

Si desea implementar un algoritmo de control para su sistema de alimentación, necesitará permitir la retroalimentación desde la salida de vuelta a la entrada para que se pueda detectar la potencia de salida. Esto significa que necesita tender físicamente una línea desde la salida del lado del regulador de vuelta al lado de entrada que contiene los elementos de conmutación. La pregunta es: ¿cuál es la mejor manera de proporcionar si su lado de salida es DC, pero quiere mantener la aislación?

La respuesta es usar un optoacoplador. Colocar una pista sobre el hueco no es apropiado ya que la pista puede recibir ruido externo, y las fuentes de alimentación conmutadas pueden producir mucho ruido. El acoplamiento por transformador también es inutilizable porque estás regulando DC. En el esquemático a continuación, el optoacoplador está atravesando la separación entre el plano de tierra, así que hemos mantenido el aislamiento que queremos en esta fuente.

Una vez que hayas colocado tu optoacoplador, puedes enrutar la salida a tu controlador de suministro. Un microcontrolador con una salida PWM es una buena elección para un controlador de potencia personalizado, aunque algunas empresas fabrican controladores de puerta MOSFET que tienen una entrada de retroalimentación y son configurables con algunas resistencias externas. Si estás diseñando una regulación de potencia muy precisa o estás experimentando con algoritmos de control, esta es una solución simple para implementar la detección de salida. Luego puedes usar un algoritmo de control estándar para ajustar la frecuencia de tu controlador PWM para asegurar la máxima eficiencia o para seguir específicamente la salida de potencia deseada.

Cuándo No Deberías Conectar un Capacitor Directamente al Primario

La discusión anterior se aplica a una cierta clase de fuentes de alimentación, conocidas como equipos de Clase 2. ¿Existe algún límite en el que no se debería hacer esto? Resulta que la respuesta es "sí". El capacitor puede permitir que cierta corriente de fuga alcance el lado de salida, y este nivel de fuga puede ser lo suficientemente significativo como para crear un problema de seguridad. Las normas IEEE establecen un límite para esta fuga de <85 uA para fuentes de alimentación de Clase 2 no médicas. La idea es prevenir interferencias al mismo tiempo que se evita el choque si el usuario llegase a tocar el terminal negativo.

En el caso de que haya una fuga mayor a través de un capacitor entre los dos lados del transformador, la estrategia alternativa es usar el chasis como un puente entre los dos lados. El lado primario y secundario pueden estar conectados al chasis con sus propios capacitores tipo Y. Este tipo de fuente de alimentación se llama fuente de alimentación de Clase 1. En general, los capacitores tipo Y1 se usan en equipos de Clase 2 mientras que los capacitores tipo Y2 se usan en equipos de Clase 1. Sin embargo, esto podría aumentar la susceptibilidad al ruido de modo común de alta frecuencia, como se discute en este artículo.

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