Comment connecter les masses dans une disposition de PCB d'alimentation isolée

La plupart des concepteurs qui travaillent avec une alimentation de laboratoire utilisent probablement une alimentation à découpage (régulée et isolée) qui se branche sur le secteur. Tout ce qui est nécessaire pour fournir une alimentation stable à un niveau spécifique de courant continu ou alternatif, et avec un bruit relativement faible, est intégré dans l'unité, et vous, en tant que concepteur, n'avez vraiment rien à faire à part connecter quelques fils à la carte. Malheureusement, les systèmes réels avec des sections d'alimentation intégrées, ou même juste des modules régulateurs de puissance que vous souhaitez intégrer dans un système plus large, ne sont pas si simples et nécessitent une conception personnalisée pour garantir leur fonctionnement correct.

Un aspect important de l'intégration d'une alimentation électrique dans votre système est la mise en place et la connexion correctes des masses, même pour les alimentations isolées. Si vous intégrez une alimentation électrique isolée sur une carte avec le reste de votre circuit principal, vous devrez quand même connecter les masses dans votre système. Ces règles s'appliquent également dans un PCB pour un chargeur DC isolé ou un adaptateur d'alimentation DC, car la conception peut devoir être reconnectée à la terre, en fonction de l'application et des préoccupations de sécurité. Comme de mauvaises connexions de masse peuvent créer des problèmes de bruit, ou même un danger pour la sécurité, examinons les meilleures pratiques pour créer des connexions de masse dans votre section de régulation d'alimentation lors de la conversion AC en DC sur votre carte.

Construction de la Masse dans une Alimentation Isolée

Supposons que vous concevez un système qui doit effectuer la conversion d'énergie (AC en DC), la régulation et la livraison à vos circuits dans votre conception. Si vous pensez à la construction pratique de ce système, il existe trois choix possibles différents pour utiliser comme masse :

• Masse terrestre : Il s'agit d'une connexion électrique littérale à la terre, qui est présente comme la ligne de sécurité (PE) sur les lignes AC à 3 fils.
• Masse du châssis : Cela s'applique dans un boîtier comportant des éléments métalliques, où le métal du boîtier est utilisé pour créer une connexion à la terre.
• Masse du signal : Cela est parfois incorrectement délimité comme masse analogique et masse numérique (ne séparez pas vos masses de cette manière). Une masse de signal se réfère généralement à tout ce qui n'est ni la terre ni la masse du châssis.

Les alimentations électriques construites avec un couplage par transformateur, telles que les convertisseurs AC-DC, les convertisseurs à découpage DC-DC, ou des combinaisons de ces deux systèmes, seront construites avec un transformateur pour combler ces écarts dans l'agencement du PCB. La raison en est simple : à moins que vous n'opériez uniquement à basse tension et à faible courant, vous souhaitez généralement une isolation dans la conception pour protéger les utilisateurs contre les dangers.

Ces systèmes de masse ne sont pas toujours sur un seul plan de masse pour diverses raisons. Cela est vrai pour les alimentations à découpage, en particulier les alimentations plus complexes comme les convertisseurs résonnants LLC. La raison pour laquelle la masse est si importante est qu'elle définit la tension qu'un composant mesure lorsqu'il fonctionne dans un système. Quand j'écris « tension qu'un composant mesure », cela signifie qu'un signal de 5 V défini sur une région de masse dans un système peut ne pas être mesuré à 5V lorsqu'il est mesuré sur une autre région de masse dans un système.

La raison pour laquelle nous avons deux terres qui pourraient inclure une différence de potentiel est de créer une référence secondaire qui n'expose pas l'utilisateur au côté entrée, qui pourrait être une source de courant élevé. Nous devons maintenir cette isolation tout en fournissant également un moyen de dévier le bruit de haute fréquence vers le côté entrée et finalement vers la terre. Cela se fait avec un condensateur à travers les deux régions GND.

Lier les Terres avec un Condensateur Maintient l'Isolation DC

Heureusement, il existe une solution simple : lier ensemble les plans avec des condensateurs. Les condensateurs de type Y sont un bon choix ici pour les conceptions de tension/courant plus élevées. Vous pouvez faire cela facilement dans vos schémas : localisez simplement le composant dont vous avez besoin pour votre condensateur, puis reliez les réseaux de terre avec une connexion directe. L'endroit typique pour faire cela dans la disposition du PCB est proche du transformateur. Une méthode plus complexe, bien que toujours valide dans la conversion AC-DC, consiste à utiliser un condensateur entre le rail d'alimentation et le côté AC du système.

Notez que cela ne s'applique qu'à deux régions de masse sur la carte. Nous n'avons pas encore considéré le châssis ou la terre. Cependant, il existe quelques étapes de base que vous pouvez suivre pour vous assurer que le boîtier, la carte et la terre sont correctement reliés ensemble. Malheureusement, cela n'est pas si simple et nécessite de réfléchir à la manière dont le bruit et les courants jouent un rôle dans le système, ainsi qu'à leur potentiel de créer un danger pour la sécurité. Voici quelques ressources pour approfondir vos connaissances et vous aider à décider de la meilleure manière de connecter les masses tout en maintenant l'isolation.

• Tout sur la mise à la terre dans la conception électronique et l'agencement des PCB
• Alimentations isolées vs non isolées : Le bon choix sans faute
• Définir la masse de l'alimentation : Système, châssis et terre dans votre PCB

Comment router à travers l'écart du plan de masse

Si vous souhaitez mettre en œuvre un algorithme de contrôle pour votre système d'alimentation, vous devrez permettre un retour d'information de la sortie vers l'entrée afin que la puissance de sortie puisse être détectée. Cela signifie que vous devez physiquement tirer une ligne de la sortie du côté du régulateur vers le côté d'entrée qui contient les éléments de commutation. La question est : quelle est la meilleure manière de fournir si votre côté de sortie est en courant continu, mais que vous souhaitez maintenir l'isolation?

La réponse est d'utiliser un optocoupleur. Placer une piste sur l'écart n'est pas approprié car la piste peut recevoir du bruit externe, et les alimentations à découpage peuvent produire beaucoup de bruit. Le couplage par transformateur est également inutilisable parce que vous régulez du courant continu. Dans le schéma ci-dessous, l'optocoupleur enjambe la séparation entre le plan de masse, donc nous avons maintenu l'isolation que nous voulons dans cette alimentation.

Une fois que vous avez placé votre optocoupleur, vous pouvez router la sortie vers votre contrôleur d'alimentation. Un microcontrôleur avec une sortie PWM est un bon choix pour un contrôleur de puissance personnalisé, bien que certaines entreprises fabriquent des contrôleurs de porte MOSFET qui ont une entrée de retour et sont configurables avec quelques résistances externes. Si vous concevez une régulation de puissance très précise ou si vous expérimentez avec des algorithmes de contrôle, c'est une solution simple à mettre en œuvre pour la détection de sortie. Vous pouvez ensuite utiliser un algorithme de contrôle standard pour ajuster la fréquence de votre contrôleur PWM afin d'assurer une efficacité maximale ou pour suivre spécifiquement la sortie de puissance désirée.

Quand vous ne devriez pas connecter un condensateur directement au primaire

La discussion ci-dessus s'applique à une certaine classe d'alimentations électriques, connue sous le nom d'équipement de Classe 2. Existe-t-il une limite à ne pas franchir ? Il s'avère que la réponse est "oui". Le condensateur peut permettre à un certain courant de fuite d'atteindre le côté de sortie, et ce niveau de fuite peut être suffisamment significatif pour créer un problème de sécurité. Les normes IEEE fixent une limite à cette fuite à

En cas de fuite plus importante via un condensateur entre les deux côtés du transformateur, la stratégie alternative consiste à utiliser le châssis comme pont entre les deux côtés. Le côté primaire et secondaire peuvent être reliés au châssis avec leurs propres condensateurs de type Y. Ce type d'alimentation électrique est appelé une alimentation de Classe 1. En général, les condensateurs de type Y1 sont utilisés dans les équipements de Classe 2 tandis que les condensateurs de type Y2 sont utilisés dans les équipements de Classe 1. Cependant, cela pourrait augmenter la susceptibilité au bruit de mode commun à haute fréquence, comme discuté dans cet article.

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