Come collegare i collegamenti a terra in un layout di PCB per alimentatori isolati

La maggior parte dei progettisti che lavorano con un alimentatore da banco probabilmente utilizza un PSU regolato isolato (a commutazione) che si collega alla presa di corrente. Tutto ciò che serve per fornire energia stabile a un determinato livello di DC o AC, e con rumore relativamente basso, è integrato nell'unità, e tu come progettista non devi davvero fare altro se non collegare alcuni cavi alla scheda. Sfortunatamente, i sistemi reali con sezioni di alimentazione integrate, o anche solo moduli regolatori di potenza che vuoi integrare in un sistema più grande, non sono così semplici e richiedono una progettazione personalizzata per garantire che funzionino correttamente.

Un aspetto importante dell'integrazione di un'alimentatore nel tuo sistema è impostare e collegare correttamente i collegamenti a terra, anche per gli alimentatori isolati. Se stai integrando un alimentatore isolato su una scheda con il resto del tuo circuito principale, dovrai comunque connettere i collegamenti a terra nel tuo sistema. Queste regole si applicano anche in un PCB per un caricabatterie DC isolato o un adattatore di alimentazione DC poiché il design potrebbe dover essere ricollegato alla terra, a seconda dell'applicazione e delle preoccupazioni per la sicurezza. Poiché cattive connessioni di terra possono creare problemi di rumore, o addirittura un pericolo per la sicurezza, vediamo le migliori pratiche per creare connessioni di terra nella tua sezione di regolazione dell'alimentazione quando converti AC in DC sulla tua scheda.

Costruzione del Terra in un Alimentatore Isolato

Supponiamo che tu stia progettando un sistema che necessita di eseguire la conversione di potenza (da AC a DC), la regolazione e la consegna ai tuoi circuiti nel tuo design. Se pensi alla costruzione pratica di questo sistema, ci sono tre diverse possibili scelte da usare per il terra:

• Terra fisica: Questa è una connessione elettrica letterale alla terra, che è presente come linea di sicurezza (PE) sulle linee AC a 3 fili.
• Messa a terra del telaio: Questo si applica in un involucro con elementi metallici, dove il metallo nell'involucro è utilizzato per creare una connessione di terra.
• Messa a terra del segnale: Questo è talvolta erroneamente delineato come terra analogica e terra digitale (non dividere le tue terre in questo modo). Una messa a terra del segnale si riferisce generalmente a tutto ciò che non è terra o telaio.

Alimentatori costruiti con accoppiamento tramite trasformatore, come convertitori AC-DC, convertitori commutati DC-DC, o combinazioni di questi due sistemi, saranno costruiti con un trasformatore che collega queste lacune nel layout del PCB. Il motivo è semplice: a meno che non si operi solo a bassa tensione e bassa corrente, si desidera tipicamente un'isolamento nel progetto per proteggere gli utenti da pericoli per la sicurezza.

Questi sistemi di terra non sono sempre su un unico piano di terra per una varietà di motivi. Questo è vero per gli alimentatori a commutazione, in particolare per alimentatori più complessi come convertitori risonanti LLC. Il motivo per cui la terra è così importante è che definisce la tensione che un componente misura quando opera in un sistema. Quando scrivo "tensione che un componente misura", significa che un segnale di 5 V definito su una regione di terra in un sistema potrebbe non essere misurato a 5V quando misurato su qualche altra regione di terra in un sistema.

Il motivo per cui abbiamo due masse che potrebbero includere una differenza di potenziale è creare un riferimento secondario che non esponga l'utente al lato di ingresso, che potrebbe essere una fonte di alta corrente. Dobbiamo mantenere questo isolamento pur fornendo un modo per deviare il rumore ad alta frequenza di nuovo al lato di ingresso e, infine, alla terra. Questo viene fatto con un condensatore attraverso le due regioni di GND.

Collegare le Masse con un Condensatore Mantiene l'Isolamento DC

Fortunatamente, esiste una soluzione semplice: collegare insieme i piani con dei condensatori. I condensatori di tipo Y sono una buona scelta qui per progetti di tensione/corrente più elevati. Puoi farlo facilmente nei tuoi schemi: basta localizzare il componente necessario per il tuo condensatore e poi collegare le reti di massa con una connessione diretta. Il posto tipico per farlo nel layout del PCB è vicino al trasformatore. Un metodo più complesso, sebbene ancora valido nella conversione AC-DC, è usare un condensatore tra il binario di alimentazione e il lato AC del sistema.

Nota che questo si applica solo a due regioni di terra sulla scheda. Non abbiamo ancora considerato il telaio o la terra. Tuttavia, ci sono alcuni passi fondamentali che puoi seguire per assicurarti che l'involucro, la scheda e la terra siano correttamente collegati insieme. Sfortunatamente, questo non è così semplice e richiede di pensare a come il rumore e le correnti giocano un ruolo nel sistema, così come se creeranno un pericolo per la sicurezza. Ecco alcune risorse per ulteriori letture per aiutarti a decidere il modo migliore per collegare le masse mantenendo l'isolamento.

• Tutto sulla Messa a Terra nel Design Elettronico e Layout PCB
• Alimentatori Isolati vs Non Isolati: La Scelta Giusta Senza Fallire
• Definire la Messa a Terra dell'Alimentatore: Sistema, Telaio e Terra nel Tuo PCB

Come Tracciare Attraverso la Lacuna del Piano di Terra

Se vuoi implementare un algoritmo di controllo per il tuo sistema di alimentazione, dovrai permettere un feedback dall'uscita all'ingresso in modo che la potenza di uscita possa essere rilevata. Questo significa che devi fisicamente tracciare una linea dall'uscita del lato del regolatore all'ingresso che contiene gli elementi di commutazione. La domanda è: qual è il modo migliore per fornire se il tuo lato di uscita è in DC, ma vuoi mantenere l'isolamento?

La risposta è utilizzare un optoisolatore. Posizionare una traccia sopra l'interruzione non è appropriato poiché la traccia può ricevere rumore esterno, e gli alimentatori switching possono produrre molto rumore. Anche l'accoppiamento tramite trasformatore non è utilizzabile perché si sta regolando la corrente continua. Nello schema sottostante, l'optoisolatore è posizionato a cavallo della separazione tra il piano di massa, quindi abbiamo mantenuto l'isolamento che desideriamo in questo alimentatore.

Una volta posizionato il tuo optoisolatore, puoi instradare l'uscita al tuo controllore di alimentazione. Un microcontrollore con un'uscita PWM è una buona scelta per un controllore di potenza personalizzato, anche se alcune aziende producono controllori di gate MOSFET che hanno un ingresso di feedback e sono configurabili con alcune resistenze esterne. Se stai progettando una regolazione della potenza molto precisa o stai sperimentando con algoritmi di controllo, questa è una soluzione semplice da implementare per il rilevamento dell'uscita. Puoi quindi utilizzare un algoritmo di controllo standard per regolare la frequenza del tuo controllore PWM per garantire la massima efficienza o per seguire specificamente l'uscita di potenza desiderata.

Quando Non Dovresti Collegare Direttamente un Condensatore al Primario

La discussione sopra si applica a una certa classe di alimentatori, noti come apparecchiature di Classe 2. Esiste un limite oltre il quale non si dovrebbe procedere? Come si scopre, la risposta è "sì". Il condensatore può permettere ad una certa corrente di dispersione di raggiungere il lato di uscita, e questo livello di dispersione può essere abbastanza significativo da creare un problema di sicurezza. Gli standard IEEE stabiliscono un limite per questa dispersione inferiore a 85 uA per gli alimentatori di Classe 2 non medici. L'idea è quella di prevenire interferenze mantenendo al contempo la sicurezza in caso il terminale negativo venga mai toccato dall'utente.

Nel caso in cui ci sia una dispersione maggiore tramite un condensatore tra i due lati del trasformatore, la strategia alternativa consiste nell'utilizzare il chassis come ponte tra i due lati. Il lato primario e secondario possono essere collegati al chassis con i propri condensatori di tipo Y. Questo tipo di alimentatore è chiamato alimentatore di Classe 1. In generale, i condensatori di tipo Y1 sono utilizzati negli apparecchi di Classe 2 mentre i condensatori di tipo Y2 sono utilizzati negli apparecchi di Classe 1. Tuttavia, ciò potrebbe aumentare la suscettibilità al rumore comune ad alta frequenza, come discusso in questo articolo.

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