Alimentatori isolati e non isolati: la scelta giusta per andare a colpo sicuro

Nel corso della tua carriera di progettista di circuiti stampati potrebbe arrivare un momento in cui i tuoi progetti saranno soggetti a requisiti normativi di qualche tipo. Che si tratti di prodotti medici, automobilistici, militari o di qualsiasi altro genere, il tuo progetto potrebbe essere vagliato e sottoposto a standard molto elevati. Spesso, quando queste norme sono in vigore, l'isolamento dell'energia (o la sua mancanza) diventa improvvisamente un argomento molto popolare.

Che cos'è l'isolamento energetico e cos'è un alimentatore isolato (isolated power supply)? L'isolamento dell'alimentazione è essenzialmente quello che sembra: l'alimentatore è isolato dal resto dei circuiti nel sistema. Questa è una misura comune nei sistemi di alimentazione e per un buon motivo. Ad esempio, con un alimentatore non isolato (non-isolated power supply) che alimenta il tuo PCB medico, c'è un maggior rischio che scosse elettriche o sovratensioni pericolose si diffondano attraverso l'alimentazione e nel tuo dispositivo, con la possibilità di causare danni all'utente (e forse anche al paziente!)

La comprensione degli alimentatori isolati e non isolati è una questione che riguarda la sicurezza del progettista e dell'utente. Qui non stiamo parlando solo degli alimentatori AC o DC che trovi in laboratorio. Per molti sistemi digitali e integrati, l'alimentatore è integrato nella scheda e non appare come un singolo circuito integrato. L'isolamento dell'alimentatore, anche se integrato nella scheda o in un sistema multi-scheda, contribuirà a proteggere l'utente finale e altre apparecchiature. Quindi, prima di iniziare una progettazione è opportuno considerare la differenza tra un alimentatore isolato e non isolato.

Isolated power supply: che cos'è un alimentatore isolato?

Un alimentatore isolato è un alimentatore che viene isolato elettricamente dal resto del circuito che alimenta, spesso tramite un trasformatore di isolamento. Ciò significa che l'alimentazione e la tensione vengono trasferite dall'ingresso all'uscita senza un collegamento elettrico diretto tra le due sezioni. Questi alimentatori possono accettare un'elevata tensione di ingresso dalla rete CA e convertire l'ingresso in una tensione inferiore. I successivi stadi PFC e regolatore potrebbero essere utilizzati per limitare la corrente di uscita a un valore stabile, che garantisca che i componenti a valle siano protetti da elevati picchi di tensione e corrente all'ingresso dell'alimentatore.

Per un alimentatore CC o CA di livello da laboratorio, l'utente dovrà interagire con lo stadio di uscita dell'isolated power supply. In altre parole, potrebbe essere necessario collegare o scollegare i cavi, regolare alcune impostazioni sul pannello anteriore o gestire altrimenti l'unità di alimentazione. Isolando l'ingresso dall'uscita, l'utente finale dell'alimentatore è a rischio minore di scosse quando lavora con l'alimentatore stesso. Di seguito è illustrata una topologia tipica per la conversione da AC a DC con un alimentatore isolato.

Topologia semplice per la fase di uscita di un alimentatore isolato tramite un trasformatore di isolamento.

Nella topologia di cui sopra, un trasformatore step-down viene mostrato all'ingresso (tra qualsiasi filtro EMI di ingresso e il circuito raddrizzatore) come parte integrante della conversione AC-DC, ma spesso questo verrà posizionato dopo gli stadi raddrizzatore e PFC, in particolare in un convertitore di commutazione DC-DC isolato. In genere, nei convertitori CC-CC a commutazione di corrente elevata che richiedono isolamento, per la strategia nella progettazione di alimentatori CC-CC isolati è necessario il pilotaggio di un array di MOSFET half-bridge o full-bridge con un flusso di impulsi fornito da un circuito gate driver. Questo è fondamentalmente ciò che accade in un convertitore risonante LLC. L'uscita pulsante da questo circuito viene quindi ridotta a una tensione inferiore con un trasformatore e livellata con un banco di condensatori. Questa operazione viene eseguita anche in un convertitore flyback, che è un tipo comune di convertitore di commutazione DC-DC isolato, sebbene la topologia possa essere diversa.

Tipologie di messa a terra in un alimentatore isolato

La topologia sopra riportata non illustra in modo esplicito un aspetto importante: come vengono effettivamente implementati l'isolamento e la strategia complessiva di messa a terra. In un alimentatore isolato possono essere presenti fino a 3 aree di messa a terra:

• Messa a terra principale (PGND): questa è l'area di terra sul lato principale del trasformatore, cioè il lato di ingresso dell'alimentatore. Se collegata a CA monofase o trifase, potrebbe essere presente anche un collegamento a terra (vedere di seguito) sul lato di ingresso come collegamento in un circuito di filtro EMI in ingresso. Quest'area di terra dovrebbe arrivare fino al lato principale del trasformatore e la periferia di quest'area di terra definisce dove si verifica l'isolamento nel sistema.
• Messa a terra secondaria (SGND): quest'area di messa a terra inizia dal lato secondario del trasformatore e fornisce il riferimento della terra per il resto del sistema. Quest'area potrebbe essere lasciata flottante nel sistema, sebbene nei sistemi ad alta potenza ciò possa creare un rumore significativo se la terra secondaria oscilla attorno al livello di riferimento della terra dell'alimentazione, poiché il lato secondario si comporta come un conduttore flottante. Questo viene soppresso in CA con un cappuccio di tipo Y attraverso le due aree GND.
• Messa a terra dello chassis (terra) (PE o GND): se presente nel sistema di alimentazione isolato, sarà generalmente una terra di sicurezza. Non deve essere collegata al lato di uscita dell'alimentatore isolato o al ritorno dell'alimentazione su qualsiasi apparecchiatura o scheda a valle del sistema. Il chassis non è destinato a essere un conduttore di corrente, tranne nel caso in cui si verifichi un guasto.

Si noti che le denominazioni "PGND" e "SGND" non sono necessarie: tecnicamente è possibile nominare i collegamenti a piacimento. Il modo in cui queste aree vengono effettivamente collegate per eliminare i disturbi e garantire la sicurezza mantenendo l'isolamento CC dipende dall'applicazione. Ecco alcune risorse per aiutarti a iniziare a usare questi sistemi:

• Come collegare le masse in un layout PCB di alimentazione isolato
• Tecniche di messa a terra PCB per fori di montaggio PCB placcati

Esempi di design con isolated power supply

Le immagini seguenti mostrano un esempio di progettazione che prevede un alimentatore isolato. In questa fornitura abbiamo effettivamente due livelli di isolamento applicati tra l'ingresso e l'uscita:

• Inizialmente all'ingresso CA
• Tra lo stadio di commutazione push-pull e l'uscita.

Lo stadio di ingresso CA non è mostrato di seguito poiché esistono più progetti di riferimento in grado di gestire l'attività iniziale di conversione CA/CC. L'uscita dallo stadio di rettifica CA viene immessa in un circuito PFC che compensa la riduzione dell'efficienza di conversione della potenza del convertitore attraverso un'azione di commutazione. La fase di commutazione isolata è mostrata di seguito.

Questo è un convertitore a commutazione risonante LLC ed è la variante di una progettazione che ho mostrato altrove. C'è un circuito gate driver aggiuntivo che commuta le fasi sui lati primario e secondario di questo convertitore risonante. Sappiamo che questo convertitore è isolato perché le masse primarie e secondarie sono collegamenti diversi; sono collegati solo con un condensatore di sicurezza.

Topologie di alimentatori isolati standard

Di seguito sono illustrate altre topologie di alimentatori isolati standard. Queste sono solo topologie: è necessario anche un gate driver per guidare l'azione di commutazione. Un meccanismo di feedback viene utilizzato anche negli alimentatori isolati reali: il circuito di feedback misura l'uscita e regola il segnale PWM di conduzione utilizzato per mantenere una tensione target.

Riguardo alle topologie di cui sopra, occorre notare che i circuiti potrebbero essere parzialmente o totalmente incorporati in un circuito integrato. Questi circuiti integrati forniscono un elevato isolamento galvanico, ma con feedback integrato e circuiti di supporto necessari per ridurre il rumore. Sono più comuni per l'uso in sistemi a bassa potenza che richiedono bassa rumorosità e alta efficienza.

I trasformatori forniscono isolamento galvanico

Una isolated power supply utilizza un trasformatore di isolamento per fornire isolamento galvanico tra le sezioni di ingresso e uscita. I trasformatori trasferiscono semplicemente l'energia tra le bobine utilizzando il campo magnetico generato da una corrente alternata in ciascuna bobina, e la tensione viene trasferita verso l'alto o verso il basso, a seconda del rapporto di rotazione nel trasformatore. Il vantaggio dell'isolamento con un trasformatore è l'assenza di un collegamento elettrico diretto tra le bobine di ingresso e di uscita sul trasformatore; i conduttori su ogni lato non si toccano l'un l'altro. La potenza viene trasferita attraverso le due aree di massa del dispositivo tramite induzione. In questo modo, tutto ciò che si trova a valle del trasformatore è protetto dall'alta tensione/corrente sul lato d'ingresso o, in altre parole, è "isolato".

Quando è necessario un circuito di feedback per il monitoraggio e il controllo della potenza di uscita, viene normalmente utilizzato un optoisolatore per collegare l'uscita a uno stadio di regolazione precedente. Questo componente utilizza un diodo a infrarossi per garantire l'isolamento tra l'alta potenza e le fasi del regolatore a bassa potenza. Per gli alimentatori che funzionano a bassa tensione/corrente, di solito è possibile collegare un optoisolatore direttamente all'uscita, anche se esistono alcuni circuiti integrati optoisolatori che possono ricevere livelli di tensione/corrente maggiori.

Un aspetto da considerare in un alimentatore isolato è la sua efficienza. Tutti i trasformatori presentano delle perdite, sia sotto forma di calore dissipato nell'avvolgimento sia dovute alla magnetizzazione alternata nel nucleo. Il materiale magnetico utilizzato nel nucleo (solitamente ferro o una lega ferromagnetica di ferro) si magnetizza avanti e indietro mentre la corrente CA in ingresso oscilla. Quando il campo magnetico creato dall'ingresso CA è molto grande, può causare la saturazione della magnetizzazione nel nucleo, limitando la potenza di uscita (diminuisce l'efficienza) e creando maggiori perdite di nucleo. Questo è uno dei fattori che determinano le frequenze di tensione principali sui due lati del trasformatore.

Questo tipo di trasformatore si può trovare in un grande alimentatore isolato.

Alimentazione isolata e non isolata

Ora che sappiamo in che modo l'alimentatore viene isolato dalla scheda, diventa piuttosto ovvio che se si toglie il trasformatore dalla progettazione si rende improvvisamente l'alimentatore non isolato. La progettazione di una scheda senza isolamento dell'alimentazione è pratica comune. Tuttavia, se si lavora ad alta potenza o si utilizza un alimentatore a commutazione rapida, è opportuno considerare l'utente finale lungo il percorso di progettazione, per risparmiarsi delle cause legali se il cliente viene colpito da una scossa che difficilmente dimenticherà.

La realizzazione di questi progetti con non-isolated power supply sono numerosi. In primo luogo, potrai approfittare di un aumento dell'alimentazione disponibile (rispetto a una progettazione isolata), dovuto al fatto che non dovrai inserire un trasformatore nel contenitore. Esistono trasformatori di piccole dimensioni già pronti per tensioni/correnti inferiori, ma man mano che si sale di livello si guadagna spazio sulla scheda. Potrai anche sfruttare una maggiore efficienza con un alimentatore non isolato.

Gli alimentatori non isolati comportano sempre il rischio di scosse elettriche nell'intera progettazione.

Vale la pena notare che è pratica comune posizionare un regolatore di potenza non isolato a valle di un alimentatore isolato o di un regolatore di commutazione isolato. In questa strategia, l'alimentatore isolato viene posizionato sulla sorgente CA o CC ad alta potenza, che quindi riduce la tensione a un livello sufficientemente sicuro per un regolatore CC standard nel circuito integrato o un circuito regolatore di tensione. Si tratta di una progettazione un po' più complessa, ma ha il vantaggio di fornire la protezione adeguata per la conformità ai requisiti di sicurezza. Un esempio di questa modalità costruttiva può essere un alimentatore autonomo (isolato) per dispositivi medici che alimenta diversi dispositivi (non isolati) a valle.

Qual è il metodo giusto per te?

In sintesi, in genere il circuito di regolazione dell'alimentazione sulla tua scheda sarà semplicemente un alimentatore non isolato. Si tratta di circuiti regolatori o chip di piccole dimensioni che non richiedono l'isolamento perché non generano molta corrente o non operano a tensioni molto elevate. Anche se funzionano con corrente elevata, l'utente potrebbe non interagire mai con il sistema in modo tale da rischiare una scossa. Pertanto, gli alimentatori non isolati vanno bene per la maggior parte delle schede più piccole. Questo di solito sarà solo un convertitore buck seguito da un LDO per regolare l'alimentazione al livello richiesto.

Quando è necessaria una conversione da CA a CC ad alta potenza o da CC a CC ad alta potenza, in genere si utilizza un alimentatore isolato e spesso l'alimentatore è progettato su una scheda separata. Quello che succede dopo dipende dalle caratteristiche specifiche della fonte di alimentazione (CA o CC, rete elettrica o batteria, ecc.), dall'uso che ne verrà fatto e da come viene definita la messa a terra nei circuiti o sistemi a valle collegati all'alimentatore.

Come affermato in precedenza, gli alimentatori isolati sono spesso richiesti per i settori regolamentati e devono soddisfare determinati standard. Gli esempi includono:

• Standard di sicurezza IEC 60601-1 per dispositivi medici
• Standard di sicurezza IEC 62368-1 per apparecchiature IT e AV (sostituisce IEC 60950-1 e IEC 60065)
• Standard di sicurezza EC 61204-7:2016 per alimentatori generici a commutazione.

Alcune normative non specificano determinati standard di settore (ad esempio, le normative FDA statunitensi sui dispositivi cardiovascolari in 21CFR870,3605), ma impongono test di sicurezza e di compatibilità elettromagnetica per garantire che questi dispositivi siano pienamente compatibili con altri dispositivi elettronici e con gli standard di sicurezza di base nell'ambiente a cui sono destinati.

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