アイソレートされた電源供給PCBレイアウトでグラウンドを接続する方法

ベンチトップ電源を使用するほとんどの設計者は、壁に差し込む絶縁された調整（スイッチング）PSUを使用している可能性が高いです。特定のDCまたはACレベルで安定した電力を提供し、比較的低ノイズで内蔵されている必要があるすべてのものがユニットに組み込まれており、設計者としては基板にいくつかのリードを接続する以外に実際に行う必要があることはほとんどありません。残念ながら、統合電源セクションを持つ実際のシステムや、大きなシステムに統合したい電力レギュレータモジュールも、そう簡単ではなく、正しく動作するようにカスタム設計が必要です。

電源をシステムに統合する際の重要な側面の一つは、隔離された電源であっても、正しく接地を設定し接続することです。主要な回路と共に基板上に隔離電源を統合する場合でも、システム内で接地を接続する必要があります。これらのルールは、隔離されたDC充電器やDC電源アダプタのPCBにおいても適用されます。なぜなら、設計はアプリケーションや安全上の懸念に応じて、地球に戻す必要があるかもしれないからです。接地接続が悪いと、ノイズ問題や安全上の危険を引き起こす可能性があるため、基板上でACからDCへの変換時に電源調整セクションで接地接続を作成するためのベストプラクティスを見ていきましょう。

隔離電源における接地構築

電力変換（ACからDCへ）、調整、および設計内の回路への配電を行う必要があるシステムを設計しているとします。このシステムの実際の構築を考えると、接地に使用する3つの異なる可能性があります：

• 地球接地：これは、3線式ACラインの安全線（PE）として存在する、文字通りの地球への電気的接続です。
• シャーシグラウンド： これは、エンクロージャ内の金属要素を使用してグラウンド接続を作成する場合に適用されます。
• 信号グラウンド： これは時々、アナロググラウンドとデジタルグラウンドとして誤って区別されます（このようにグラウンドを分割しないでください）。信号グラウンドは、地球やシャーシではないものを一般に指します。

トランス結合を使用して構築された電源供給装置、例えばAC-DCコンバータ、DC-DCスイッチングコンバータ、またはこれら2つのシステムの組み合わせは、PCBレイアウトのギャップをトランスで橋渡しすることで構築されます。これには単純な理由があります：低電圧と低電流でのみ動作している場合を除き、通常は設計において安全上の危険からユーザーを保護するために絶縁を望みます。

これらのグラウンドシステムは、さまざまな理由から常に単一のグラウンドプレーン上にあるわけではありません。これは、LLC共振コンバータのようなより複雑な電源供給装置、特にスイッチング電源供給装置に当てはまります。グラウンドが非常に重要な理由は、システム内で動作する際にコンポーネントが測定する電圧を定義するからです。私が「コンポーネントが測定する電圧」と書くとき、それはシステム内の一つのグラウンド領域で定義された5Vの信号が、システム内の他のグラウンド領域で測定された場合に5Vで測定されないかもしれないことを意味します。

理由は、潜在的な差を含む2つのグラウンドを持つことは、ユーザーを高電流の可能性がある入力側にさらさないための第二の参照を作成するためです。この隔離を維持しながら、高周波ノイズを入力側に戻し、最終的に地球に戻す方法を提供する必要があります。これは、2つのGND領域を横断するキャパシタで行われます。

キャパシタでグラウンドを結ぶことでDC隔離を維持

幸いなことに、簡単な解決策があります：キャパシタで平面を結びます。高電圧/電流設計にはY定格のキャパシタが良い選択です。これは、回路図で簡単に行うことができます：必要なキャパシタのコンポーネントを見つけて、直接接続でグラウンドネットを橋渡しします。これをPCBレイアウトで行う典型的な場所は、トランスフォーマーの近くです。より複雑な方法ではありますが、AC-DC変換でまだ有効なのは、電源レールとシステムのAC側の間にキャパシタを使用することです。

この注意事項は、基板上の2つのグラウンド領域にのみ適用されます。まだシャーシやアースは考慮していません。しかし、エンクロージャ、基板、アースが適切に接続されていることを確認するために取ることができる基本的なステップがいくつかあります。残念ながら、これは単純なことではなく、ノイズや電流がシステムでどのように機能するか、またそれらが安全上の危険を引き起こす可能性があるかどうかを考えることが必要です。グラウンドを接続する最良の方法を決定するのに役立つ、さらなる読書のためのリソースはこちらです。

• 電子設計とPCBレイアウトにおけるグラウンディングについて
• 絶縁型対非絶縁型電源：失敗しない正しい選択
• 電源グラウンドの定義：システム、シャーシ、およびPCB内のアース

グラウンドプレーンギャップを越えてルーティングする方法

電力システムに制御アルゴリズムを実装したい場合、出力から入力へのフィードバックを許可する必要があります。これは、出力電力を感知できるように、レギュレータの出力側からスイッチング要素を含む入力側へ物理的に線を引く必要があることを意味します。問題は、出力側がDCであるが、絶縁を維持したい場合に最適な方法を提供するにはどうすればよいかです。

解決策は、オプトカプラを使用することです。ギャップの上にトレースを配置することは適切ではありません。トレースは外部ノイズを受け取る可能性があり、スイッチング電源は多くのノイズを発生させることができます。トランスフォーマー結合も使用できません。なぜなら、DCを調整しているからです。下の回路図では、オプトカプラがグラウンドプレーンの分離部分にまたがって配置されているため、この供給で望んでいた絶縁を維持しています。

オプトカプラを配置したら、出力を電源コントローラーにルーティングできます。PWM出力を持つマイクロコントローラーは、カスタム電源コントローラーに適した選択肢ですが、フィードバック入力を持ち、外部抵抗で設定可能なMOSFETゲートドライバーコントローラーを製造している企業もあります。非常に正確な電力調整を設計している場合や、制御アルゴリズムを実験している場合、これは出力センシングを実装する簡単な解決策です。その後、標準の制御アルゴリズムを使用して、PWMコントローラーの周波数を調整し、最大効率を確保するか、特定の電力出力を正確に追跡することができます。

プライマリに直接コンデンサを接続すべきでない場合

上記の議論は、クラス2機器として知られる特定のクラスの電源に適用されます。これを行うべきではない限界はありますか？結果として、「はい」という答えが出ます。キャパシタは、出力側にある程度の漏れ電流を許すことがあり、この漏れ電流のレベルは安全上の問題を引き起こすほど重大なものになる可能性があります。IEEE基準は、非医療用クラス2電源のこの漏れ電流の限界を<85 uAと定めています。この考え方は、干渉を防ぎつつ、ユーザーが負の端子に触れた場合にショックを防ぐことを目的としています。

トランスの両側間でキャパシタを介してより高い漏れがある場合、代替戦略はシャーシを両側間の橋渡しとして使用することです。一次側と二次側は、それぞれのY型キャパシタでシャーシに架橋されます。このタイプの電源はクラス1電源と呼ばれます。一般的に、クラス2機器ではY1型キャパシタが使用され、クラス1機器ではY2型キャパシタが使用されます。しかし、この記事で議論されているように、高周波共通モードノイズに対する感受性が高まる可能性があります。

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