절연 전원 공급 장치 PCB 레이아웃에서 접지를 연결하는 방법

벤치탑 전원 공급 장치를 사용하는 대부분의 설계자들은 벽에 꽂는 분리된 조절형(스위칭) PSU를 사용하고 있을 가능성이 높습니다. 특정 DC 또는 AC 수준에서 안정적인 전력을 제공하고, 상대적으로 낮은 노이즈를 가진 모든 것이 장치에 내장되어 있으며, 설계자로서 해야 할 일은 보드에 몇 개의 리드를 연결하는 것뿐입니다. 불행히도, 통합 전력 섹션이 있는 실제 시스템이나, 더 큰 시스템에 통합하고자 하는 전력 조절 모듈만큼 간단하지 않고 올바르게 작동하도록 하기 위해 맞춤 설계가 필요합니다.

시스템에 전원 공급 장치를 통합하는 중요한 측면 중 하나는 분리된 전원 공급 장치일지라도 접지를 올바르게 설정하고 연결하는 것입니다. 분리된 전원 공급 장치를 주요 회로와 함께 보드에 통합하는 경우에도 시스템에서 접지를 연결해야 합니다. 이 규칙은 분리된 DC 충전기나 DC 전원 어댑터를 위한 PCB에서도 적용되며, 응용 프로그램과 안전 문제에 따라 설계가 지구로 다시 연결되어야 할 수 있습니다. 나쁜 접지 연결은 노이즈 문제를 일으키거나 심지어 안전 위험을 초래할 수 있기 때문에, 보드에서 AC를 DC로 변환할 때 전원 조절 섹션에서 접지 연결을 만드는 최선의 방법을 살펴보겠습니다.

분리된 전원 공급 장치에서의 접지 구성

전력 변환(AC에서 DC로), 조절 및 설계의 회로로 전달이 필요한 시스템을 설계한다고 가정해 보겠습니다. 이 시스템의 실제 구성을 생각해 보면, 접지를 사용하기 위한 세 가지 다른 가능한 선택이 있습니다:

• 지구 접지: 이는 3선식 AC 라인에서 안전선(PE)으로 존재하는 지구로의 실제 전기 연결입니다.
• 샤시 접지: 금속 요소가 있는 인클로저에서는 인클로저 내의 금속을 사용하여 접지 연결을 생성합니다.
• 신호 접지: 때때로 아날로그 접지와 디지털 접지로 잘못 구분되기도 합니다(이렇게 접지를 분리하지 마세요). 신호 접지는 일반적으로 지구나 샤시가 아닌 모든 것을 의미합니다.

트랜스포머 결합으로 구축된 전원 공급 장치, 예를 들어 AC-DC 변환기, DC-DC 스위칭 변환기 또는 이 두 시스템의 조합은 PCB 레이아웃에서 이러한 간격을 연결하는 트랜스포머로 구축됩니다. 이유는 간단합니다: 낮은 전압과 낮은 전류에서만 작동하지 않는 한, 일반적으로 설계에서 사용자를 안전 위험으로부터 보호하기 위해 격리를 원합니다.

이러한 접지 시스템은 다양한 이유로 항상 단일 접지 평면 위에 있는 것은 아닙니다. 이는 특히 LLC 공진 변환기와 같은 더 복잡한 공급 장치의 스위칭 전원 공급 장치에 해당됩니다. 접지가 중요한 이유는 시스템에서 작동할 때 구성 요소가 측정하는 전압을 정의하기 때문입니다. "구성 요소가 측정하는 전압"이라고 쓸 때, 시스템의 한 접지 영역에서 정의된 5V 신호가 시스템의 다른 접지 영역에서 측정될 때 5V로 측정되지 않을 수 있음을 의미합니다.

우리가 잠재적 차이를 포함할 수 있는 두 개의 접지를 가지고 있는 이유는 사용자를 입력 측에 노출시키지 않는 보조 참조를 만들기 위해서입니다. 입력 측은 고전류의 원천일 수 있습니다. 우리는 이 격리를 유지하면서 동시에 고주파 잡음을 입력 측으로 되돌려 보내고 궁극적으로 지구로 보내는 방법을 제공해야 합니다. 이는 두 GND 영역에 걸쳐 있는 커패시터를 사용하여 수행됩니다.

커패시터로 접지를 연결하여 DC 격리 유지

다행히 간단한 해결책이 있습니다: 커패시터로 평면을 연결하세요. 고전압/전류 설계에는 Y등급 커패시터가 여기에 좋은 선택입니다. 회로도에서 이를 쉽게 수행할 수 있습니다: 필요한 커패시터 구성 요소를 찾은 다음, 직접 연결로 접지 네트를 연결하세요. PCB 레이아웃에서 이를 수행하는 전형적인 위치는 변압기 근처입니다. AC-DC 변환에서 여전히 유효한 더 복잡한 방법은 시스템의 AC 측과 전원 레일 사이에 커패시터를 사용하는 것입니다.

이것은 보드상의 두 개의 접지 영역에만 적용된다는 점에 유의하십시오. 아직 샤시나 지구를 고려하지 않았습니다. 그러나, 인클로저, 보드, 그리고 지구가 적절히 연결되도록 보장하기 위한 몇 가지 기본적인 단계가 있습니다. 불행히도, 이것은 간단하지 않으며 시스템에서 노이즈와 전류가 어떻게 역할을 하는지, 그리고 그것들이 안전 위험을 초래할지 여부를 생각해야 합니다. 접지를 연결하는 가장 좋은 방법을 결정하는 데 도움이 될 추가 읽을거리가 여기 있습니다.

• 전자 설계 및 PCB 레이아웃에서의 접지에 관한 모든 것
• 격리된 대 비격리된 전원 공급 장치: 실패 없는 올바른 선택
• 전원 공급 장치 접지 정의: 시스템, 샤시, 그리고 PCB의 지구

접지 평면 간극을 통한 라우팅 방법

전력 시스템에 대한 제어 알고리즘을 구현하려면 출력에서 입력으로 되돌아가는 피드백을 허용하여 출력 전력을 감지할 수 있어야 합니다. 이는 스위칭 요소가 포함된 입력 측에서 조절기의 출력 측으로 물리적으로 선을 연결해야 함을 의미합니다. 문제는 출력 측이 DC이지만 절연을 유지하고 싶을 때 제공하는 가장 좋은 방법이 무엇인가 하는 것입니다.

답은 옵토커플러를 사용하는 것입니다. 간격 위에 트레이스를 배치하는 것은 적절하지 않습니다. 왜냐하면 트레이스는 외부 노이즈를 받을 수 있고, 스위칭 전원 공급 장치는 많은 노이즈를 발생시킬 수 있기 때문입니다. 변압기 결합도 사용할 수 없습니다. 왜냐하면 DC를 조절하고 있기 때문입니다. 아래 회로도에서, 옵토커플러는 접지면 사이의 분리를 가로지르고 있으므로, 우리가 이 공급에서 원하는 격리를 유지하고 있습니다.

옵토커플러를 배치한 후에는 출력을 공급 컨트롤러로 라우팅할 수 있습니다. PWM 출력이 있는 마이크로컨트롤러는 맞춤형 전원 컨트롤러에 좋은 선택입니다. 비록 일부 회사들은 피드백 입력이 있고 외부 저항으로 구성 가능한 MOSFET 게이트 드라이버 컨트롤러를 만들기도 합니다. 매우 정밀한 전력 조절을 설계하거나 제어 알고리즘을 실험하고 있다면, 이는 출력 감지를 구현하기 위한 간단한 해결책입니다. 그런 다음 표준 제어 알고리즘을 사용하여 PWM 컨트롤러의 주파수를 조정하여 최대 효율을 보장하거나 특정한 전력 출력을 정확하게 추적할 수 있습니다.

기본에 직접 커패시터를 연결해서는 안 되는 경우

위의 논의는 일정한 종류의 전원 공급 장치, 즉 Class 2 장비에 적용됩니다. 이를 수행해서는 안 되는 한계가 있을까요? 결과적으로, 대답은 "예"입니다. 커패시터는 일부 누설 전류가 출력 측에 도달하게 할 수 있으며, 이 누설 수준은 안전 문제를 일으킬 수 있을 정도로 중요할 수 있습니다. IEEE 표준은 비의료용 Class 2 전원 공급 장치의 이 누설을 <85 uA로 제한합니다. 아이디어는 간섭을 방지하는 동시에 사용자가 음극 단자를 만졌을 때 충격을 방지하는 것입니다.

변압기의 양쪽 사이에 커패시터를 통해 누설이 더 많이 발생하는 경우, 대안 전략은 섀시를 양쪽 사이의 다리로 사용하는 것입니다. 1차 및 2차 측은 각각 자체 Y형 커패시터로 섀시에 연결될 수 있습니다. 이러한 유형의 전원 공급 장치를 Class 1 전원 공급 장치라고 합니다. 일반적으로, Y1형 커패시터는 Class 2 장비에 사용되며 Y2형 커패시터는 Class 1 장비에 사용됩니다. 그러나 이는 고주파 공통 모드 노이즈에 대한 민감성을 증가시킬 수 있습니다.이 기사에서 논의된 바와 같이.

분리된 전원 공급 장치에 연결된 접지가 있는 PCB 레이아웃을 생성해야 할 때, CircuitMaker의 완벽한 레이아웃 및 라우팅 기능을 사용하세요. 사용자는 전원 공급 장치와 대규모 디지털 회로에 대한 상세한 회로도를 구축할 수 있으며, 데이터는 즉시 새로운 PCB 레이아웃으로 전송될 수 있습니다. 모든 CircuitMaker 사용자는 또한 Altium 365 플랫폼에서 개인 작업 공간에 접근할 수 있으며, 여기에서 디자인 데이터를 클라우드에 업로드하고 저장하고, 안전한 플랫폼에서 웹 브라우저를 통해 프로젝트를 쉽게 볼 수 있습니다.

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