Jak połączyć masy w układzie PCB z izolowanym zasilaniem

Większość projektantów pracujących z zasilaczem laboratoryjnym prawdopodobnie używa izolowanego regulowanego zasilacza impulsowego (PSU), który podłącza się do sieci. Wszystko, co potrzebne do zapewnienia stabilnego zasilania na określonym poziomie DC lub AC, oraz przy stosunkowo niskim poziomie szumów, jest wbudowane w urządzenie, i ty jako projektant naprawdę nie musisz robić nic poza podłączeniem kilku przewodów do płytki. Niestety, rzeczywiste systemy z zintegrowanymi sekcjami zasilającymi, czy nawet tylko moduły regulatorów mocy, które chcesz zintegrować z większym systemem, nie są takie proste i wymagają niestandardowego projektowania, aby zapewnić ich poprawne działanie.

Jednym ważnym aspektem integracji zasilacza do twojego systemu jest prawidłowe ustawienie i łączenie mas, nawet dla izolowanych zasilaczy. Jeśli integrujesz izolowany zasilacz na płytce z resztą głównych obwodów, nadal będziesz musiał połączyć masy w swoim systemie. Te zasady dotyczą również PCB dla izolowanego ładowarki DC lub adaptera zasilania DC, ponieważ projekt może wymagać połączenia z powrotem z ziemią, w zależności od zastosowania i obaw dotyczących bezpieczeństwa. Ponieważ złe połączenia mas mogą tworzyć problemy z zakłóceniami lub nawet stanowić zagrożenie bezpieczeństwa, przyjrzyjmy się najlepszym praktykom tworzenia połączeń masowych w sekcji regulacji mocy podczas przekształcania AC na DC na twojej płytce.

Konstrukcja masy w izolowanym zasilaczu

Załóżmy, że projektujesz system, który musi wykonywać konwersję mocy (AC na DC), regulację i dostarczanie do twoich obwodów w twoim projekcie. Jeśli pomyślisz o praktycznej konstrukcji tego systemu, istnieją trzy różne możliwe wybory użycia dla masy:

• Masa ziemska: To jest dosłowne połączenie elektryczne z powrotem do ziemi, które jest obecne jako linia bezpieczeństwa (PE) na 3-przewodowych liniach AC.
• Masa obudowy: Dotyczy to obudowy z elementami metalowymi, gdzie metal w obudowie jest używany do stworzenia połączenia z masą.
• Masa sygnału: Czasami błędnie rozróżnia się masę analogową i cyfrową (nie dziel mas tak w ten sposób). Masa sygnału ogólnie odnosi się do wszystkiego, co nie jest masą ziemi ani obudowy.

Zasilacze zbudowane z wykorzystaniem sprzęgła transformatorowego, takie jak przetwornice AC-DC, przetwornice DC-DC, czy kombinacje tych dwóch systemów, będą zbudowane z transformatorami przezwajającymi te przerwy w układzie PCB. Powód jest prosty: chyba że działasz tylko przy niskim napięciu i prądzie, zazwyczaj chcesz izolacji w projekcie, aby chronić użytkowników przed zagrożeniami bezpieczeństwa.

Te systemy mas nie zawsze są nad pojedynczą płaszczyzną masy z różnych powodów. Dotyczy to szczególnie zasilaczy impulsowych, zwłaszcza bardziej skomplikowanych, jak przetwornice rezonansowe LLC. Powód, dla którego masa jest tak ważna, polega na tym, że definiuje napięcie, które komponent mierzy, gdy działa w systemie. Kiedy piszę „napięcie mierzone przez komponent”, oznacza to, że sygnał 5 V zdefiniowany nad jednym obszarem masy w systemie może nie być mierzony jako 5V, gdy jest mierzony nad jakimś innym obszarem masy w systemie.

Powodem, dla którego mamy dwie masy, które mogą zawierać różnicę potencjałów, jest stworzenie dodatkowego odniesienia, które nie wystawia użytkownika na stronę wejściową, która może być źródłem wysokiego prądu. Musimy utrzymać tę izolację, jednocześnie zapewniając jakiś sposób na odprowadzenie wysokoczęstotliwościowych zakłóceń z powrotem na stronę wejściową, a ostatecznie do ziemi. Jest to realizowane za pomocą kondensatora między dwoma obszarami GND.

Łączenie mas za pomocą kondensatora utrzymuje izolację stałoprądową

Na szczęście istnieje proste rozwiązanie: połączenie płaszczyzn za pomocą kondensatorów. Kondensatory o oznaczeniu Y są tutaj dobrym wyborem dla projektów o wyższym napięciu/prądzie. Możesz to łatwo zrobić w swoich schematach: wystarczy zlokalizować komponent, którego potrzebujesz dla swojego kondensatora, a następnie połączyć sieci mas bezpośrednim połączeniem. Typowe miejsce do tego w układzie PCB to miejsce blisko transformatora. Bardziej złożoną metodą, choć nadal ważną w konwersji AC-DC, jest użycie kondensatora między szyną zasilającą a stroną AC systemu.

Należy zauważyć, że dotyczy to tylko dwóch obszarów masy na płycie. Nie rozważaliśmy jeszcze obudowy ani ziemi. Jednak istnieją podstawowe kroki, które można podjąć, aby zapewnić, że obudowa, płyta i ziemia są właściwie połączone. Niestety, nie jest to takie proste i wymaga przemyślenia, jak szumy i prądy odgrywają rolę w systemie, oraz czy mogą stworzyć zagrożenie bezpieczeństwa. Oto kilka zasobów do dalszego czytania, które pomogą Ci zdecydować o najlepszym sposobie połączenia mas, jednocześnie zachowując izolację.

• Wszystko o uziemieniu w projektowaniu elektroniki i układzie PCB
• Izolowane vs Nieizolowane zasilacze: Prawidłowy wybór bez błędów
• Definiowanie masy zasilania: System, obudowa i ziemia w Twojej PCB

Jak prowadzić trasę przez przerwę w płaszczyźnie masy

Jeśli chcesz zaimplementować algorytm sterowania dla swojego systemu zasilania, musisz umożliwić sprzężenie zwrotne z wyjścia z powrotem na wejście, aby można było wykryć moc wyjściową. Oznacza to, że musisz fizycznie poprowadzić linię z wyjścia regulatora z powrotem na stronę wejściową, która zawiera elementy przełączające. Pytanie brzmi: jaki jest najlepszy sposób na zapewnienie izolacji, jeśli twoja strona wyjściowa to prąd stały, ale chcesz utrzymać izolację?

Odpowiedzią jest użycie optoprzekaźnika. Umieszczenie ścieżki nad przerwą nie jest odpowiednie, ponieważ ścieżka może odbierać zewnętrzne zakłócenia, a zasilacze impulsowe mogą generować dużo hałasu. Sprzężenie transformatorowe również nie jest użyteczne, ponieważ regulujesz napięcie stałe. Na poniższym schemacie optoprzekaźnik jest umieszczony na granicy między płaszczyzną masy, więc utrzymaliśmy izolację, której chcemy w tym zasilaniu.

Po umieszczeniu optoprzekaźnika możesz poprowadzić jego wyjście do kontrolera zasilania. Mikrokontroler z wyjściem PWM jest dobrym wyborem dla niestandardowego kontrolera mocy, chociaż niektóre firmy produkują kontrolery bramek MOSFET, które mają wejście sprzężenia zwrotnego i są konfigurowalne za pomocą niektórych zewnętrznych rezystorów. Jeśli projektujesz bardzo precyzyjną regulację mocy lub eksperymentujesz z algorytmami sterowania, jest to proste rozwiązanie do implementacji wykrywania wyjścia. Następnie możesz użyć standardowego algorytmu sterowania, aby dostosować częstotliwość kontrolera PWM, aby zapewnić maksymalną efektywność lub aby specjalnie śledzić pożądane wyjście mocy.

Kiedy nie należy bezpośrednio łączyć kondensatora z pierwotnym

Powyższa dyskusja dotyczy pewnej klasy zasilaczy, znanych jako urządzenia klasy 2. Czy istnieje jakiś limit, poza którym nie powinno się tego robić? Okazuje się, że odpowiedź brzmi "tak". Kondensator może pozwolić na pewien prąd upływu do strony wyjściowej, a ten poziom upływu może być na tyle znaczący, że stwarza problem bezpieczeństwa. Standardy IEEE ustalają limit tego upływu na

W przypadku, gdy występuje wyższy upływ przez kondensator między dwiema stronami transformatora, alternatywną strategią jest użycie obudowy jako mostu między dwiema stronami. Strona pierwotna i wtórna mogą być połączone z obudową za pomocą własnych kondensatorów typu Y. Ten typ zasilacza nazywa się zasilaczem klasy 1. Ogólnie, kondensatory typu Y1 są używane w urządzeniach klasy 2, podczas gdy kondensatory typu Y2 są używane w urządzeniach klasy 1. Jednakże, może to zwiększyć podatność na wysokoczęstotliwościowe zakłócenia wspólnego trybu, jak omówiono w tym artykule.

Gdy potrzebujesz stworzyć układ PCB z połączonymi masami dla twojego izolowanego zasilacza, użyj kompletnego zestawu funkcji układu i trasowania w CircuitMaker. Użytkownicy mogą tworzyć szczegółowe schematy dla zasilaczy i dużych obwodów cyfrowych, a dane mogą być natychmiast przeniesione do nowego układu PCB. Wszyscy użytkownicy CircuitMaker mają również dostęp do osobistej przestrzeni roboczej na platformie Altium 365, gdzie mogą przesyłać i przechowywać dane projektowe w chmurze oraz łatwo przeglądać projekty za pomocą przeglądarki internetowej na bezpiecznej platformie.

Zacznij używać CircuitMaker już dziś i bądź na bieżąco z nowym CircuitMaker Pro od Altium.