Izolacja zasilania w PCB. Jak dobrze wybrać, żeby uniknąć awarii?

W Twojej karierze projektanta PCB może nadejść czas, kiedy będziesz musiał zastosować się do konkretnych wymogów prawnych dotyczących źródeł zasilania. Bez względu na to, czy będziesz projektować urządzenie medyczne, motoryzacyjne, wojskowe czy inne podobne urządzenie, Twój projekt z pewnością zostanie poddany ścisłej kontroli, tak by spełniał najwyższe standardy. Często gdy te wymogi prawne wchodzą w życie, izolacja zasilania w PCB (lub jej brak) stanowi bardzo popularny temat.

Czym są izolacja zasilania w PCB i izolowane źródła zasilania? Jak sugeruje sama nazwa, izolacja zasilania oznacza, że źródło zasilania jest odizolowane od reszty obwodu. Jest to powszechnie stosowane rozwiązanie z dość oczywistych powodów, zwłaszcza w branży medycznej. Przy zasilaniu Twojej płytki PCB do urządzenia medycznego nieizolowanym źródłem zasilania występuje większe ryzyko pojawienia się niebezpiecznych przepięć przepływających przez źródło zasilania i do urządzenia, narażając użytkownika (a może nawet pacjenta!) na niebezpieczeństwo. Ojej!

Zrozumienie izolowanych i nieizolowanych źródeł zasilania polega na zrozumieniu bezpieczeństwa projektanta i użytkownika. Nie mówimy tu o źródłach zasilania prądem stałym i zmiennym, jakie można znaleźć w laboratorium. W przypadku wielu systemów zasilania układów elektronicznych oraz systemów wbudowanych źródło zasilania jest zintegrowane na płycie i nie występuje jako oddzielny obwód zintegrowany. Nawet w przypadku zintegrowanego na płycie źródła zasilania wymagana jest izolacja zasilania w PCB w celu zapewnienia bezpieczeństwa urządzenia i użytkownika końcowego. Dlatego zróbmy sobie przysługę i zastanówmy się przed rozpoczęciem następnego projektu nad różnicą pomiędzy izolowanymi i nieizolowanymi źródłami zasilania.

Czym jest izolowane źródło zasilania?

Izolowane źródło zasilania to takie źródło zasilania, które zostało odizolowane elektrycznie od reszty obwodu, który zasila, zwykle przez transformator separacyjny. Oznacza to, że moc i napięcie są przekazywane z wejścia na wyjście bez bezpośredniego połączenia elektrycznego między tymi dwoma sekcjami. Takie źródła zasilania mogą przyjmować duże napięcie wejściowe z zasilania prądem zmiennym i zamieniać je na niższe napięcie. Późniejsze etapy PFC i regulatora są wykorzystywane do ograniczania prądu na wyjściu do stabilnej wartości, co zapewnia ochronę kolejnych komponentów przed dużym napięciem i przepięciami w zasilaczu.

W przypadku laboratoryjnego źródła zasilania prądem stałym lub zmiennym użytkownik ma kontakt z izolowanym źródłem zasilania na wyjściu. Innymi słowy, może zajść konieczność wpięcia lub wypięcia przewodów, zmiany ustawień na panelu przednim lub innego rodzaju obsługi zasilacza. Dzięki izolacji wejścia od wyjścia użytkownik końcowy narażony jest na mniejsze ryzyko porażenia prądem podczas pracy z takim źródłem zasilania. Poniżej pokazano typową topologię zamiany napięcia zmiennego na stałe z izolowanym źródłem zasilania.

_{Prosta topologia wyjścia odizolowanego źródła zasilania przy użyciu transformatora separacyjnego.}

W przypadku zamiany napięcia stałego na napięcie stałe izolowane źródło zasilania wymaga najpierw zamiany wysokiego napięcia stałego na sygnał prądu zmiennego (taki jak w przypadku prostownika rezonansowego LLC), który jest następnie zamieniany na sygnał o niższym napięciu przy pomocy transformatora. Pokazane powyżej etapy prostownika/regulatora przetwarzają następnie to nowe napięcie prądu zmiennego na prąd stały na wyjściu. Bardziej skomplikowane projekty, takie jak przekształtnik flyback czy inny izolowany konwerter impulsowy DC-DC, wykorzystują impulsowy MOSFET do generowania zależnego od czasu kształtu fali, który jest następnie redukowany i regulowany na wyjściu.

Transformatory zapewniają izolację galwaniczną

Izolowane źródło zasilania wykorzystuje transformator separacyjny w celu zapewnienia izolacji galwanicznej między wejściem i wyjściem. Transformatory przekazują prąd między cewkami wykorzystując pole magnetyczne generowane przez prąd zmienny w solenoidzie, a napięcie jest albo obniżane, albo podnoszone, w zależności od potrzeb obwodu. Korzyści z izolacji przy użyciu transformatora są takie, że brak jest bezpośredniego połączenia elektrycznego między cewkami na wejściu i wyjściu transformatora; przewodniki po obu stronach nie stykają się. Prąd jest przekazywany między cewkami dzięki indukcji. W wyniku tego wszystkie elementy za transformatorem są chronione przed wysokim napięciem/prądem na wejściu, czyli innymi słowy są „izolowane”.

Gdy konieczna jest pętla sprzężenia zwrotnego do monitorowania i kontrolowania mocy wyjścia, zwykle wykorzystywany jest transoptor do połączenia wyjścia ze wcześniejszym etapem regulatora. Element ten wykorzystuje diodę podczerwieni w celu zapewnienia izolacji między etapami regulatora o wysokiej i niskiej mocy. W przypadku źródeł zasilania działających na niskie napięcie/prąd transoptor jest zwykle podłączony bezpośrednio do wyjścia, choć występują także transoptory, które mogą przyjmować wyższe napięcie/prąd.

Kwestią, którą należy rozważyć w przypadku izolowanych źródeł zasilania, jest jego wydajność. Każdy transformator generuje straty, zarówno w postaci ciepła emitowanego w uzwojeniu jak i z powodu zmiennej magnetyzacji w rdzeniu. Wykorzystany w rdzeniu materiał magnetyczny (zwykle żelazo lub ferromagnetyczny stop żelaza) zostaje namagnesowany back-and-forth, gdy na wejściu oscyluje prąd zmienny. W sytuacji gdy pole magnetyczne wytworzone przez prąd zmienny na wejściu jest bardzo duże, może powodować saturację namagnesowania w rdzeniu, co ogranicza moc na wyjściu (obniżając wydajność) oraz powoduje większe straty w rdzeniu.

_{Ten rodzaj transformatora można znaleźć w dużych izolowanych źródłach zasilania.}
 

Izolowane i nieizolowane źródło zasilania

Skoro już wiemy, co izoluje źródło zasilania od płytki, staje się raczej oczywiste, że wykluczenie transformatora z całego projektu czyni z niego nieizolowane źródło zasilania. Projektowanie płytki bez izolacji zasilania PCB stanowi częstą praktykę zwłaszcza wśród instytucji nieregulowanych przepisami prawa, a mimo to zdecydowanie zalecam uwzględnienie użytkownika końcowego w całym procesie projektowania, ponieważ może to nam oszczędzić sprawy w sądzie w przypadku awarii zasilania, co może skończyć się porażeniem Twojego najlepszego klienta.

Jest wiele zalet wynikających z zaprojektowania tych nieizolowanych źródeł zasilania. Po pierwsze zyskujemy więcej miejsca na płytce w porównaniu z izolowanymi źródłami zasilania, ponieważ nie ma potrzeby umieszczania transformatora w obudowie. Nieizolowane źródła zasilania charakteryzuje również większa skuteczność.

_{Nieizolowane źródła zasilania zawsze wiążą się z ryzykiem porażenia elektrycznego w wyniku kontaktu z płytką.}

Warto zauważyć, że powszechną praktyką jest umieszczanie nieizolowanych źródeł zasilania poniżej izolowanego źródła (czasem fizycznie od siebie oddzielonych). W ramach tej strategii izolowane źródło zasilania umieszczane jest przy źródle wysokiego napięcia prądu zmiennego lub stałego, które następnie obniża napięcie do poziomu bezpiecznego dla standardowego obwodu lub regulatora napięcia stałego. Jest to nieco bardziej złożone rozwiązanie. Ma jednak tę zaletę, że oferuje właściwą ochronę, spełniając wymogi dotyczące bezpieczeństwa. Przykład takiego rozwiązania może przypominać niezależne medyczne (izolowane) źródło zasilania, które zasila kilka (nieizolowanych) urządzeń w tym obwodzie.

Które źródło zasilania będzie najlepsze dla mnie?

Jak już wspomniano, te źródła zasilania są często wymagane w uregulowanych prawnie branżach przemysłu. Na przykład przez normy bezpieczeństwa dla urządzeń medycznych IEC 60601-1, sprzętu IT i AV IEC 62368-1 (zastępuje IEC 60950-1 oraz IEC 60065), a także IEC 61204-7:2016 w przypadku ogólnych zasilaczy impulsowych.

Czy po zapoznaniu się z faktami, korzyściami i zastosowaniami zasilaczy wiesz już, który rodzaj zasilania będzie odpowiedni dla Ciebie? Pamiętajcie, że umieszczenie izolowanego źródła zasilania na płytce zajmie na niej trochę miejsca i będzie nieco mniej wydajne, jednak chroni użytkownika końcowego przed porażeniem elektrycznym i może z łatwością zasilać nieizolowane źródło zasilania.

Jeśli zdecydowałeś się użyć izolowane źródło zasilania w swoim następnym systemie, Altium Designer posiada narzędzia do projektowania obwodów i płytek PCB niezbędne do stworzenia Twojego kolejnego produktu. Altium Designer wnosi do branży elektronicznej bezprecedensowy poziom integracji, która dotychczas pozostawała domeną świata programowania, dając projektantom możliwość pracowania z domu i osiągnięcia niespotykanych dotąd wyżyn wydajności.

W tym artykule poczuliśmy zaledwie przedsmak możliwości, jakie daje Altium Designer. Aby uzyskać bardziej dogłębny opis funkcji, zajrzyj na stronę produktu lub zapoznaj się z jednym z seminariów internetowych na żądanie.