Como Conectar Terras em um Layout de PCB de Fonte de Alimentação Isolada

A maioria dos projetistas que trabalham com uma fonte de alimentação de bancada provavelmente está usando uma PSU regulada isolada (comutada) que se conecta à parede. Tudo o que é necessário para fornecer energia estável em um nível específico de DC ou AC, e com ruído relativamente baixo, está embutido na unidade, e você, como projetista, realmente não precisa fazer nada além de conectar alguns cabos à placa. Infelizmente, sistemas reais com seções de energia integradas, ou mesmo apenas módulos reguladores de energia que você deseja integrar em um sistema maior, não são tão simples e precisam de um design personalizado para garantir que operem corretamente.

Um aspecto importante da integração de uma fonte de alimentação ao seu sistema é configurar e conectar os terras corretamente, mesmo para fontes de alimentação isoladas. Se você está integrando uma fonte de alimentação isolada em uma placa com o restante do seu circuito principal, ainda precisará conectar os terras no seu sistema. Essas regras também se aplicam em uma PCB para um carregador DC isolado ou um adaptador de energia DC, pois o design pode precisar ser reconectado à terra, dependendo da aplicação e das preocupações com segurança. Como conexões de terra ruins podem criar problemas de ruído, ou até mesmo um perigo para a segurança, vamos olhar para as melhores práticas para criar conexões de terra na sua seção de regulação de energia ao converter AC para DC na sua placa.

Construção de Terra em uma Fonte de Alimentação Isolada

Suponha que você esteja projetando um sistema que precisa realizar a conversão de energia (AC para DC), regulação e entrega para seus circuitos no seu design. Se você pensar na construção prática deste sistema, existem três escolhas possíveis diferentes para usar como terra:

• Terra física: Esta é uma conexão elétrica literal de volta à terra, que está presente como a linha de segurança (PE) em linhas AC de 3 fios.
• Terra do chassi: Isso se aplica em uma caixa com elementos metálicos, onde o metal na caixa é usado para criar uma conexão de terra.
• Terra de sinal: Isso é às vezes incorretamente delineado como terra analógica e terra digital (não divida seus terras assim). Um terra de sinal geralmente se refere a qualquer coisa que não seja terra ou chassi.

Fontes de alimentação construídas com acoplamento de transformador, como conversores AC-DC, conversores de comutação DC-DC, ou combinações desses dois sistemas, serão construídas com um transformador preenchendo essas lacunas no layout da PCB. A razão para isso é simples: a menos que você esteja operando apenas em baixa tensão e baixa corrente, você tipicamente quer isolamento no design para proteger os usuários de riscos de segurança.

Esses sistemas de terra não estão sempre sobre um único plano de terra por uma variedade de razões. Isso é verdade para fontes de alimentação de comutação, particularmente fontes mais complexas como conversores ressonantes LLC. A razão pela qual o terra é tão importante é que ele define a tensão que um componente mede quando opera em um sistema. Quando eu escrevo “tensão que um componente mede”, significa que um sinal de 5 V definido sobre uma região de terra em um sistema pode não ser medido como 5V quando medido sobre alguma outra região de terra em um sistema.

A razão pela qual temos dois terras que podem incluir uma diferença de potencial é para criar uma referência secundária que não expõe o usuário ao lado de entrada, que pode ser uma fonte de alta corrente. Precisamos manter essa isolação enquanto também fornecemos alguma maneira de desviar o ruído de alta frequência de volta para o lado de entrada e, eventualmente, para a terra. Isso é feito com um capacitor entre as duas regiões de GND.

Ligando Terras com um Capacitor Mantém a Isolação DC

Fortunadamente, existe uma solução simples: ligar os planos com capacitores. Capacitores classificados como Y são uma boa escolha aqui para designs de maior tensão/corrente. Você pode fazer isso facilmente em seus esquemáticos: apenas localize o componente que você precisa para o seu capacitor, e então faça a ponte entre as redes de terra com uma conexão direta. O lugar típico para fazer isso no layout da PCB é próximo ao transformador. Um método mais complexo, embora ainda válido na conversão AC-DC, é usar um capacitor entre o trilho de potência e o lado AC do sistema.

Note que isso se aplica apenas a duas regiões de terra na placa. Ainda não consideramos o chassis ou a terra propriamente dita. No entanto, existem alguns passos básicos que você pode seguir para garantir que o invólucro, a placa e a terra estejam devidamente interligados. Infelizmente, isso não é tão simples e requer pensar sobre como o ruído e as correntes desempenham um papel no sistema, bem como se eles criarão um perigo de segurança. Aqui estão alguns recursos para leitura adicional para ajudá-lo a decidir a melhor maneira de conectar os terras mantendo a isolação.

• Tudo Sobre Aterramento no Design de Eletrônicos e Layout de PCB
• Fontes de Alimentação Isoladas vs Não Isoladas: A Escolha Certa Sem Falhas
• Definindo Terra da Fonte de Alimentação: Sistema, Chassis e Terra em Seu PCB

Como Fazer a Rota Através da Lacuna do Plano de Terra

Se você deseja implementar um algoritmo de controle para o seu sistema de energia, precisará permitir o feedback da saída de volta à entrada para que a potência de saída possa ser sentida. Isso significa que você precisa fisicamente executar uma linha da saída do lado do regulador de volta ao lado de entrada que contém os elementos de comutação. A questão é: qual é a melhor maneira de fornecer se o seu lado de saída é DC, mas você quer manter a isolação?

A resposta é usar um optoacoplador. Colocar uma trilha sobre o vão não é apropriado, pois a trilha pode receber ruído externo, e as fontes de alimentação chaveadas podem produzir muito ruído. O acoplamento por transformador também é inutilizável porque você está regulando DC. No esquemático abaixo, o optoacoplador está atravessando a separação entre o plano de terra, então mantivemos a isolação que queremos nesta fonte.

Uma vez que você tenha colocado seu optoacoplador, você pode rotear a saída para o seu controlador de alimentação. Um microcontrolador com uma saída PWM é uma boa escolha para um controlador de potência personalizado, embora algumas empresas façam controladores de porta MOSFET que têm uma entrada de feedback e são configuráveis com alguns resistores externos. Se você está projetando uma regulação de potência muito precisa ou está experimentando com algoritmos de controle, esta é uma solução simples para implementar a detecção de saída. Você pode então usar um algoritmo de controle padrão para ajustar a frequência do seu controlador PWM para garantir a máxima eficiência ou para rastrear especificamente a saída de potência desejada.

Quando Você Não Deve Conectar um Capacitor Diretamente ao Primário

A discussão acima aplica-se a uma certa classe de fontes de alimentação, conhecidas como equipamentos Classe 2. Existe algum limite onde você não deveria fazer isso? Como se verifica, a resposta é "sim". O capacitor pode permitir que alguma corrente de fuga alcance o lado de saída, e esse nível de fuga pode ser significativo o suficiente para criar um problema de segurança. As normas IEEE estabelecem um limite para essa fuga ser

No caso de haver uma fuga maior via um capacitor entre os dois lados do transformador, a estratégia alternativa é usar o chassis como uma ponte entre os dois lados. O lado primário e secundário podem ser ligados ao chassis com seus próprios capacitores tipo Y. Esse tipo de fonte de alimentação é chamado de fonte de alimentação Classe 1. Em geral, capacitores tipo Y1 são usados em equipamentos Classe 2 enquanto capacitores tipo Y2 são usados em equipamentos Classe 1. No entanto, isso pode aumentar a suscetibilidade a ruídos de modo comum de alta frequência, como discutido neste artigo.

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