Как соединить земли в печатной плате с изолированным источником питания

Большинство конструкторов, работающих с настольным блоком питания, вероятно, используют изолированный регулируемый (импульсный) блок питания, который подключается к сети. Все, что нужно для обеспечения стабильного питания на определенном уровне постоянного или переменного тока, с относительно низким уровнем шума, уже встроено в устройство, и вам, как конструктору, действительно не нужно делать ничего, кроме как подключить несколько проводов к плате. К сожалению, реальные системы с интегрированными блоками питания или даже просто модули регуляторов питания, которые вы хотите интегрировать в более крупную систему, не так просты и требуют специальной разработки, чтобы обеспечить их корректную работу.

Один важный аспект интеграции блока питания в вашу систему - это правильная настройка и подключение заземлений, даже для изолированных блоков питания. Если вы интегрируете изолированный блок питания на плату вместе с остальной основной схемотехникой, вам все равно нужно будет подключить заземления в вашей системе. Эти правила применимы даже в печатной плате для изолированного DC зарядного устройства или DC адаптера питания, поскольку в зависимости от приложения и требований безопасности дизайн может потребовать подключения обратно к земле. Поскольку плохие соединения заземления могут создавать проблемы с помехами или даже представлять опасность для безопасности, давайте рассмотрим лучшие практики создания соединений заземления в вашем разделе регулирования питания при преобразовании AC в DC на вашей плате.

Конструкция заземления в изолированном блоке питания

Предположим, вы разрабатываете систему, которая должна выполнять преобразование мощности (AC в DC), регулирование и доставку к вашим цепям в вашем дизайне. Если подумать о практической конструкции этой системы, есть три различных возможных варианта использования для заземления:

• Заземление через землю: Это буквальное электрическое соединение обратно с землей, которое присутствует как линия безопасности (PE) на 3-проводных линиях AC.
• Корпусная земля: Применяется в корпусах с металлическими элементами, где металл корпуса используется для создания заземляющего соединения.
• Земля сигнала: Иногда это неправильно разграничивается как аналоговая и цифровая земля (не разделяйте свои земли таким образом). Земля сигнала, как правило, относится к чему-либо, что не является землей или корпусной землей.

Блоки питания, построенные с использованием трансформаторной связи, такие как преобразователи AC-DC, коммутируемые преобразователи DC-DC или комбинации этих двух систем, будут построены с трансформатором, перекрывающим эти промежутки в компоновке печатной платы. Причина этого проста: если вы не работаете только с низким напряжением и низким током, вы обычно хотите изоляцию в дизайне, чтобы защитить пользователей от опасностей безопасности.

Эти системы заземления не всегда располагаются над единой земляной плоскостью по ряду причин. Это верно для коммутируемых источников питания, особенно для более сложных источников, таких как резонансные преобразователи LLC. Причина, по которой земля так важна, заключается в том, что она определяет напряжение, которое компонент измеряет при работе в системе. Когда я пишу «напряжение, которое измеряет компонент», это означает, что сигнал 5 В, определенный над одной земляной областью в системе, может быть измерен не как 5 В, когда измерение проводится над какой-либо другой земляной областью в системе.

Причина, по которой у нас есть две земли, которые могут включать в себя разность потенциалов, заключается в создании вторичной опоры, которая не подвергает пользователя воздействию входной стороны, которая может быть источником высокого тока. Нам необходимо поддерживать эту изоляцию, одновременно предоставляя какой-то способ отводить высокочастотные помехи обратно на входную сторону и, в конечном итоге, на землю. Это делается с помощью конденсатора, установленного между двумя областями GND.

Соединение земель с помощью конденсатора обеспечивает изоляцию постоянного тока

К счастью, существует простое решение: соединить плоскости с помощью конденсаторов. Конденсаторы с маркировкой Y являются хорошим выбором здесь для конструкций с высоким напряжением/током. Вы можете сделать это легко на своих схемах: просто найдите компонент, который вам нужен для вашего конденсатора, а затем соедините сети земли прямым соединением. Типичное место для этого на плате PCB находится рядом с трансформатором. Более сложный метод, хотя и по-прежнему действительный в преобразовании AC-DC, заключается в использовании конденсатора между шиной питания и AC стороной системы.

Обратите внимание, что это относится только к двум зонам заземления на плате. Мы пока не рассматривали корпус или землю. Однако существуют некоторые базовые шаги, которые вы можете предпринять, чтобы убедиться, что корпус, плата и земля должным образом соединены между собой. К сожалению, это не так просто и требует размышлений о том, как шум и токи играют роль в системе, а также о том, создадут ли они опасность для безопасности. Вот некоторые ресурсы для дальнейшего чтения, которые помогут вам решить лучший способ соединения заземлений при сохранении изоляции.

• Всё о заземлении в проектировании электроники и разводке печатных плат
• Изолированные и неизолированные источники питания: правильный выбор без ошибок
• Определение заземления источника питания: система, корпус и земля в вашей печатной плате

Как проложить трассу через разрыв в земляной плоскости

Если вы хотите реализовать алгоритм управления для вашей энергосистемы, вам нужно будет предусмотреть обратную связь от выхода обратно на вход, чтобы можно было ощущать выходную мощность. Это означает, что вам нужно физически проложить линию от выхода регулятора обратно на входную сторону, которая содержит коммутирующие элементы. Вопрос в том, как лучше всего обеспечить это, если ваша выходная сторона постоянного тока, но вы хотите сохранить изоляцию?

Ответ - использовать оптопару. Прокладывание дорожки через промежуток неприемлемо, поскольку дорожка может подвергаться внешним помехам, а импульсные источники питания могут создавать много шума. Трансформаторная связь также не подходит, поскольку вы регулируете постоянный ток. На схеме ниже оптопара расположена через разделение между земляным слоем, таким образом, мы сохранили изоляцию, которую хотели получить в этом источнике питания.

После установки вашей оптопары, вы можете проложить выход к контроллеру питания. Микроконтроллер с выходом PWM является хорошим выбором для пользовательского контроллера питания, хотя некоторые компании производят контроллеры управления затвором MOSFET, которые имеют вход обратной связи и могут быть настроены с помощью некоторых внешних резисторов. Если вы разрабатываете очень точную регулировку мощности или экспериментируете с алгоритмами управления, это простое решение для реализации контроля выходного сигнала. Затем вы можете использовать стандартный алгоритм управления для корректировки частоты вашего контроллера PWM для обеспечения максимальной эффективности или для точного отслеживания желаемой выходной мощности.

Когда не следует подключать конденсатор напрямую к первичной обмотке

Вышеизложенное обсуждение относится к определенному классу источников питания, известных как оборудование класса 2. Существует ли предел, за которым это делать не следует? Как оказалось, ответ - "да". Конденсатор может позволить некоторому току утечки достичь выходной стороны, и этот уровень утечки может быть достаточно значительным, чтобы создать проблему безопасности. Стандарты IEEE устанавливают предел для этой утечки <85 мкА для не медицинских источников питания класса 2. Идея состоит в том, чтобы предотвратить помехи, а также предотвратить удар, если пользователь когда-либо коснется отрицательного терминала.

В случае, если через конденсатор между двумя сторонами трансформатора происходит более высокая утечка, альтернативная стратегия заключается в использовании шасси как моста между двумя сторонами. Первичная и вторичная стороны могут быть соединены с шасси с помощью собственных конденсаторов типа Y. Такой тип источника питания называется источником питания класса 1. В общем, конденсаторы типа Y1 используются в оборудовании класса 2, в то время как конденсаторы типа Y2 используются в оборудовании класса 1. Однако это может увеличить восприимчивость к высокочастотным общим шумам, как обсуждается в этой статье.

Когда вам нужно создать компоновку печатной платы с соединенными землями для вашего изолированного источника питания, используйте полный набор функций компоновки и трассировки в CircuitMaker. Пользователи могут создавать детализированные схемы для источников питания и больших цифровых схем, а данные могут быть мгновенно перенесены в новую компоновку печатной платы. Все пользователи CircuitMaker также имеют доступ к личному рабочему пространству на платформе Altium 365, где они могут загружать и хранить данные проектов в облаке, а также легко просматривать проекты через веб-браузер на защищенной платформе.

Начните использовать CircuitMaker уже сегодня и оставайтесь на связи, чтобы узнать о новом CircuitMaker Pro от Altium.