Изолированные и неизолированные источники питания: безошибочный выбор

В карьере проектировщика печатных плат может наступить момент, когда потребуется соблюдать определенные нормативные требования. В медицинской, автомобильной, военной или другой подобной сфере проект может подвергнуться пристальному контролю на соответствие самым строгим стандартам. Когда действуют нормативные правила, изоляция источника питания (или ее отсутствие) начинает играть очень значимую роль.

Что такое изоляция питания и изолированный источник питания? Изоляция питания означает именно это — источник питания изолирован от остальных контуров в системе. Это обычная мера, применяемая в системах питания, и на то есть веские причины. Например, если печатная плата медицинского оборудования питается от неизолированного источника, возрастает риск опасных ударных нагрузок и скачков напряжения, воздействующих на устройство через источник питания, причинения травм пользователю (и, возможно, даже пациенту!).

Понимание особенностей изолированных и неизолированных источников питания в первую очередь связано с обеспечением безопасности разработчика и пользователя. Речь здесь идет не только о блоках питания переменным или постоянным током, которые применяются в лабораториях. Во многих цифровых и встроенных системах источник питания интегрирован в плату, и сборочный узел не выглядит как единая интегральная схема. Изоляция источника питания, даже если она интегрирована в плату или в систему из нескольких плат, поможет защитить конечного пользователя и другое оборудование. Рассмотрим разницу между изолированным и неизолированным источником питания, прежде чем приступать к проектированию.

Что такое изолированный источник питания?

Изолированный источник питания электрически изолирован от остальной части цепи, которую он питает. Для этой цели часто применяют изолирующие трансформаторы. Это означает, что мощность и напряжение передаются от входа к выходу без прямого электрического соединения между двумя секциями. Такие источники питания могут принимать высокое входное напряжение от сети переменного тока и преобразовывать его в пониженное напряжение. Последующие каскады компенсации коэффициента мощности (ККМ) и регулировки могут применяться для ограничения выходного тока до стабильного значения. Это обеспечивает защиту подключенных после них компонентов от сильных скачков напряжения и тока на входе источника питания.

В работе с источником постоянного или переменного тока лабораторного класса пользователю потребуется взаимодействовать с выходным каскадом изолированного источника питания. Другими словами, может потребоваться подсоединить или отсоединить провода, отрегулировать ряд настроек на передней панели или выполнить другие операции, относящиеся к блоку питания. Изолировав вход от выхода, конечный пользователь источника питания снизит риск электротравмы при работе с источником питания. Типовая топология для преобразования переменного тока в постоянный с изолированным источником питания показана ниже.

Простая топология для выходного каскада изолированного источника питания через изоляционный трансформатор.

В этой топологии понижающий трансформатор располагается на входе (между любым входным фильтром ЭМП и контуром выпрямителя), как часть схемы преобразования переменного тока в постоянный, однако его часто устанавливают после каскадов выпрямителя и ККМ, в особенности в изолированных импульсных преобразователях постоянного тока. Как правило, в сильноточных импульсных преобразователях постоянного тока, требующих изоляции, при использовании изолированного источника питания постоянного тока требуется контролировать полумостовой или полномостовой массив МОП-транзисторов потоком импульсов из контура драйвера затвора. Примерно такое решение применяется в резонансных LLC-преобразователях. Затем напряжение импульсного выходного сигнала из этого контура понижается с помощью трансформатора и выравнивается блоком конденсаторов. Такие же операции выполняются в обратноходовом преобразователе. Это распространенный тип изолированного переключающего преобразователя постоянного тока, хотя топология может отличаться.

Из этой топологии явно не следует, как решается важная задача обеспечения изоляции и какова общая стратегия заземления. В изолированном источнике питания может существовать до 3 участков заземления

• Первичное заземление (PGND): Это участок заземления на первичной стороне трансформатора, т. е. на стороне входа источника питания. При подключении к однофазному или трехфазному переменному току также может присутствовать соединение на массу (см. ниже) на входной стороне. Оно служит для подключения в цепи фильтра электромагнитных помех на входе. Этот участок заземления должен доходить до первичной стороны трансформатора. Граница этого участка заземления определяет, где формируется изоляция в системе.
• Вторичное заземление (SGND): Этот участок заземления начинается на вторичной стороне трансформатора и обеспечивает опорное заземление для остальной системы. Эта область в системе может быть оставлена плавающей. Однако в системах с высокой мощностью это может создавать значительный шум, если вторичное заземление колеблется вокруг опорного уровня заземления источника питания, поскольку вторичная сторона действует как плавающий проводник. В системах с переменным током эти колебания подавляются с помощью Y-образного колпачка между двумя участками заземления.
• Заземление (масса) шасси (PE или GND): Если такое заземление присутствует в изолированной системе питания, оно, как правило, играет роль защитного заземления. Оно не должно быть подключено в системе к выходной стороне изолированного источника питания или к возврату питания на любом нижестоящем оборудовании или платах. Шасси не предназначено для того, чтобы быть токонесущим проводником, исключая ситуации, в которых возникает неисправность.

Обозначения «PGND» и «SGND» не являются обязательными; технически можно присваивать сетям любые обозначения. Фактическая схема соединения этих участков для устранения шума и обеспечения безопасности наряду с сохранением изоляции в системах постоянного тока зависит от области применения. Ниже перечислены ресурсы, которые помогут начать работать с этими системами:

• Как соединить участки заземления на макете платы с изолированным источником питания
• Методики заземления металлизированных монтажных отверстий печатных плат

Примеры проектных решений

Ниже показан пример проектного решения с изолированным источником питания. В этом источнике питания фактически присутствуют два уровня изоляции, сформированные между входом и выходом:

• Первоначально на входе переменного тока
• Между двухтактным переключающим каскадом и выходом.

Входной каскад переменного тока не показан ниже, поскольку существует широкий спектр шаблонных проектных решений, способных обеспечить начальное преобразование переменного тока в постоянный. Выход каскада выпрямления переменного тока подключается к контуру ККМ,  который компенсирует падение эффективности преобразования мощности в преобразователе с помощью переключающего действия. Изолированный переключающий каскад показан ниже.

Это резонансный переключающий LLC-преобразователь, вариант конструкции, который я описал в другой статье. Здесь есть дополнительный контур драйвера затвора, который переключает каскады на первичной и вторичной сторонах этого резонансного преобразователя. Мы знаем, что этот преобразователь изолирован, поскольку первичное и вторичное заземление относятся к разным сетям. Они соединены только с защитным конденсатором.

Другие стандартные топологии изолированного источника питания показаны ниже. Это только топологии; для управления переключением также необходим драйвер затвора. Механизм обратной связи также используется на практике в изолированных источниках питания. Контур обратной связи измеряет выходные параметры и корректирует управляющий сигнал ШИМ, используемый для поддержания целевого уровня напряжения.

В отношении перечисленных топологий следует отметить, что эта компоновка может быть частично или полностью включена в интегральную схему. Интегральные схемы обеспечивают высокую гальваническую изоляцию, но с интегрированной обратной связью и поддерживающей схемой, необходимой для низкого уровня шумов. Их чаще используют в маломощных системах, где требуются низкий уровень шумов и высокая эффективность.

Трансформаторы обеспечивают гальваническую изоляцию

В изолированном источнике питания для гальванической изоляции между входной и выходной секциями используется изоляционный трансформатор. Трансформаторы передают энергию между катушками, используя магнитное поле, генерируемое переменным током в каждой катушке. Напряжение повышается или понижается, в зависимости от заданного коэффициента трансформации. Преимущество изоляции с использованием трансформатора в том, что между входной и выходной катушками трансформатора нет прямого электрического соединения. Проводники с каждой стороны не соприкасаются. Энергия передается через два участка заземления на устройстве посредством индукции. Это обеспечивает защиту всех компонентов, подключенных после трансформатора, от высокого напряжения/тока на стороне входа. Другими словами, все, что находится после трансформатора, изолировано.

Когда для мониторинга и контроля выходной мощности необходима петля обратной связи, для подсоединения выхода к предшествующему каскаду регулятора обычно применяют оптоизолятор. Этот компонент использует инфракрасный диод для обеспечения изоляции между каскадами регулятора высокой и низкой мощности. Для источников питания, которые работают при низком напряжении/токе, оптоизолятор обычно можно подключить непосредственно к выходу, хотя существуют оптоизоляторные ИС, способные принимать напряжение/ток более высокого уровня.

В число аспектов, которые следует учитывать при использовании изолированного источника питания, входит эффективность. Во всех трансформаторах присутствуют потери, как из-за рассеивания тепла в обмотках, так и из-за циклического перемагничивания в сердечниках. Магнитный материал, используемый в сердечниках (как правило это железо или ферромагнитный сплав железа), намагничивается и размагничивается при колебаниях входного переменного тока. Когда магнитное поле, создаваемое переменным током, очень большое, оно может приводить к насыщению намагниченности в сердечнике, что ограничивает выходную мощность (снижает эффективность) и создает дополнительные потери в сердечнике. Это один из факторов, определяющих номинальные значения первичного напряжения на двух сторонах трансформатора.

Трансформаторы этого типа могут применяться в изолированных источниках питания большого размера.

Изолированный или неизолированный источник питания

Теперь, когда мы знаем, что изолирует источник питания от платы, становится очевидно, что при исключении трансформатора из проектной цепочки он становится неизолированным источником питания. Проектирование плат без изоляции источников питания — распространенная практика. Однако, если присутствует высокая мощность или используется быстродействующий выключатель питания, следует учитывать при проектировании потребности конечного пользователя. Экономия может обернуться парочкой судебных исков, если клиент получит электротравму, про которую он нескоро забудет.

Наряду с этим, неизолированные источники питания обладают многочисленными преимуществами. Во-первых, остается больше места на плате, чем при использовании изолированного источника питания, поскольку не требуется помещать трансформатор в корпус. Для низких напряжений/токов существуют компактные типовые трансформаторы, но чем выше характеристики, тем больше места экономится на плате. Также неизолированный источник питания дает возможность повысить эффективность.

Неизолированные источники питания из-за своей конструкции всегда создают риск поражения электрическим током.

Следует отметить, что неизолированный регулятор мощности часто размещают после изолированного источника питания или изолированного переключающего регулятора. В этой стратегии изолированный источник питания размещен на источнике переменного или постоянного тока высокой мощности, который затем опускает напряжение до уровня, достаточно безопасного для стандартной ИС регулятора постоянного тока или цепи регулятора напряжения. Эта конструкция немного сложнее. Ее преимущество заключается в обеспечении надлежащей защиты, отвечающей требованиям безопасности. В качестве примера можно привести автономный (изолированный) источник питания для медицинского оборудования, обслуживающий несколько (неизолированных) устройств, подключенных после него.

Какой из них подходит именно вам?

Обобщая вышесказанное, контуры регулирования мощности на плате — это, как правило, неизолированные источники питания. Они состоят из компактных цепей регуляторов или чипов, которым не требуется изоляция, поскольку они не генерируют сильный ток и не работают при очень высоких напряжениях. Даже если они работают с высоким током, пользователь может вообще не взаимодействовать с системой таким образом, чтобы подвергаться риску электротравмы. Подводя итог, неизолированные источники питания подходят для большинства плат компактного размера. Как правило, эту роль будет играть понижающий преобразователь, за которым следует регулятор напряжения, понижающий мощность до требуемого уровня.

Когда необходимо преобразование переменного тока высокой мощности в постоянный ток или преобразование постоянного тока высокой мощности в постоянный ток, как правило, применяется изолированный источник питания, и во многих ситуациях источник питания размещается на выделенной плате. Дальнейшее зависит от конкретных характеристик источника питания (переменный или постоянный ток, сеть или аккумулятор и т. п.), корпуса, схемы заземления в любых последующих контурах и системах, подключенных к источнику питания.

Как сказано выше, изолированные источники питания часто требуются в регулируемых отраслях и должны соответствовать определенным стандартам. Примеры:

• Стандарт безопасности IEC 60601-1 для медицинских устройств
• Стандарт IEC 62368-1 для ИТ- и аудио-/видеооборудования (заменяет IEC 60950-1 и IEC 60065)
• Стандарт IEC 61204-7:2016 для импульсных источников питания общего назначения.

Некоторые нормативы не предписывают соблюдение конкретных отраслевых стандартов (например, нормативы FDA в США для сердечно-сосудистых устройств в 21CFR870.3605), однако предписывают обязательные испытания безопасности и ЭМС, чтобы гарантировать, что устройства будут полностью совместимы с другой электроникой и основными стандартами безопасности в предполагаемых условиях их применения.

Какой бы источник питания вы ни выбрали для проектируемой системы —изолированный или неизолированный — в Altium Designer^® есть необходимые инструменты проектирования схем и компоновки печатных плат. Altium 365^™ обеспечивает для электронной промышленности беспрецедентную интеграцию, которая раньше была доступна лишь в сфере разработки программного обеспечения, позволяя разработчикам работать из дома и достигать исключительно высокой эффективности.

Мы лишь поверхностно рассмотрели некоторые возможности Altium Designer на Altium 365. Начните использование бесплатной пробной версии Altium Designer + Altium 365 сегодня .