Cách Kết Nối Mặt Đất trong Bố Cục PCB của Nguồn Cấp Điện Cô Lập

Hầu hết các nhà thiết kế làm việc với nguồn cung cấp điện bàn làm việc có khả năng đang sử dụng một nguồn cung cấp điện (PSU) cô lập và điều chỉnh (chuyển đổi) có thể cắm vào ổ cắm điện. Mọi thứ cần thiết để cung cấp điện áp ổn định ở một mức DC hoặc AC cụ thể, và với độ ồn tương đối thấp đều được tích hợp sẵn trong thiết bị, và bạn, với tư cách là nhà thiết kế, thực sự không cần phải làm gì ngoài việc kết nối một số dây dẫn vào bảng mạch. Thật không may, các hệ thống thực tế với các phần nguồn cung cấp điện tích hợp, hoặc thậm chí chỉ là các mô-đun điều chỉnh nguồn điện bạn muốn tích hợp vào một hệ thống lớn hơn, không đơn giản như vậy và cần một số thiết kế tùy chỉnh để đảm bảo chúng hoạt động chính xác.

Một khía cạnh quan trọng khi tích hợp nguồn cung cấp điện vào hệ thống của bạn là thiết lập và kết nối các mặt đất một cách chính xác, ngay cả đối với nguồn cung cấp điện cô lập. Nếu bạn đang tích hợp một nguồn cung cấp điện cô lập vào một bảng mạch với phần còn lại của mạch chính, bạn vẫn cần phải kết nối các mặt đất trong hệ thống của mình. Những quy tắc này cũng áp dụng trong PCB cho một bộ sạc DC cô lập hoặc một bộ chuyển đổi nguồn DC vì thiết kế có thể cần được kết nối trở lại với mặt đất, tùy thuộc vào ứng dụng và các mối quan tâm về an toàn. Bởi vì kết nối mặt đất kém có thể tạo ra vấn đề nhiễu, hoặc thậm chí là một mối nguy hiểm về an toàn, hãy cùng xem xét các phương pháp tốt nhất để tạo ra kết nối mặt đất trong phần điều chỉnh nguồn của bạn khi chuyển đổi AC sang DC trên bảng mạch của bạn.

Xây dựng Mặt Đất trong Nguồn Cung Cấp Điện Cô Lập

Giả sử bạn đang thiết kế một hệ thống cần thực hiện chuyển đổi nguồn (AC sang DC), điều chỉnh và cung cấp năng lượng cho các mạch trong thiết kế của bạn. Nếu bạn nghĩ về cấu trúc thực tế của hệ thống này, có ba lựa chọn khác nhau có thể sử dụng cho mặt đất:

• Mặt đất Trái Đất: Đây là một kết nối điện thực sự trở lại với mặt đất, có mặt như là dây an toàn (PE) trên các dây AC 3 dây.
• Chassis ground: Điều này áp dụng trong trường hợp vỏ bọc có các thành phần kim loại, nơi kim loại trong vỏ bọc được sử dụng để tạo ra một kết nối mát.
• Signal ground: Đôi khi điều này được phân biệt một cách không chính xác là mát tín hiệu analog và mát tín hiệu số (không chia mát như vậy). Mát tín hiệu nói chung ám chỉ bất cứ thứ gì không phải là mát đất hoặc mát chassis.

Nguồn cung cấp điện được xây dựng với sự ghép nối bằng biến áp, như bộ chuyển đổi AC-DC, bộ chuyển đổi chuyển mạch DC-DC, hoặc sự kết hợp của hai hệ thống này, sẽ được xây dựng với một biến áp nối qua những khoảng trống trong bố cục PCB. Lý do cho điều này rất đơn giản: trừ khi bạn chỉ hoạt động ở điện áp thấp và dòng điện thấp, bạn thường muốn có sự cách ly trong thiết kế để bảo vệ người dùng khỏi các nguy cơ an toàn.

Các hệ thống mát này không luôn luôn nằm trên một mặt phẳng mát duy nhất vì nhiều lý do. Điều này đúng với các nguồn cung cấp điện chuyển mạch, đặc biệt là các nguồn phức tạp hơn như LLC resonant converters. Lý do mát rất quan trọng là bởi vì nó xác định điện áp mà một thành phần đo được khi nó hoạt động trong một hệ thống. Khi tôi viết “điện áp một thành phần đo được”, nó có nghĩa là một tín hiệu 5 V được xác định trên một khu vực mát trong một hệ thống có thể không được đo là 5V khi đo trên một khu vực mát khác trong một hệ thống.

Lý do chúng ta có hai mặt đất có thể bao gồm một sự chênh lệch tiềm năng là để tạo ra một điểm tham chiếu thứ cấp không làm lộ người dùng với phía đầu vào, có thể là nguồn của dòng điện cao. Chúng ta cần duy trì sự cách ly này đồng thời cung cấp một cách nào đó để chuyển dòng nhiễu tần số cao trở lại phía đầu vào và cuối cùng là đất. Điều này được thực hiện bằng cách sử dụng một tụ điện giữa hai khu vực GND.

Kết nối Mặt đất bằng Tụ điện Duy trì Cách ly DC

May mắn thay, có một giải pháp đơn giản: kết nối các mặt phẳng với tụ điện. Tụ điện loại Y là một lựa chọn tốt ở đây cho các thiết kế điện áp/dòng điện cao hơn. Bạn có thể thực hiện điều này một cách dễ dàng trong sơ đồ của mình: chỉ cần tìm vị trí linh kiện bạn cần cho tụ điện của mình, sau đó kết nối trực tiếp các mạng mặt đất với nhau. Vị trí điển hình để thực hiện điều này trong bố trí PCB là gần biến áp. Một phương pháp phức tạp hơn, mặc dù vẫn hợp lệ trong chuyển đổi AC-DC, là sử dụng một tụ điện giữa thanh nguồn và phía AC của hệ thống.

Lưu ý rằng điều này chỉ áp dụng cho hai khu vực tiếp đất trên bảng mạch. Chúng tôi chưa xem xét đến khung máy hoặc mặt đất. Tuy nhiên, có một số bước cơ bản bạn có thể thực hiện để đảm bảo vỏ máy, bảng mạch và mặt đất được kết nối đúng cách. Thật không may, điều này không hề đơn giản và đòi hỏi phải suy nghĩ về cách nhiễu và dòng điện đóng vai trò trong hệ thống, cũng như liệu chúng có tạo ra nguy cơ an toàn hay không. Dưới đây là một số tài nguyên để đọc thêm giúp bạn quyết định cách tốt nhất để kết nối các mặt đất trong khi duy trì sự cách ly.

• Tất cả về Tiếp đất trong Thiết kế Điện tử và Bố trí PCB
• Nguồn cung cấp Điện cách ly và không cách ly: Lựa chọn Đúng Đắn Không Sai
• Định nghĩa Nguồn cung cấp Điện Tiếp đất: Hệ thống, Khung máy, và Mặt đất trong PCB của Bạn

Cách Điều hướng Qua Khoảng Trống Mặt đất

Nếu bạn muốn triển khai một thuật toán điều khiển cho hệ thống điện của mình, bạn sẽ cần phải cho phép phản hồi từ đầu ra trở lại đầu vào để có thể cảm nhận được công suất đầu ra. Điều này có nghĩa là bạn cần phải vật lý kéo một đường dây từ đầu ra của bên điều chỉnh trở lại bên đầu vào chứa các yếu tố chuyển mạch. Câu hỏi là: cách tốt nhất để cung cấp nếu bên đầu ra của bạn là DC, nhưng bạn muốn duy trì sự cách ly là gì?

Câu trả lời là sử dụng một optocoupler. Việc đặt một đường dẫn trên khoảng trống không phù hợp vì đường dẫn có thể nhận nhiễu từ bên ngoài, và nguồn cung cấp điện chuyển đổi có thể tạo ra rất nhiều nhiễu. Kết nối bằng biến áp cũng không khả thi vì bạn đang điều chỉnh DC. Trong sơ đồ dưới đây, optocoupler được đặt vắt qua phần tách biệt giữa mặt đất, vì vậy chúng tôi đã duy trì được sự cách ly mà chúng tôi muốn trong nguồn cung cấp này.

Sau khi bạn đã đặt optocoupler của mình, bạn có thể định tuyến đầu ra đến bộ điều khiển nguồn cung cấp của mình. Một vi điều khiển với đầu ra PWM là một lựa chọn tốt cho một bộ điều khiển nguồn cung cấp tùy chỉnh, mặc dù một số công ty sản xuất bộ điều khiển cổng MOSFET có đầu vào phản hồi và có thể cấu hình với một số điện trở bên ngoài. Nếu bạn đang thiết kế điều chỉnh nguồn cung cấp chính xác cao hoặc bạn đang thử nghiệm với các thuật toán điều khiển, đây là một giải pháp đơn giản để triển khai cảm biến đầu ra. Bạn có thể sau đó sử dụng một thuật toán điều khiển tiêu chuẩn để điều chỉnh tần số của bộ điều khiển PWM của bạn để đảm bảo hiệu suất tối đa hoặc để theo dõi cụ thể đầu ra nguồn cung cấp mong muốn.

Khi Nào Bạn Không Nên Kết Nối Trực Tiếp Tụ Điện vào Primê

Cuộc thảo luận trên áp dụng cho một loại nhất định của nguồn cung cấp điện, được biết đến là thiết bị Lớp 2. Có giới hạn nào bạn không nên làm điều này không? Hóa ra, câu trả lời là "có". Tụ điện có thể cho phép một số dòng rò rỉ đến phía đầu ra, và mức độ rò rỉ này có thể đủ lớn để tạo ra một vấn đề an toàn. Tiêu chuẩn IEEE đặt giới hạn cho dòng rò rỉ này là

Trong trường hợp có dòng rò rỉ cao hơn qua một tụ điện giữa hai bên của máy biến áp, chiến lược thay thế là sử dụng khung máy như một cầu nối giữa hai bên. Phía sơ cấp và thứ cấp có thể được nối với khung máy bằng các tụ điện loại Y riêng của chúng. Loại nguồn cung cấp điện này được gọi là nguồn cung cấp điện Lớp 1. Nói chung, tụ điện loại Y1 được sử dụng trong thiết bị Lớp 2 trong khi tụ điện loại Y2 được sử dụng trong thiết bị Lớp 1. Tuy nhiên, điều này có thể làm tăng khả năng nhạy cảm với nhiễu chế độ chung tần số cao, như đã thảo luận trong bài viết này.

Khi bạn cần tạo một bố cục PCB với các mặt đất được kết nối cho nguồn cung cấp điện cô lập của mình, hãy sử dụng bộ đầy đủ các tính năng bố cục và định tuyến trong CircuitMaker. Người dùng có thể xây dựng các sơ đồ chi tiết cho nguồn cung cấp điện và các mạch số lớn, và dữ liệu có thể được chuyển ngay lập tức vào một bố cục PCB mới. Tất cả người dùng CircuitMaker cũng có quyền truy cập vào không gian làm việc cá nhân trên nền tảng Altium 365, nơi họ có thể tải lên và lưu trữ dữ liệu thiết kế trên đám mây, và dễ dàng xem các dự án qua trình duyệt web trên một nền tảng an toàn.

Bắt đầu sử dụng CircuitMaker ngay hôm nay và chờ đón CircuitMaker Pro từ Altium mới.