Leiterplattentechnisch - Wie man in einem isolierten Netzteil PCB Layout geerdet

Most designers who use desktop power supplies will probably use an isolated regulated (switching) PSU that plugs into the wall. Alles, was benötigt wird, um eine stabile Stromversorgung auf einem bestimmten DC- oder AC-Niveau bereitzustellen, ist in das Gerät integriert, und das Geräusch ist relativ gering. Als Designer, Sie müssen es nicht wirklich tun, außer einige Kabel mit dem Leiterplatte. alles. Leider, reale Systeme mit integrierten Leistungsabschnitten, oder auch nur Leistungsreglermodule, die Sie in ein größeres System integrieren möchten, sind nicht so einfach, und etwas kundenspezifisches Design ist erforderlich, um sicherzustellen, dass sie richtig funktionieren.

Ein wichtiger Aspekt bei der Integration des Netzteils in das System ist die korrekte Einstellung und der Anschluss der Erdung, auch bei isolierten Netzteilen. Wenn Sie das isolierte Netzteil mit dem Rest der Hauptschaltung auf der Leiterplatte integrieren, müssen Sie das System trotzdem erden. Diese Regeln gelten sogar für die Leiterplatte eines isolierten DC-Ladegeräts oder DC-Netzteils, da das Design je nach Anwendung und Sicherheitsfragen möglicherweise wieder an die Erde angeschlossen werden muss. Da eine schlechte Erdungsanbindung Lärmprobleme und sogar Sicherheitsrisiken verursachen kann, sollten wir uns die bewährten Verfahren für die Erstellung einer Erdungsanbindung im Bereich der Leistungskonditionierung ansehen, wenn Wechselstrom in Gleichstrom auf der Leiterplatte umgewandelt wird.

Erdungsstruktur in isolierter Stromversorgung

Angenommen, Sie entwerfen ein System, das Leistungsumwandlung (AC zu DC), Konditionierung und Übertragung an den Schaltkreis im Design durchführen muss. Betrachtet man den tatsächlichen Aufbau des Systems, gibt es drei verschiedene Möglichkeiten für den Boden:

Erdung: Dies ist eine echte Erdung elektrische Verbindung, die als Sicherheitsdraht (PE) an der 3-Draht AC Leitung existiert.

Gehäuseerdung: Dies gilt für Gehäuse mit Metallkomponenten, bei denen das Metall im Gehäuse verwendet wird, um eine Masseverbindung herzustellen.

Signalerde: Dies wird manchmal fälschlicherweise als analoge Masse und digitale Masse beschrieben (trennen Sie Ihre Masse nicht so). Signalmasse bezieht sich in der Regel auf alles andere als Masse oder Chassis.

Stromversorgungen mit Transformatorkupplung (wie AC-DC-Wandler, DC-DC-Schaltwandler oder eine Kombination dieser beiden Systeme) werden mit Transformatoren gebaut, um diese Lücken im Leiterplattenlayout auszugleichen. Der Grund ist einfach: Wenn Sie nicht nur bei Niederspannung und Niederstrom arbeiten, möchten Sie in der Regel in Ihrem Design isolieren, um Benutzer vor Sicherheitsrisiken zu schützen.

Aus verschiedenen Gründen befinden sich diese Erdungssysteme nicht immer auf einer einzigen Erdungsebene. Dies gilt für Schaltnetzteile, insbesondere komplexere Netzteile, wie LLC Resonanzwandler. Die Erdung ist so wichtig, weil sie die gemessene Spannung definiert, wenn das Bauteil im System arbeitet. Wenn ich "die Spannung gemessen durch eine Komponente" schreibe, bedeutet dies, dass ein 5V-Signal, das auf einem bestimmten geerdeten Bereich im System definiert ist, möglicherweise nicht mit 5V gemessen werden kann, wenn es an einem anderen geerdeten Bereich im System gemessen wird.

Wenn in dieser Abbildung ein Potentialunterschied zwischen den beiden Erdungsbereichen besteht, kann das Signal aus dem linken Erdungsbereich (GND1) auf dem rechten Erdungsbereich (GND2) falsch gemessen werden.

Dieses Problem bei isolierten Schaltnetzteilen wird als "Ground Offset" bezeichnet und kann Rauschprobleme verursachen. Dies ist sehr wichtig, da der Masseversatz im System möglicherweise nur einen kleinen Teil der Spannung ausmacht, die Sie in einer transformatorgekoppelten Stromversorgung zuverlässig bereitstellen möchten.

Verwenden Sie Kondensator-Erdung, um DC-Isolation aufrechtzuerhalten

Glücklicherweise gibt es eine einfache Lösung: Verbinden Sie die Flugzeuge mit Kondensatoren. Y-Klasse Kondensatoren sind eine gute Wahl für höhere Spannung/Strom Designs. Sie können dies ganz einfach im Schaltplan tun: Finden Sie einfach die Komponenten, die Ihr Kondensator benötigt, und überbrücken Sie dann das Erdnetz, indem Sie direkt eine Verbindung herstellen. Der typische Ort dafür im Leiterplattenlayout liegt in der Nähe des Transformators.

Obwohl bei der AC-DC-Umwandlung immer noch effektiv ist, besteht eine kompliziertere Methode darin, einen Kondensator zwischen der Stromschiene und der AC-Seite des Systems zu verwenden. Eliminieren Sie den Erdversatz zwischen beiden Seiten, indem Sie etwas Verschiebungsstrom ziehen und freigeben.

Über Erdung im elektronischen Design und Leiterplattenlayout

Isolierte und nicht isolierte Netzteile: die richtige Wahl

Definieren Sie Energiemasse: System, Chassis und Masse in PCB

Wie man durch die Lücke der Bodenebene verläuft

Das Energiesystem implementiert den Steuerungsalgorithmus und muss Rückmeldungen vom Ausgang zurück zum Eingang ermöglichen, damit die Ausgangsleistung erfasst werden kann. Das bedeutet, dass Sie eine Leitung physisch vom Ausgang auf der Reglerseite zur Eingangsseite mit den Schaltelementen führen müssen. Die Frage ist: Wenn Ihr Ausgang DC ist, aber Sie die Isolation aufrechterhalten möchten, wie ist der beste Weg, ihn bereitzustellen?

Die Antwort ist, Optokoppler zu verwenden. Es ist nicht angebracht, Leiterbahnen auf dem Spalt zu platzieren, da die Leiterbahnen externes Rauschen empfangen und das Schaltnetzteil viel Rauschen erzeugt. Transformatorkupplung kann auch nicht verwendet werden, da Sie den DC justieren. Im Schema unten spannt der Optokoppler die Isolation zwischen den Erdungsebenen, so dass wir die erforderliche Isolation in diesem Netzteil beibehalten haben.

Optokoppler ermöglichen es Ihnen, Signale über den Spalt der Erdungsebene ohne Verkabelung zu senden.

Nachdem Sie den Optokoppler platziert haben, können Sie den Ausgang an den Leistungsregler weiterleiten. Ein Mikrocontroller mit PWM-Ausgang ist eine gute Wahl für kundenspezifische Netzteilregler, obwohl einige Unternehmen MOSFET-Gate-Treiber-Controller produzieren, die Rückkopplungseingänge haben und mit einigen externen Widerständen konfiguriert werden können. Wenn Sie eine sehr präzise Leistungsregelung entwerfen oder mit Steuerungsalgorithmen experimentieren, ist dies eine einfache Lösung, um eine Ausgangserkennung zu erreichen. Mit Standard-Regelalgorithmen können Sie dann die Frequenz des PWM-Reglers auf maximale Effizienz einstellen oder die benötigte Leistung gezielt verfolgen.

Wie man in der PCB layout Die isolierte Stromversorgung ist sehr wichtig für die Sicherheit