Tecnología de PCB - Cómo conectar a tierra en el diseño de PCB de la fuente de alimentación aislada

La mayoría de los diseñadores que usan energía de escritorio pueden usar el psu de ajuste de aislamiento (interruptor) insertado en la pared. Todo lo necesario para proporcionar una fuente de alimentación estable a un nivel específico de DC o AC está integrado en la unidad y el ruido es relativamente bajo. Como diseñador, en realidad no necesitas hacer esto, excepto conectar algunos cables a la placa de circuito. Cualquier cosa Desafortunadamente, los sistemas reales con secciones de energía integradas, incluso solo los módulos de regulador de potencia que desea integrar en sistemas más grandes, no son tan simples y requieren algunos diseños personalizados para asegurarse de que funcionan correctamente.

Un aspecto importante de la integración de la fuente de alimentación en el sistema es la configuración correcta y la conexión a tierra, incluso para aislar la fuente de alimentación. Si la fuente de alimentación aislada se integra con el resto del circuito principal en la placa de circuito, todavía es necesario conectarse a tierra en el sistema. Estas reglas se aplican incluso a los PCB que aislan cargadores de corriente continua o adaptadores de corriente continua, ya que el diseño puede requerir una conexión de vuelta a la tierra en función de la aplicación y los problemas de Seguridad. Debido a que las malas conexiones a tierra pueden causar problemas de ruido e incluso riesgos potenciales de seguridad, veamos las mejores prácticas para crear conexiones a tierra en la Sección de regulación de energía al convertir la fuente de alimentación de CA en corriente continua en la placa de circuito.

Estructura de tierra en la fuente de alimentación aislada

Supongamos que está diseñando un sistema que requiere realizar la conversión de energía (ac a dc), la regulación y la transmisión a los circuitos en diseño. Si se tiene en cuenta la construcción real del sistema, hay tres opciones posibles diferentes para el suelo:

Puesta a tierra: se trata de una verdadera conexión eléctrica a tierra, que existe como línea de Seguridad (pe) en la línea de ca de 3 líneas.

Puesta a tierra del gabinete: esto se aplica a los gabinetes con componentes metálicos, en los que el metal en el Gabinete se utiliza para establecer conexiones a tierra.

Tierra de señal: esto a veces se describe erróneamente como tierra analógica y tierra digital (no separe su tierra de esta manera). El suelo de señal generalmente se refiere a cualquier cosa excepto al suelo o al chasis.

Las fuentes de alimentación construidas con un acoplamiento de transformadores (como el convertidor AC - dc, el convertidor de conmutación DC - DC o una combinación de estos dos sistemas) se construirán con transformadores para compensar estas brechas en el diseño del pcb. La razón es simple: a menos que solo trabajes con baja tensión y baja corriente, generalmente quieres aislarte en el diseño para proteger a los usuarios de los riesgos de Seguridad.

Por diversas razones, estos sistemas de puesta a tierra no siempre se encuentran en un solo plano de puesta a tierra. Esto se aplica a las fuentes de alimentación de conmutación, especialmente las más complejas, como los convertidores de resonancia llc. La puesta a tierra es tan importante porque define el voltaje medido cuando el componente funciona en el sistema. Cuando escribí "el voltaje medido por el componente", esto significa que la señal 5v definida en una zona de tierra en el sistema puede no ser medida a 5v cuando se mide en otras áreas de tierra en el sistema.

En la imagen, si existe una diferencia de potencial eléctrico entre las dos áreas de tierra, la señal de la zona de tierra izquierda (gnd1) puede medirse erróneamente en la zona de tierra derecha.

Este problema en la fuente de alimentación del interruptor de aislamiento se llama "desviación del suelo" y puede causar problemas de ruido. Esto es muy importante, ya que el desplazamiento a tierra en el sistema puede ser solo una pequeña parte del voltaje que debe proporcionarse de manera confiable en la fuente de alimentación de acoplamiento del transformador.

Uso de tierra de condensadores para mantener el aislamiento de corriente continua

Afortunadamente, hay una solución simple: conectar los planos juntos con condensadores. Los condensadores de clase y son una buena opción para diseños de mayor voltaje / corriente. Puedes hacerlo fácilmente en el diagrama esquemático: solo tienes que encontrar los componentes que tu capacitor necesita y luego conectarte directamente a la red de tierra del puente. En el diseño de pcb, la ubicación típica para hacerlo está cerca del transformador.

Aunque sigue siendo válido en la conversión AC - dc, el enfoque más complejo es el uso de condensadores entre el carril de alimentación y el lado AC del sistema. Eliminar el desplazamiento de tierra entre cada lado introduciendo y liberando algunas corrientes de desplazamiento.

Sobre la puesta a tierra en el diseño electrónico y el diseño de PCB

Fuentes de alimentación aisladas y no aisladas: la elección correcta

Definir la puesta a tierra de la fuente de alimentación: sistemas, recintos y puesta a tierra en PCB

Cómo conectar a través de la brecha entre el plano del suelo

El sistema eléctrico realiza algoritmos de control y necesita permitir la retroalimentación de la salida a la entrada, lo que permite detectar la Potencia de salida. Esto significa que necesita ejecutar físicamente una línea desde el extremo de salida del lado del regulador hasta el extremo de entrada que contiene el elemento de conmutación. ¿La pregunta es: si tu salida es dc, pero quieres mantener el aislamiento, ¿ cuál es la mejor manera de proporcionarlo?

La respuesta es el uso de acopladores ópticos. No es apropiado colocar el rastro en la brecha, ya que el rastro recibirá ruido externo y la fuente de alimentación del interruptor producirá mucho ruido. El acoplamiento del transformador tampoco está disponible porque está ajustando la corriente continua. En el siguiente esquema, el acoplamiento óptico cruza el aislamiento entre los planos de tierra, por lo que mantenemos el aislamiento necesario en esta fuente de alimentación.

El acoplador fotoeléctrico le permite enviar señales a través de la brecha del plano de tierra sin necesidad de cableado.

Después de colocar el acoplamiento óptico, puede dirigir la salida al Controlador de alimentación. Los microcontroladores con salida PWM son una buena opción para personalizar los controladores de alimentación, aunque algunas compañías producen controladores de accionamiento de puerta MOSFET con entrada de retroalimentación y pueden configurar algunas resistencias externas. Si estás diseñando un ajuste de potencia muy preciso o estás probando un algoritmo de control, esta es una solución simple para lograr la detección de salida. A continuación, puede utilizar algoritmos de control estándar para ajustar la frecuencia del controlador PWM para garantizar la máxima eficiencia o rastrear específicamente la salida de potencia necesaria.

Cómo aterrizar en el diseño de PCB de la fuente de alimentación aislada es muy importante para la seguridad.