PCB Tecnico - Come mettere a terra in un layout PCB isolato di alimentazione

La maggior parte dei progettisti che utilizzano alimentatori desktop probabilmente utilizzerà un alimentatore isolato regolato (switching) che si collega alla parete. Tutto il necessario per fornire un alimentatore stabile a uno specifico livello DC o AC è integrato nell'unità e il rumore è relativamente basso. Come designer, non è necessario farlo se non per collegare alcuni cavi al circuito stampato. qualsiasi cosa. Purtroppo, i sistemi reali con sezioni di alimentazione integrate, o anche solo moduli regolatori di potenza che si desidera integrare in un sistema più grande, non sono così semplici, e alcuni design personalizzati sono necessari per garantire il corretto funzionamento.

Un aspetto importante dell'integrazione dell'alimentatore nel sistema è la corretta impostazione e connessione della messa a terra, anche per alimentatori isolati. Se si integra l'alimentatore isolato con il resto del circuito principale sul circuito stampato, è ancora necessario mettere a terra il sistema. Queste regole si applicano anche al PCB di un caricabatterie DC isolato o adattatore di alimentazione DC, perché il design potrebbe dover essere collegato nuovamente alla terra, a seconda dell'applicazione e dei problemi di sicurezza. Poiché una scarsa connessione a terra può causare problemi di rumore e persino rischi per la sicurezza, esaminiamo le migliori pratiche per creare una connessione a terra nella sezione di condizionamento dell'alimentazione quando si converte l'alimentazione CA in corrente continua sul circuito stampato.

Struttura di messa a terra in alimentatore isolato

Supponiamo che si sta progettando un sistema che deve eseguire la conversione di potenza (da CA a DC), il condizionamento e la trasmissione al circuito nella progettazione. Se si considera la costruzione effettiva del sistema, ci sono tre diverse opzioni possibili per il terreno:

Messa a terra: Si tratta di una vera connessione elettrica di messa a terra che esiste come filo di sicurezza (PE) sulla linea AC a 3 fili.

Messa a terra del telaio: questo vale per gli involucri con componenti metallici, in cui il metallo contenuto nell'involucro viene utilizzato per creare un collegamento a terra.

Segnale terra: a volte viene erroneamente descritto come terra analogica e terra digitale (non separare il terreno in questo modo). Segnale terra di solito si riferisce a qualsiasi cosa diversa da terra o telaio.

Gli alimentatori costruiti con accoppiamento trasformatore (come convertitori AC-DC, convertitori DC-DC di commutazione o una combinazione di questi due sistemi) saranno costruiti con trasformatori per compensare queste lacune nel layout PCB. Il motivo è semplice: a meno che non operi solo a bassa tensione e bassa corrente, di solito vuoi isolare nel tuo progetto per proteggere gli utenti dai pericoli per la sicurezza.

Per vari motivi, questi sistemi di messa a terra non sono sempre situati su un unico piano di terra. Ciò vale per gli alimentatori di commutazione, in particolare per gli alimentatori più complessi, come i convertitori risonanti LLC. Il motivo per cui la messa a terra è così importante è che definisce la tensione misurata quando il componente è in funzione nel sistema. Quando scrivo "la tensione misurata da un componente", significa che un segnale 5V definito su una determinata area messa a terra del sistema potrebbe non essere in grado di essere misurato a 5V quando viene misurato su qualche altra area messa a terra del sistema.

In questa figura, se c'è una differenza potenziale tra le due aree di messa a terra, il segnale dall'area di messa a terra sinistra (GND1) può essere misurato erroneamente sull'area di messa a terra destra (GND2).

Questo problema negli alimentatori isolati di commutazione è chiamato "offset di terra" e può causare problemi di rumore. Questo è molto importante perché l'offset di terra nel sistema può essere solo una piccola parte della tensione che si desidera fornire in modo affidabile in un alimentatore accoppiato a trasformatore.

Utilizzare la messa a terra del condensatore per mantenere l'isolamento DC

Fortunatamente, c'è una soluzione semplice: collegare gli aerei insieme ai condensatori. I condensatori di classe Y sono una buona scelta per progetti di tensione/corrente più elevati. È possibile farlo facilmente nello schema: basta trovare i componenti di cui il condensatore ha bisogno e quindi collegare la rete di terra collegandosi direttamente. La posizione tipica per farlo nel layout PCB è vicino al trasformatore.

Anche se ancora efficace nella conversione AC-DC, un metodo più complicato è quello di utilizzare un condensatore tra la guida di alimentazione e il lato AC del sistema. Eliminare l'offset del terreno tra ciascun lato disegnando e rilasciando una certa corrente di spostamento.

Informazioni sulla messa a terra nella progettazione elettronica e nella disposizione PCB

Alimentatori isolati e non isolati: la scelta giusta

Definire il terreno di alimentazione: sistema, telaio e terra in PCB

Come spostarsi attraverso il divario del piano di terra

Il sistema di alimentazione implementa l'algoritmo di controllo e deve consentire il feedback dall'uscita all'ingresso in modo che la potenza di uscita possa essere percepita. Ciò significa che è necessario eseguire fisicamente una linea dall'uscita sul lato del regolatore al lato dell'ingresso contenente gli elementi di commutazione. La domanda è: se il vostro output è DC, ma volete mantenere l'isolamento, qual è il modo migliore per fornirlo?

La risposta è usare gli optocoppiatori. Non è opportuno posizionare tracce sullo spazio, perché le tracce riceveranno rumore esterno e l'alimentazione di commutazione genererà molto rumore. Anche l'accoppiamento trasformatore non può essere utilizzato perché si sta regolando la CC. Nello schema sottostante, l'optocoppiatore copre l'isolamento tra i piani di terra, quindi abbiamo mantenuto l'isolamento richiesto in questo alimentatore.

Gli optocoppler consentono di inviare segnali attraverso lo spazio del piano di terra senza la necessità di cablaggio.

Dopo aver posizionato l'optocoppiatore, è possibile indirizzare l'uscita al controller di alimentazione. Un microcontrollore con uscita PWM è una buona scelta per i controller di alimentazione personalizzati, anche se alcune aziende producono controller MOSFET gate driver che hanno ingressi di feedback e possono essere configurati con alcune resistenze esterne. Se state progettando una regolazione di potenza molto precisa o state sperimentando algoritmi di controllo, questa è una soluzione semplice per ottenere il rilevamento dell'output. È quindi possibile utilizzare algoritmi di controllo standard per regolare la frequenza del controller PWM per garantire la massima efficienza o monitorare specificamente la potenza richiesta.

Come eseguire la messa a terra nel layout PCB dell'alimentatore isolato è molto importante per la sicurezza