如何在隔離電源 PCB 布局中接地

2021-08-25

如何在隔離電源 PCB布局中接地

大多數使用臺式電源的設計人員可能會(huì )使用插入墻壁的隔離式穩壓（開(kāi)關(guān)）PSU。在特定的 DC 或 AC 電平下提供穩定電源所需的一切都內置在該單元中，并且噪聲相對較低，作為設計師，除了將一些引線(xiàn)連接到電路板之外，您實(shí)際上不需要做任何事情。不幸的是，帶有集成電源部分的真實(shí)系統，或者甚至只是您想要集成到更大系統中的電源調節器模塊，都沒(méi)有那么簡(jiǎn)單，需要一些定制設計來(lái)確保它們正確運行。

將電源集成到系統中的一個(gè)重要方面是正確設置和連接接地，即使對于隔離電源也是如此。如果您將隔離電源與主要電路的其余部分集成到電路板上，您仍然需要在系統中接地。這些規則甚至適用于隔離式 DC 充電器或 DC 電源適配器的 PCB，因為設計可能需要連接回大地，具體取決于應用和安全問(wèn)題。由于接地連接不良會(huì )產(chǎn)生噪聲問(wèn)題，甚至是安全隱患，因此讓我們看看在電路板上將交流電轉換為直流電時(shí)在電源調節部分創(chuàng )建接地連接的最佳做法。

隔離電源中的接地結構

假設您正在設計一個(gè)系統，該系統需要執行電源轉換（交流到直流）、調節和傳輸到設計中的電路。如果您考慮該系統的實(shí)際構造，有三種不同的可能用于地面的選擇：

接地：這是一個(gè)真正的接地電氣連接，作為 3 線(xiàn)交流線(xiàn)路上的安全線(xiàn) (PE) 存在。

機箱接地：這適用于帶有金屬元件的外殼，其中外殼中的金屬用于創(chuàng )建接地連接。

信號地：這有時(shí)被錯誤地描述為模擬地和數字地（不要像這樣分開(kāi)你的地）。信號地通常是指除地或底盤(pán)以外的任何東西。

使用變壓器耦合構建的電源（例如 AC-DC 轉換器、DC-DC 開(kāi)關(guān)轉換器或這兩種系統的組合）將使用變壓器構建以彌補 PCB布局中的這些間隙。原因很簡(jiǎn)單：除非您僅在低電壓和低電流下運行，否則您通常希望在設計中進(jìn)行隔離以保護用戶(hù)免受安全危害。

由于各種原因，這些接地系統并不總是位于單個(gè)接地平面上。這適用于開(kāi)關(guān)電源，尤其是更復雜的電源，如LLC 諧振轉換器。接地如此重要的原因是它定義了組件在系統中運行時(shí)測量的電壓。當我寫(xiě)“一個(gè)組件測量的電壓”時(shí)，它意味著(zhù)在系統中的某個(gè)接地區域上定義的 5 V 信號在系統中的某個(gè)其他接地區域上測量時(shí)可能無(wú)法在 5V 下測量。

在此圖中，如果兩個(gè)接地區域之間存在電位差，則在右接地區域 (GND2) 上可能會(huì )錯誤地測量源自左側接地區域 (GND1) 的信號。

隔離式開(kāi)關(guān)電源中的這個(gè)問(wèn)題稱(chēng)為“接地偏移”，會(huì )產(chǎn)生噪聲問(wèn)題。這非常重要，因為系統中的接地偏移可能只是您希望在變壓器耦合電源中可靠提供的電壓的一小部分。

用電容器接地可保持直流隔離

幸運的是，有一個(gè)簡(jiǎn)單的解決方案：用電容器將平面連接在一起。Y 級電容器是較高電壓/電流設計的不錯選擇。您可以在原理圖中輕松完成此操作：只需找到您的電容器所需的組件，然后通過(guò)直接連接橋接接地網(wǎng)絡(luò )。在 PCB布局中執行此操作的典型位置靠近變壓器。

盡管在 AC-DC 轉換中仍然有效，但更復雜的方法是在電源軌和系統的 AC 側之間使用電容器。通過(guò)抽取和釋放一些位移電流來(lái)消除每一側之間的接地偏移。

此示意圖顯示了一種橋接兩個(gè)接地的簡(jiǎn)單方法。您會(huì )在一些參考設計中看到這一點(diǎn)。

請注意，這僅適用于板上的兩個(gè)接地區域。我們還沒(méi)有考慮底盤(pán)或地球。但是，您可以采取一些基本步驟來(lái)確保外殼、電路板和接地正確連接在一起。不幸的是，這并不是那么簡(jiǎn)單，需要考慮噪聲和電流如何在系統中發(fā)揮作用，以及它們是否會(huì )造成安全隱患。以下是一些可供進(jìn)一步閱讀的資源，可幫助您確定在保持隔離的同時(shí)連接接地的最佳方式。

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如何穿過(guò)地平面間隙布線(xiàn)

如果您想為您的電源系統實(shí)施控制算法，您將需要允許從輸出返回到輸入的反饋，以便可以感測到輸出功率。這意味著(zhù)您需要從穩壓器一側的輸出端到包含開(kāi)關(guān)元件的輸入側物理運行一條線(xiàn)路。問(wèn)題是：如果您的輸出端是 DC，但您想保持隔離，那么提供的最佳方法是什么？

答案是使用光耦合器。在間隙上放置走線(xiàn)是不合適的，因為走線(xiàn)會(huì )接收外部噪聲，而開(kāi)關(guān)電源會(huì )產(chǎn)生大量噪聲。變壓器耦合也無(wú)法使用，因為您正在調節 DC。在下面的示意圖中，光耦合器跨越接地層之間的隔離，因此我們在此電源中保持了所需的隔離。

光耦合器允許您跨地平面間隙發(fā)送信號，而無(wú)需布線(xiàn)。

放置光耦合器后，您可以將輸出路由到電源控制器。具有 PWM 輸出的微控制器是定制電源控制器的不錯選擇，盡管有些公司生產(chǎn)具有反饋輸入且可配置一些外部電阻器的 MOSFET 柵極驅動(dòng)器控制器。如果您正在設計非常精確的功率調節或您正在試驗控制算法，這是實(shí)現輸出檢測的簡(jiǎn)單解決方案。然后，您可以使用標準控制算法來(lái)調整 PWM 控制器的頻率，以確保最大效率或專(zhuān)門(mén)跟蹤所需的功率輸出。