如何在隔离電(diàn)源 PCB 布局中接地

2021-08-25

如何在隔离電(diàn)源 PCB布局中接地

大多(duō)数使用(yòng)台式電(diàn)源的设计人员可(kě)能(néng)会使用(yòng)插入墙壁的隔离式稳压（开关）PSU。在特定的 DC 或 AC 電(diàn)平下提供稳定電(diàn)源所需的一切都内置在该单元中，并且噪声相对较低，作為(wèi)设计师，除了将一些引線(xiàn)连接到電(diàn)路板之外，您实际上不需要做任何事情。不幸的是，带有(yǒu)集成電(diàn)源部分(fēn)的真实系统，或者甚至只是您想要集成到更大系统中的電(diàn)源调节器模块，都没有(yǒu)那么简单，需要一些定制设计来确保它们正确运行。

将電(diàn)源集成到系统中的一个重要方面是正确设置和连接接地，即使对于隔离電(diàn)源也是如此。如果您将隔离電(diàn)源与主要電(diàn)路的其余部分(fēn)集成到電(diàn)路板上，您仍然需要在系统中接地。这些规则甚至适用(yòng)于隔离式 DC 充電(diàn)器或 DC 電(diàn)源适配器的 PCB，因為(wèi)设计可(kě)能(néng)需要连接回大地，具體(tǐ)取决于应用(yòng)和安全问题。由于接地连接不良会产生噪声问题，甚至是安全隐患，因此让我们看看在電(diàn)路板上将交流電(diàn)转换為(wèi)直流電(diàn)时在電(diàn)源调节部分(fēn)创建接地连接的最佳做法。

隔离電(diàn)源中的接地结构

假设您正在设计一个系统，该系统需要执行電(diàn)源转换（交流到直流）、调节和传输到设计中的電(diàn)路。如果您考虑该系统的实际构造，有(yǒu)三种不同的可(kě)能(néng)用(yòng)于地面的选择：

接地：这是一个真正的接地電(diàn)气连接，作為(wèi) 3 線(xiàn)交流線(xiàn)路上的安全線(xiàn) (PE) 存在。

机箱接地：这适用(yòng)于带有(yǒu)金属元件的外壳，其中外壳中的金属用(yòng)于创建接地连接。

信号地：这有(yǒu)时被错误地描述為(wèi)模拟地和数字地（不要像这样分(fēn)开你的地）。信号地通常是指除地或底盘以外的任何东西。

使用(yòng)变压器耦合构建的電(diàn)源（例如 AC-DC 转换器、DC-DC 开关转换器或这两种系统的组合）将使用(yòng)变压器构建以弥补 PCB布局中的这些间隙。原因很(hěn)简单：除非您仅在低電(diàn)压和低電(diàn)流下运行，否则您通常希望在设计中进行隔离以保护用(yòng)户免受安全危害。

由于各种原因，这些接地系统并不总是位于单个接地平面上。这适用(yòng)于开关電(diàn)源，尤其是更复杂的電(diàn)源，如LLC 谐振转换器。接地如此重要的原因是它定义了组件在系统中运行时测量的電(diàn)压。当我写“一个组件测量的電(diàn)压”时，它意味着在系统中的某个接地區(qū)域上定义的 5 V 信号在系统中的某个其他(tā)接地區(qū)域上测量时可(kě)能(néng)无法在 5V 下测量。

在此图中，如果两个接地區(qū)域之间存在電(diàn)位差，则在右接地區(qū)域 (GND2) 上可(kě)能(néng)会错误地测量源自左侧接地區(qū)域 (GND1) 的信号。

隔离式开关電(diàn)源中的这个问题称為(wèi)“接地偏移”，会产生噪声问题。这非常重要，因為(wèi)系统中的接地偏移可(kě)能(néng)只是您希望在变压器耦合電(diàn)源中可(kě)靠提供的電(diàn)压的一小(xiǎo)部分(fēn)。

用(yòng)電(diàn)容器接地可(kě)保持直流隔离

幸运的是，有(yǒu)一个简单的解决方案：用(yòng)電(diàn)容器将平面连接在一起。Y 级電(diàn)容器是较高電(diàn)压/電(diàn)流设计的不错选择。您可(kě)以在原理(lǐ)图中轻松完成此操作：只需找到您的電(diàn)容器所需的组件，然后通过直接连接桥接接地网络。在 PCB布局中执行此操作的典型位置靠近变压器。

尽管在 AC-DC 转换中仍然有(yǒu)效，但更复杂的方法是在電(diàn)源轨和系统的 AC 侧之间使用(yòng)電(diàn)容器。通过抽取和释放一些位移電(diàn)流来消除每一侧之间的接地偏移。

此示意图显示了一种桥接两个接地的简单方法。您会在一些参考设计中看到这一点。

请注意，这仅适用(yòng)于板上的两个接地區(qū)域。我们还没有(yǒu)考虑底盘或地球。但是，您可(kě)以采取一些基本步骤来确保外壳、電(diàn)路板和接地正确连接在一起。不幸的是，这并不是那么简单，需要考虑噪声和電(diàn)流如何在系统中发挥作用(yòng)，以及它们是否会造成安全隐患。以下是一些可(kě)供进一步阅读的资源，可(kě)帮助您确定在保持隔离的同时连接接地的最佳方式。

关于電(diàn)子设计和 PCB布局中的接地

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如何穿过地平面间隙布線(xiàn)

如果您想為(wèi)您的電(diàn)源系统实施控制算法，您将需要允许从输出返回到输入的反馈，以便可(kě)以感测到输出功率。这意味着您需要从稳压器一侧的输出端到包含开关元件的输入侧物(wù)理(lǐ)运行一条線(xiàn)路。问题是：如果您的输出端是 DC，但您想保持隔离，那么提供的最佳方法是什么？

答(dá)案是使用(yòng)光耦合器。在间隙上放置走線(xiàn)是不合适的，因為(wèi)走線(xiàn)会接收外部噪声，而开关電(diàn)源会产生大量噪声。变压器耦合也无法使用(yòng)，因為(wèi)您正在调节 DC。在下面的示意图中，光耦合器跨越接地层之间的隔离，因此我们在此電(diàn)源中保持了所需的隔离。

光耦合器允许您跨地平面间隙发送信号，而无需布線(xiàn)。

放置光耦合器后，您可(kě)以将输出路由到電(diàn)源控制器。具有(yǒu) PWM 输出的微控制器是定制電(diàn)源控制器的不错选择，尽管有(yǒu)些公司生产具有(yǒu)反馈输入且可(kě)配置一些外部電(diàn)阻器的 MOSFET 栅极驱动器控制器。如果您正在设计非常精确的功率调节或您正在试验控制算法，这是实现输出检测的简单解决方案。然后，您可(kě)以使用(yòng)标准控制算法来调整 PWM 控制器的频率，以确保最大效率或专门跟踪所需的功率输出。