絶縁電源 PCB ボードレイアウトでの接地方法は? 何をすべきか？

デスクトップ電源を使用するほとんどの設計者は、壁に接続された絶縁電圧安定化 (スイッチング) PSU を使用する場合があります。特定の DC または AC レベルで安定した電源を供給するために必要なすべてがユニットに組み込まれており、ノイズは比較的低くなっています。設計者として、回路基板にいくつかのリードを接続する以外に何もする必要はありません。残念ながら、統合された電源部品を備えた実際のシステム、またはより大きなシステムに統合したい単なる電源レギュレーターモジュールでさえ、それほど単純ではなく、それらが正しく機能することを保証するためにいくつかのカスタム設計が必要です。

電源をシステムに統合する際の重要な側面は、絶縁された電源であっても、接地を適切にセットアップして接続することです。絶縁型電源をメイン回路の残りの部分と一緒に回路基板に統合する場合でも、システム内で接地する必要があります。これらの規則は、絶縁型 DC 充電器または DC 電源アダプタの PCB 基板にも適用されます。これは、アプリケーションや安全性の問題によっては、設計をアースに戻す必要がある場合があるためです。不十分な接地接続はノイズの問題やセキュリティ上のリスクを引き起こすため、回路基板上で AC 電源を DC 電源に変換する際に、電力調整セクションで接地接続を作成するためのベストプラクティスを見てみましょう。

絶縁電源の接地構造

電力変換 (AC から DC へ)、レギュレーション、および設計内の回路への伝送を実行する必要があるシステムを設計しているとします。システムの実際の構造を考慮すると、地上で使用できる 3 つの異なるオプションがあります。

接地: これは実際の接地電気接続であり、3 線 AC ライン上のセーフティワイヤー (PE) として存在します。

シャーシの接地: これは、エンクロージャー内の金属を使用して接地接続を作成する、金属コンポーネントを備えたエンクロージャーに適用されます。

Signally: これは、アナログとデジタルとして誤って説明されることがあります (このように土地を分けないでください)。通常、シグナルグラウンドは、グラウンドまたはシャーシ以外のものを指します。

AC-DC コンバーター、DC-DC スイッチングコンバーター、またはこれら 2 つのシステムの組み合わせなど、トランス結合で構築された電源は、PCB レイアウトのこれらのギャップを補償するためにトランスで構築されます。理由は簡単です。低電圧および低電流でのみ動作する場合を除き、通常は設計で絶縁して、ユーザーを安全上の問題から保護する必要があります。

PCB boards

さまざまな理由から、これらの接地システムは常に単一の接地面にあるとは限りません。これは、スイッチング電源、特に LLC 共振コンバーターなどのより複雑な電源に適用されます。接地が非常に重要な理由は、コンポーネントがシステムで動作しているときに測定される電圧を定義するためです。「1 つのコンポーネントで測定された電圧」と書いた場合、システム内の特定の接地領域で定義された 5 V 信号が、システム内の特定の他の接地領域で測定されたときに 5 V 未満で測定されない可能性があることを意味します。

この絶縁型スイッチング電源の問題は「グランドオフセット」と呼ばれ、ノイズ問題の原因となります。システムの接地オフセットは、トランス結合電源で確実に供給したい電圧のごく一部にすぎない可能性があるため、これは重要です。

DC アイソレーションは、コンデンサの接地によって維持できます

幸いなことに、簡単な解決策があります。プレーンをコンデンサで接続します。クラス Y コンデンサは、より高い電圧/電流の設計に適しています。回路図でこれを簡単に行うことができます。コンデンサに必要なコンポーネントを見つけて、ブリッジの接地ネットワークを直接接続するだけです。 PCB レイアウトでこの操作を実行する一般的な場所は、トランスの近くです。

AC-DC 変換では依然として有効ですが、より複雑な方法は、電源レールとシステムの AC 側の間にコンデンサを使用することです。各サイド間のグランドオフセットは、一部の変位電流を抽出して解放することによって除去されます。回路基板アセンブリ、回路基板設計、および回路基板処理の製造業者は、絶縁された電源 PCB 回路基板レイアウトを接地する方法を説明していますか? 何をすべきか知っていますか？

これは、ボード上の 2 つの接地領域にのみ適用されることに注意してください。シャーシやアースは考慮していません。ただし、いくつかの基本的な手順を実行して、ハウジング、回路基板、およびグランドが適切に接続されていることを確認できます。残念ながら、これはそれほど単純ではありません。ノイズと電流がシステム内でどのような役割を果たすか、またそれらが安全上の問題を引き起こすかどうかを考慮する必要があります。以下は、絶縁を維持しながらグランドに接続する最良の方法を決定するのに役立つ、さらに読むためのリソースです。

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グランドプレーンのギャップを介して配線する方法

電力システムに制御アルゴリズムを実装する場合は、出力電力を検出できるように、出力から入力へのフィードバックを許可する必要があります。これは、レギュレータの出力側からスイッチング素子を含む入力側まで、物理的に配線する必要があることを意味します。問題は次のとおりです。出力が DC であるが、絶縁を維持したい場合、最善の方法は何ですか?

その答えは、光カプラを使用することです。配線は外来ノイズを受け、スイッチング電源はノイズを多く発生するため、ギャップに配線を配置することは適切ではありません。 DC を調整しているため、トランス結合も使用できません。次の図では、光カプラーがグランドプレーン間の絶縁にまたがっているため、この電源で必要な絶縁が維持されます。

オプトカプラを使用すると、配線なしでグランドプレーンのギャップを越えて信号を送信できます。

オプトカプラを配置したら、出力をパワーコントローラにルーティングできます。 PWM 出力を備えたマイクロコントローラはカスタムパワーコントローラに適していますが、一部の企業はフィードバック入力といくつかの外付け抵抗を備えた MOSFET ゲートドライバコントローラを製造しています。非常に正確な電力調整を設計している場合、または制御アルゴリズムを実験している場合、これは出力検出を実現するための簡単なソリューションです。次に、標準の制御アルゴリズムを使用して PWM コントローラーの周波数を調整し、最大の効率を確保するか、目的の電力出力を具体的に追跡することができます。回路基板アセンブリおよび回路基板処理メーカーは、絶縁された電源 PCB 回路基板レイアウトを接地する方法を説明していますか? 何をすべきか知っていますか？