Три способа объединения земли на печатной плате
Я всегда 3-м способом пользовался. И на схеме можно явно указать что одна земля с другой соединена, и на плате потом точно не забудешь.
Комментарий пока не оценивали 0
Ответить Добавить в закладки Ещё
НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
Показать предыдущий комментарий
Это очень часто возникает в силовых, в прецизионных аналоговых и цифровых схемах, см. Мекка заземления. Также можно почитать Хоровица Хилла «Исскуство схемотехники», глава 7, параграф «Помехи: экранирование и заземление».
Комментарий пока не оценивали 0
Ответить Добавить в закладки Ещё
НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
Показать предыдущий комментарий
Очень странно. Видимо у кого-то есть недопонимание, что существуют «ports», «nets» именно для того, чтобы схемотехника была правильная, но без «лишних» отображаемых линий.
Я так вообще на блок-схемы делю (Device sheets в альтиуме) и портами соединяю.
Странно. Может, это в рассматриваемом автором софте нет такого функционала?
Комментарий пока не оценивали 0
Ответить Добавить в закладки Ещё
НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
Показать предыдущий комментарий
Если разводка происходит без чтения схемы, то я боюсь представить что там происходит с decoupling конденсаторами…
Комментарий пока не оценивали 0
Ответить Добавить в закладки Ещё
Показать предыдущий комментарий
Да, но на схеме все же делается их соединение. Просто соединение, или через перемычку, или через индуктивность или как-то еще… Иначе проект не будет проходить проверку.
Комментарий пока не оценивали 0
Ответить Добавить в закладки Ещё
Показать предыдущий комментарий
Часто при проектировании печатных плат возникает ситуация, когда необходимо закоротить две цепи на плате, не соединяя их на схеме — просто повергло меня в шок…
Если бы я это написал, меня бы заминусовали. Вы не сможете ничего доказать своим оппонентам. Есть люди, которые рождаются с правильным пониманием как развести землю, а есть которым это недоступно в принципе, они будут тыкать перемычки везде, где только втыкается.
Комментарий пока не оценивали 0
Ответить Добавить в закладки Ещё
ИМХО, это довольно странная практика.
Если нужно использовать ДВЕ земли — в чём проблема?
Обзываете обычную (аналоговую) землю сетью `GND` и к ней автоматически потянутся все пины микросхем. Обзываете силовую землю `PGND` и цепляете к ней силовые элементы (кстати, тот же Proteus позволяет подключать к этой земле и другие микросхемы).
На месте соединения — ставите резисторы 1206, нулёвки. Соединяете. Ибо подобными методами (перехлёста полигонов) программа просто не позволит соединить земли штатно — полигоны будут пытаться обтечь друг друга, иначе возникнет ошибка DRC (Design Rule Check error), а отключать данную проверку считаю плохим тоном — именно она не позволит случайно перехлестнуть дорожки и получить замыкание в плате.
Всего голосов 2: ↑1 и ↓1 0
Ответить Добавить в закладки Ещё
Показать предыдущий комментарий
Если нужно использовать ДВЕ земли — в чём проблема?
Не всегда возможно использовать дополнительные компоненты. При проектировании платы с плотным наполнением и кондуктивным теплоотводом не всегда возможно расположить дополнительные компоненты.
В любом случае перед сдачей у вас должен быть свой чек лист, по которому должна проверяться вся плата и прочие технические решения.
А потом речь идет всего лишь о специальных цепях со своими правилами, поэтому к перехлесту дорожек такая техника трассировки не приведет.
Комментарий пока не оценивали 0
Ответить Добавить в закладки Ещё
НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
Я может, что-то не понял, но вот это —
Я тоже не понял. Перед тем как показать, как в разных программах соединять землю, стоило бы рассказать, «а нафига и где это надо«. Лучше бы рассказали про правильную разводку. Как, зачем, почему нельзя (или можно) цеплять на одну точку разные земли, как развести цифру и аналог, почему по земле помехи помехуют, почему земля в силовых и высокочастотных схемах разводится по разному и как их разделить…
Вот бы полезная статья была бы
Комментарий пока не оценивали 0
Ответить Добавить в закладки Ещё
Показать предыдущий комментарий
- Electromagnetic Compatibility Engineering, автор Henry W. Ott
- High Speed Signal Propagation: Advanced Black Magiс, авторы Howard Johnson and Martin Graham
- EMC for Printed Circuit Boards, автор Keith Armstrong
Всего голосов 1: ↑1 и ↓0 +1
Ответить Добавить в закладки Ещё
Может это конечно особая специфика САПР (я в это кнчно не верю), но в АД есть такая штука как NetTie — специальный тип компонента для соединения разных нетов (он может быть в виде падов и пояска, отверстий, полигонов или загогулины в виде котика). Для компонента пишутся свои правила и соответственно все это чекается.
//Да, везде можно применить костыль, это намного быстрее, чем ткнуть компонент и написать для него пару правил, НО это безграмотно.
Проект должен быть таким, чтобы в нем мог разобраться любой другой инженер без особых страданий. А если схема не соответствует плате, то, ну, это очень много потенциальных проблем.
Комментарий пока не оценивали 0
Ответить Добавить в закладки Ещё
Показать предыдущий комментарий
Вариант 3 в статье — это как раз аналог NetTie.
Однако применять такой компонент не всегда удобно, иногда хочется соединить земли специфическим образом, например, не в одной точке, а в длинной зоне между двумя полигонами, или через отверстие между слоями. Для этих целей и можно использовать способы, описанные в разделах 1 и 2.
Конечно, будет правильно, если на схеме будет так или иначе отображен факт соединения двух разных цепей, и указано, через какой объект это соединение выполнено. Например, можно переходное отверстие с этим свойством (Net_Short) сделать частью специального компонента, можно назвать его «NetTie», если хотите.
Создав один раз такой компонент под ваши задачи, вы можете поместить его в библиотеку и использовать в дальнейшем в других проектах, размещать на схеме и соответственно на плате. Для того, чтобы компонент не воспринимался системой как необходимый для закупки или для программы монтажа планарных компонентов, можно присвоить ему соответствующие свойства, чтобы он не попадал в выгрузку BOM.
Суть статьи в том, чтобы показать доступные инструменты в САПР для тех, кому это нужно.
Всего голосов 2: ↑1 и ↓1 0
Ответить Добавить в закладки Ещё
Я правильно понимаю, что в третьем варианте после изменения размера площадок компонента сам компонент останется, его координаты попадут в выгрузку assembly и установщик будет пытаться установить компонент на плату?
Для опытного образца, конечно, нулевые резисторы — это вообще замечательно — можно «отключить» практически любую часть для локализации возможных проблем.
Комментарий пока не оценивали 0
Ответить Добавить в закладки Ещё
Показать предыдущий комментарий
Да, правильно понимаете.
Но вы можете задать комментарии в спецификации, что данный компонент «не ставить».
Почему в блоке питания коммуникационного оборудования используется — 48В?
(1) Почему полярность отрицательного источника (т. Е. Положительного заземления)?
Давайте сначала поговорим о второй проблеме &. Использование блока питания — 48В вызвано историческими причинами. Самая ранняя из используемых сетей связи — это телефонная сеть, а питание телефона осуществляется Бюро телекоммуникаций. 48 В выбрано, чтобы максимально увеличить расстояние от пользователя до конечного офиса в условиях на тот момент (36 В — безопасное напряжение, которое превышает слишком большую небезопасность). Позже, чтобы быть совместимым с ранним оборудованием и снизить затраты , до сих пор используется оргтехника связи — блок питания 48В.
Точно так же с системой питания с отрицательной полярностью положительное заземление является условным. Была пословица, что в воздухе много отрицательных зарядов. Согласно электрохимическим знаниям, положительное заземление может адсорбировать отрицательные ионы в воздухе, чтобы защитить корпус телекоммуникационного оборудования от коррозии. На самом деле это утверждение не очень корректно. Реакция гальванического элемента и электролитическая реакция приведут к ржавчине оборудования, но из-за них она существует в микрокосмической форме на оборудовании и оказывает незначительное влияние. Например, сети систем без связи имеют отрицательное заземление (например, компьютер, который вы используете), но они не заржавели. Кроме того, — 48V внутренне изолирован от постоянного / постоянного тока, выход постоянного / постоянного тока имеет отрицательное заземление, а коррозия и ржавчина на единой плате не видны. Поэтому независимо от того, какой электрод заземлен, он один и тот же.
Что касается заземления корпуса (PGND) оборудования, то это делается с целью защиты. Накопленный на оборудовании заряд будет быстро разряжаться на землю, чтобы не повредить оборудование и персонал.
В нашей продукции в основном используется система питания 48 В, а измеренное фактическое напряжение — 53,5 В. Это связано с тем, что для надежности коммуникационное оборудование оснащено резервной батареей (- 48 В). Для обеспечения надежной зарядки аккумулятора напряжение источника питания должно быть немного выше, чем напряжение аккумулятора.
Из средств массовой информации вы также можете узнать, что есть оборудование, использующее систему питания 24 В, которая используется некоторым современным внутренним оборудованием для удобства проектирования. Обычно выходное напряжение блока питания составляет 26,8 В.
Обычно требуется, чтобы оборудование нормально работало в пределах ± 20% диапазона колебаний напряжения. Для системного оборудования — 48 В диапазон рабочего напряжения должен составлять — 38,4 В ~ 57,6 В, но обычно нам требуется рабочий диапазон.
–36V ~ -72V。 В основном считается, что — оборудование системы 48V должно быть совместимо с — системой электропитания 60V, для которой требуется — 48 ~ — 72V. Таким образом, требуется, чтобы диапазон рабочего напряжения составлял около -36 В ~ -72 В.
Между прочим, система электропитания 48 В — это единственный стандарт электропитания связи, принятый в Китае и большинстве стран. Не все страны используют этот стандарт. Например, в России будет использоваться система питания 60 В, а в некоторых странах — система питания 24 В. Если продукты будут продаваться в этих регионах, необходимо учитывать эти разные стандарты.
Стандарты сетевого питания также разные во всем мире. Например, сеть электроснабжения 220 В принята в Китае и Европе, а сеть питания 110 В принята в Соединенных Штатах и Японии.
Почему выбирают — 48В в качестве напряжения питания вместо 48В?
1. Напряжение относительно безопасно. Например, тело человека имеет сопротивление 50 кОм, напряжение — 48 В, 48/50000=0,00096a=0,96 мА, и человеческое тело находится в опасности для жизни, если оно протекает через 9 мА.
2. Историческое наследие. N лет назад при использовании электронных ламп и германиевых трубок PNP положительное заземление схемы было интуитивно понятным, простым и удобным. Эффективность защиты от помех отрицательного источника питания лучше, но это уже давно причина. Современная цифровая техника не предъявляет к этому высоких требований, поэтому теперь оборудование может также использовать положительный источник питания, но, учитывая общность, большинство из них — 48v3. Положительное заземление системы электропитания может уменьшить коррозию положительного электрода накопительного бака. 4. Уменьшите системный шум и уменьшите помехи.
5. Раннее общение может использовать землю в качестве петли для экономии проводов.
6. Чтобы защитить кабель от коррозии из-за реакции аккумулятора, кабель должен быть отрицательным.
7. Напряжение выше — 24 В, что способствует передаче энергии и снижает потери.
Среда телефонной линии сложна. До изобретения всех пластиковых кабелей изоляция линии часто была плохой. Отрицательный источник питания меньше подвержен влиянию шума грунтовых газов, чем положительный источник питания. Эта привычка используется до сих пор.
Разрешите пояснить для справки: почему положительный полюс должен быть заземлен? Во-первых, источник питания должен быть заземлен, что может эффективно избежать шума и других помех. Выбор положительного заземления может минимизировать коррозию заземляющих устройств.
Я лично понимаю, почему выбрано 48V: изначально для связи использовались 24V и 60V, но позже они были постепенно унифицированы до 48V. Напряжение выше 48 В может привести к травмам. Если оно ниже 48 В, ток в линии нагрузки с такой же мощностью слишком велик. Необходимо подбирать ЛЭП большей толщины. Вложения большие, а потери при падении напряжения в сети велики.
— 48 передающее оборудование обычно имеет два режима передачи энергии, одинарную передачу энергии (3 линии электропередачи: — 48 В, рабочее место и защитное место) и двойную передачу энергии (5 линий электропередачи: — 48 В, 2 рабочих места и 1 провод защитного заземления). Как правило, оборудование одиночного PDH и оборудование передачи SDH в коробке 155 м также используют одинарный режим передачи энергии, а другое оборудование стоечного типа — двойную передачу энергии. Диаметр линии электропередачи постоянного тока обычно составляет 1,5, 2,5, 4, 6, 10, 16, 25, 35, 50, 70, 95, 120, 150, 185 и 240 с единицей измерения в мм2. Диаметр провода s=I × L / (K × Δ 5) Где: S — площадь поперечного сечения жилы (мм2), I — ток шлейфа (а), L — длина шлейфа жилы (м) Δ V — допустимое падение напряжения постоянного тока (В), K — проводимость проводника (М / Ом * мм2), в котором медный проводник k=57, алюминиевый проводник k=34, полное падение напряжения процесса общей системы электропитания постоянного тока связи менее 3,2В. Эмпирическая формула: S=I * L * 2/57 / 0,5, результат округляется в большую сторону, диаметр провода верхнего уровня равен -48 В и выбирается рабочий диаметр провода заземления, а диаметр провода защитного заземления уменьшается на одну ступень. Выше приведены значения опытных разработок только для справки.
Когда земли должны быть разделенными?
Куда я должен подключать земли импульсных регуляторов?
Ответ:
Что делать с аналоговой землей (AGND) и силовой землей (PGND) микросхемы импульсного регулятора? Этот вопрос задают многие разработчики импульсных источников питания. Некоторые из них привыкли иметь дело с цифровой и аналоговой землей, однако, когда дело доходит до силовой земли, они нередко теряются. Тогда они просто копируют разводку платы, рекомендованную для выбранной микросхемы регулятора, и забывают об этой проблеме.
PGND – это точка заземления, через которую протекают более сильные импульсные токи. В зависимости от топологии импульсного регулятора, это может быть током мощного внутреннего транзистора или импульсным током выходного драйвера внешнего транзистора. Это особенно актуально в случае контроллеров импульсных преобразователей, например, с внешними силовыми ключами.
AGND, называемая иногда SGND (signal ground – сигнальная земля), – это заземление, которое, как правило, используют в качестве опорного уровня другие, обычно очень «тихие» сигналы. К таким сигналам относится, в частности, напряжение внутреннего опорного источника, необходимое для стабилизации выходного напряжения. Сигналы разрешения и управления мягким запуском также привязаны к AGND.
Существуют два различных технических подхода и, соответственно, разные мнения экспертов относительно подключения этих земляных соединений.
Один из подходов состоит в том, чтобы контакты AGND и PGND микросхемы импульсного регулятора соединить друг с другом возле соответствующих выводов. Это поддерживает смещение напряжения между двумя выводами относительно низким, защищая микросхему импульсного регулятора от помех, и даже от возможных повреждений. Все земли схемы и земляной слой печатной платы, если он существует, должны звездообразно сходится в эту общую точку. Пример реализации такого подхода показан на Рисунке 1. На нем изображена разводка печатной платы для 10-амперного микромодуля понижающего преобразователя LTM4600. Отдельные земли печатной платы соединены вблизи друг друга (см. синий овал на Рисунке 1). Определенное разделение PGND и AGND происходит уже на кристалле микросхемы из-за паразитной индуктивности соответствующих проводов, соединяющих кристалл с корпусом, а также индуктивности связанных с ними выводов, что приводит к небольшим взаимным помехам между цепями на кристалле.
| Рисунок 1. | Локальное соединение PGND и AGND прямо на контактных площадках. |
Другой подход предполагает дополнительное разделение AGND и PGND на плате на два разных слоя, соединенных друг с другом в одной точке. Благодаря этому соединению сигналы помехи (напряжение смещения) локализуются в основном в области PGND, в то время как напряжение в области AGND остается очень спокойным и очень хорошо отделенным от PGND. Однако недостатком этого метода является то, что, в зависимости от скорости переходных процессов и силы тока, на соответствующих выводах может происходить значительное смещение напряжения между PGND и AGND. Это может стать причиной неправильной работы, или даже повреждения микросхемы импульсного регулятора. Реализация такого подхода показана на Рисунке 2 на примере микросхемы 6-амперного импульсного понижающего регулятора ADP2386.
| Рисунок 2. | Разделенные AGND и PGND, соединенные под земляным основанием корпуса микросхемы через переходные отверстия. |
Вопрос заземления сводится к компромиссу между строгим разделением для минимизации шумов и помех и риском появления смещений напряжения между двумя землями, воздействующих на кристалл микросхемы и нарушающих ее функционирование. Правильное решение в отношении этого компромисса в значительной степени зависит от конструкции микросхемы, включая крутизну фронтов, уровни мощности, паразитные индуктивности внутренних проводов и корпуса, а также риск защелкивания каждой микросхемы.
Заключение
Ответ на вопрос о том, как обходиться с землями AGND и PGND, не так прост. Вот почему дискуссии на эту тему все еще продолжаются. В самом начале я упомянул о том, что многие разработчики импульсных регуляторов используют примеры разводки платы и подключения земель, предоставленные разработчиком микросхем. Это разумно, поскольку, как правило, у вас есть основания предполагать, что производитель проверил соответствующую микросхему в такой конфигурации. Из примеров на Рисунках 1 и 2 также можно видеть, что расположение соответствующих выводов микросхем хорошо подходит как для локального соединения земель возле выводов AGND и PGND, так и для раздельного заземления.
Разумеется, производитель микросхемы может ошибиться при проектировании примеров схем. Вот почему хорошо иметь дополнительную информацию об основных подходах.
Материалы по теме
- Datasheet Analog Devices ADP2386
- Datasheet Analog Devices LTM4600
Analog Devices
Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман
Изолированные и неизолированные источники питания: безошибочный выбор
В карьере проектировщика печатных плат может наступить момент, когда потребуется соблюдать определенные нормативные требования. В медицинской, автомобильной, военной или другой подобной сфере проект может подвергнуться пристальному контролю на соответствие самым строгим стандартам. Когда действуют нормативные правила, изоляция источника питания (или ее отсутствие) начинает играть очень значимую роль.
Что такое изоляция питания и изолированный источник питания? Изоляция питания означает именно это — источник питания изолирован от остальных контуров в системе. Это обычная мера, применяемая в системах питания, и на то есть веские причины. Например, если печатная плата медицинского оборудования питается от неизолированного источника, возрастает риск опасных ударных нагрузок и скачков напряжения, воздействующих на устройство через источник питания, причинения травм пользователю (и, возможно, даже пациенту!).
Понимание особенностей изолированных и неизолированных источников питания в первую очередь связано с обеспечением безопасности разработчика и пользователя. Речь здесь идет не только о блоках питания переменным или постоянным током, которые применяются в лабораториях. Во многих цифровых и встроенных системах источник питания интегрирован в плату, и сборочный узел не выглядит как единая интегральная схема. Изоляция источника питания, даже если она интегрирована в плату или в систему из нескольких плат, поможет защитить конечного пользователя и другое оборудование. Рассмотрим разницу между изолированным и неизолированным источником питания, прежде чем приступать к проектированию.
Что такое изолированный источник питания?
Изолированный источник питания электрически изолирован от остальной части цепи, которую он питает. Для этой цели часто применяют изолирующие трансформаторы. Это означает, что мощность и напряжение передаются от входа к выходу без прямого электрического соединения между двумя секциями. Такие источники питания могут принимать высокое входное напряжение от сети переменного тока и преобразовывать его в пониженное напряжение. Последующие каскады компенсации коэффициента мощности (ККМ) и регулировки могут применяться для ограничения выходного тока до стабильного значения. Это обеспечивает защиту подключенных после них компонентов от сильных скачков напряжения и тока на входе источника питания.
В работе с источником постоянного или переменного тока лабораторного класса пользователю потребуется взаимодействовать с выходным каскадом изолированного источника питания. Другими словами, может потребоваться подсоединить или отсоединить провода, отрегулировать ряд настроек на передней панели или выполнить другие операции, относящиеся к блоку питания. Изолировав вход от выхода, конечный пользователь источника питания снизит риск электротравмы при работе с источником питания. Типовая топология для преобразования переменного тока в постоянный с изолированным источником питания показана ниже.
Простая топология для выходного каскада изолированного источника питания через изоляционный трансформатор.
В этой топологии понижающий трансформатор располагается на входе (между любым входным фильтром ЭМП и контуром выпрямителя), как часть схемы преобразования переменного тока в постоянный, однако его часто устанавливают после каскадов выпрямителя и ККМ, в особенности в изолированных импульсных преобразователях постоянного тока. Как правило, в сильноточных импульсных преобразователях постоянного тока, требующих изоляции, при использовании изолированного источника питания постоянного тока требуется контролировать полумостовой или полномостовой массив МОП-транзисторов потоком импульсов из контура драйвера затвора. Примерно такое решение применяется в резонансных LLC-преобразователях. Затем напряжение импульсного выходного сигнала из этого контура понижается с помощью трансформатора и выравнивается блоком конденсаторов. Такие же операции выполняются в обратноходовом преобразователе. Это распространенный тип изолированного переключающего преобразователя постоянного тока, хотя топология может отличаться.
Из этой топологии явно не следует, как решается важная задача обеспечения изоляции и какова общая стратегия заземления. В изолированном источнике питания может существовать до 3 участков заземления
- Первичное заземление (PGND): Это участок заземления на первичной стороне трансформатора, т. е. на стороне входа источника питания. При подключении к однофазному или трехфазному переменному току также может присутствовать соединение на массу (см. ниже) на входной стороне. Оно служит для подключения в цепи фильтра электромагнитных помех на входе. Этот участок заземления должен доходить до первичной стороны трансформатора. Граница этого участка заземления определяет, где формируется изоляция в системе.
- Вторичное заземление (SGND): Этот участок заземления начинается на вторичной стороне трансформатора и обеспечивает опорное заземление для остальной системы. Эта область в системе может быть оставлена плавающей. Однако в системах с высокой мощностью это может создавать значительный шум, если вторичное заземление колеблется вокруг опорного уровня заземления источника питания, поскольку вторичная сторона действует как плавающий проводник. В системах с переменным током эти колебания подавляются с помощью Y-образного колпачка между двумя участками заземления.
- Заземление (масса) шасси (PE или GND): Если такое заземление присутствует в изолированной системе питания, оно, как правило, играет роль защитного заземления. Оно не должно быть подключено в системе к выходной стороне изолированного источника питания или к возврату питания на любом нижестоящем оборудовании или платах. Шасси не предназначено для того, чтобы быть токонесущим проводником, исключая ситуации, в которых возникает неисправность.
Обозначения «PGND» и «SGND» не являются обязательными; технически можно присваивать сетям любые обозначения. Фактическая схема соединения этих участков для устранения шума и обеспечения безопасности наряду с сохранением изоляции в системах постоянного тока зависит от области применения. Ниже перечислены ресурсы, которые помогут начать работать с этими системами:
- Как соединить участки заземления на макете платы с изолированным источником питания
- Методики заземления металлизированных монтажных отверстий печатных плат
Примеры проектных решений
Ниже показан пример проектного решения с изолированным источником питания. В этом источнике питания фактически присутствуют два уровня изоляции, сформированные между входом и выходом:
- Первоначально на входе переменного тока
- Между двухтактным переключающим каскадом и выходом.
Входной каскад переменного тока не показан ниже, поскольку существует широкий спектр шаблонных проектных решений, способных обеспечить начальное преобразование переменного тока в постоянный. Выход каскада выпрямления переменного тока подключается к контуру ККМ, который компенсирует падение эффективности преобразования мощности в преобразователе с помощью переключающего действия. Изолированный переключающий каскад показан ниже.
я описал в другой статье. Здесь есть дополнительный контур драйвера затвора, который переключает каскады на первичной и вторичной сторонах этого резонансного преобразователя. Мы знаем, что этот преобразователь изолирован, поскольку первичное и вторичное заземление относятся к разным сетям. Они соединены только с защитным конденсатором.
Другие стандартные топологии изолированного источника питания показаны ниже. Это только топологии; для управления переключением также необходим драйвер затвора. Механизм обратной связи также используется на практике в изолированных источниках питания. Контур обратной связи измеряет выходные параметры и корректирует управляющий сигнал ШИМ, используемый для поддержания целевого уровня напряжения.
Тип источника питания
Обеспечивает повышение или понижение. В некоторых проектных решениях используются несколько параллельных обмоток для вывода нескольких сигналов напряжения одновременно.
Обычно использует переключаемый транзистор для протягивания через трансформатор импульсов тока, которые затем соединяются с выходным сигналом и выпрямляются.
Изолированный преобразователь постоянного тока с емкостной связью, обеспечивающей низкую рябь.
Использует трансформатор для обеспечения изоляции и два транзистора для обеспечения переключения.
Полный мост (Full bridge)
Использует трансформатор для обеспечения изоляции и четыре транзистора для обеспечения переключения. Также доступна полумостовая топология, аналогичная двухтактным системам.
Преобразователь с несимметрично нагруженной первичной индуктивностью (SEPIC)
Использует конденсатор и индуктор для хранения энергии и ее высвобождения через трансформатор посредством переключения на первичной стороне.
В отношении перечисленных топологий следует отметить, что эта компоновка может быть частично или полностью включена в интегральную схему. Интегральные схемы обеспечивают высокую гальваническую изоляцию, но с интегрированной обратной связью и поддерживающей схемой, необходимой для низкого уровня шумов. Их чаще используют в маломощных системах, где требуются низкий уровень шумов и высокая эффективность.
Трансформаторы обеспечивают гальваническую изоляцию
В изолированном источнике питания для гальванической изоляции между входной и выходной секциями используется изоляционный трансформатор. Трансформаторы передают энергию между катушками, используя магнитное поле, генерируемое переменным током в каждой катушке. Напряжение повышается или понижается, в зависимости от заданного коэффициента трансформации. Преимущество изоляции с использованием трансформатора в том, что между входной и выходной катушками трансформатора нет прямого электрического соединения. Проводники с каждой стороны не соприкасаются. Энергия передается через два участка заземления на устройстве посредством индукции. Это обеспечивает защиту всех компонентов, подключенных после трансформатора, от высокого напряжения/тока на стороне входа. Другими словами, все, что находится после трансформатора, изолировано.
Когда для мониторинга и контроля выходной мощности необходима петля обратной связи, для подсоединения выхода к предшествующему каскаду регулятора обычно применяют оптоизолятор. Этот компонент использует инфракрасный диод для обеспечения изоляции между каскадами регулятора высокой и низкой мощности. Для источников питания, которые работают при низком напряжении/токе, оптоизолятор обычно можно подключить непосредственно к выходу, хотя существуют оптоизоляторные ИС, способные принимать напряжение/ток более высокого уровня.
В число аспектов, которые следует учитывать при использовании изолированного источника питания, входит эффективность. Во всех трансформаторах присутствуют потери, как из-за рассеивания тепла в обмотках, так и из-за циклического перемагничивания в сердечниках. Магнитный материал, используемый в сердечниках (как правило это железо или ферромагнитный сплав железа), намагничивается и размагничивается при колебаниях входного переменного тока. Когда магнитное поле, создаваемое переменным током, очень большое, оно может приводить к насыщению намагниченности в сердечнике, что ограничивает выходную мощность (снижает эффективность) и создает дополнительные потери в сердечнике. Это один из факторов, определяющих номинальные значения первичного напряжения на двух сторонах трансформатора.
Теперь, когда мы знаем, что изолирует источник питания от платы, становится очевидно, что при исключении трансформатора из проектной цепочки он становится неизолированным источником питания. Проектирование плат без изоляции источников питания — распространенная практика. Однако, если присутствует высокая мощность или используется быстродействующий выключатель питания, следует учитывать при проектировании потребности конечного пользователя. Экономия может обернуться парочкой судебных исков, если клиент получит электротравму, про которую он нескоро забудет.
Наряду с этим, неизолированные источники питания обладают многочисленными преимуществами. Во-первых, остается больше места на плате, чем при использовании изолированного источника питания, поскольку не требуется помещать трансформатор в корпус. Для низких напряжений/токов существуют компактные типовые трансформаторы, но чем выше характеристики, тем больше места экономится на плате. Также неизолированный источник питания дает возможность повысить эффективность.
Следует отметить, что неизолированный регулятор мощности часто размещают после изолированного источника питания или изолированного переключающего регулятора. В этой стратегии изолированный источник питания размещен на источнике переменного или постоянного тока высокой мощности, который затем опускает напряжение до уровня, достаточно безопасного для стандартной ИС регулятора постоянного тока или цепи регулятора напряжения. Эта конструкция немного сложнее. Ее преимущество заключается в обеспечении надлежащей защиты, отвечающей требованиям безопасности. В качестве примера можно привести автономный (изолированный) источник питания для медицинского оборудования, обслуживающий несколько (неизолированных) устройств, подключенных после него.
Какой из них подходит именно вам?
Обобщая вышесказанное, контуры регулирования мощности на плате — это, как правило, неизолированные источники питания. Они состоят из компактных цепей регуляторов или чипов, которым не требуется изоляция, поскольку они не генерируют сильный ток и не работают при очень высоких напряжениях. Даже если они работают с высоким током, пользователь может вообще не взаимодействовать с системой таким образом, чтобы подвергаться риску электротравмы. Подводя итог, неизолированные источники питания подходят для большинства плат компактного размера. Как правило, эту роль будет играть понижающий преобразователь, за которым следует регулятор напряжения, понижающий мощность до требуемого уровня.
Когда необходимо преобразование переменного тока высокой мощности в постоянный ток или преобразование постоянного тока высокой мощности в постоянный ток, как правило, применяется изолированный источник питания, и во многих ситуациях источник питания размещается на выделенной плате. Дальнейшее зависит от конкретных характеристик источника питания (переменный или постоянный ток, сеть или аккумулятор и т. п.), корпуса, схемы заземления в любых последующих контурах и системах, подключенных к источнику питания.
Как сказано выше, изолированные источники питания часто требуются в регулируемых отраслях и должны соответствовать определенным стандартам. Примеры:
- Стандарт безопасности IEC 60601-1 для медицинских устройств
- Стандарт IEC 62368-1 для ИТ- и аудио-/видеооборудования (заменяет IEC 60950-1 и IEC 60065)
- Стандарт IEC 61204-7:2016 для импульсных источников питания общего назначения.
Некоторые нормативы не предписывают соблюдение конкретных отраслевых стандартов (например, нормативы FDA в США для сердечно-сосудистых устройств в 21CFR870.3605), однако предписывают обязательные испытания безопасности и ЭМС, чтобы гарантировать, что устройства будут полностью совместимы с другой электроникой и основными стандартами безопасности в предполагаемых условиях их применения.
Какой бы источник питания вы ни выбрали для проектируемой системы —изолированный или неизолированный — в Altium Designer ® есть необходимые инструменты проектирования схем и компоновки печатных плат. Altium 365 ™ обеспечивает для электронной промышленности беспрецедентную интеграцию, которая раньше была доступна лишь в сфере разработки программного обеспечения, позволяя разработчикам работать из дома и достигать исключительно высокой эффективности.
Мы лишь поверхностно рассмотрели некоторые возможности Altium Designer на Altium 365. Начните использование бесплатной пробной версии Altium Designer + Altium 365 сегодня .