如何在隔离电源PCB布局中接地

大多数使用台式电源的设计人员可能会使用插入墙壁的隔离式稳压（开关）PSU。在特定的 DC 或 AC 电平下提供稳定电源所需的一切都内置在该单元中，并且噪声相对较低，作为设计师，除了将一些引线连接到电路板之外，您实际上不需要做任何事情。不幸的是，带有集成电源部分的真实系统，或者甚至只是您想要集成到更大系统中的电源调节器模块，都没有那么简单，需要一些定制设计来确保它们正确运行。

将电源集成到系统中的一个重要方面是正确设置和连接接地，即使对于隔离电源也是如此。如果您将隔离电源与主要电路的其余部分集成到电路板上，您仍然需要在系统中接地。这些规则甚至适用于隔离式 DC 充电器或 DC 电源适配器的 PCB，因为设计可能需要连接回大地，具体取决于应用和安全问题。由于接地连接不良会产生噪声问题，甚至是安全隐患，因此让我们看看在电路板上将交流电转换为直流电时在电源调节部分创建接地连接的最佳做法。

隔离电源中的接地结构

假设您正在设计一个系统，该系统需要执行电源转换（交流到直流）、调节和传输到设计中的电路。如果您考虑该系统的实际构造，有三种不同的可能用于地面的选择：

接地：这是一个真正的接地电气连接，作为 3 线交流线路上的安全线 （PE） 存在。

机箱接地：这适用于带有金属元件的外壳，其中外壳中的金属用于创建接地连接。

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

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

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。这适用于开关电源，尤其是更复杂的电源，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电压。当我写“一个组件测量的电压”时，它意味着在系统中的某个接地区域上定义的 5 V 信号在系统中的某个其他接地区域上测量时可能无法在 5V 下测量。

在此图中，如果两个接地区域之间存在电位差，则在右接地区域 （GND2） 上可能会错误地测量源自左侧接地区域 （GND1） 的信号。

隔离式开关电源中的这个问题称为“接地偏移”，会产生噪声问题。这非常重要，因为系统中的接地偏移可能只是您希望在变压器耦合电源中可靠提供的电压的一小部分。

用电容器接地可保持直流隔离

幸运的是，有一个简单的解决方案：用电容器将平面连接在一起。Y 级电容器是较高电压/电流设计的不错选择。您可以在原理图中轻松完成此操作：只需找到您的电容器所需的组件，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 转换中仍然有效，但更复杂的方法是在电源轨和系统的 AC 侧之间使用电容器。通过抽取和释放一些位移电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，这仅适用于板上的两个接地区域。我们还没有考虑底盘或地球。但是，您可以采取一些基本步骤来确保外壳、电路板和接地正确连接在一起。不幸的是，这并不是那么简单，需要考虑噪声和电流如何在系统中发挥作用，以及它们是否会造成安全隐患。以下是一些可供进一步阅读的资源，可帮助您确定在保持隔离的同时连接接地的最佳方式。

关于电子设计和 PCB布局中的接地

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如何穿过地平面间隙布线

如果您想为您的电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理运行一条线路。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？

答案是使用光耦合器。在间隙上放置走线是不合适的，因为走线会接收外部噪声，而开关电源会产生大量噪声。变压器耦合也无法使用，因为您正在调节 DC。在下面的示意图中，光耦合器跨越接地层之间的隔离，因此我们在此电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，而无需布线。

放置光耦合器后，您可以将输出路由到电源控制器。具有 PWM 输出的微控制器是定制电源控制器的不错选择，尽管有些公司生产具有反馈输入且可配置一些外部电阻器的 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，您可以使用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。