Dlaczego warto uczyć się projektowania obwodów mocy
Obwód zasilania jest ważną częścią produktu elektronicznego. Jego konstrukcja ma bezpośredni wpływ na wydajność produktu.
Klasyfikacja obwodów zasilania
Obwody zasilające naszych produktów elektronicznych obejmują głównie zasilacze liniowe i impulsowe o wysokiej częstotliwości. Teoretycznie, zasilacz liniowy to prąd, jakiego potrzebuje użytkownik, a wejście dostarczy odpowiednią ilość prądu. Zasilacz impulsowy to moc, jakiej potrzebuje użytkownik i moc dostarczana na wejściu.
Schemat ideowy liniowego układu zasilania
Urządzenia o liniowym napięciu, takie jak powszechnie stosowane układy stabilizujące napięcie LM7805, LM317, SPX1117 itd., działają w trybie liniowym. Rysunek 1 poniżej przedstawia schemat układu zasilacza regulowanego LM7805.
Rysunek 1 Schematyczny diagram liniowego zasilacza
Z rysunku wynika, że liniowy zasilacz składa się z elementów funkcjonalnych, takich jak prostowanie, filtrowanie, regulacja napięcia i magazynowanie energii. Jednocześnie, typowy liniowy zasilacz jest szeregowym zasilaczem regulacji napięcia, gdzie prąd wyjściowy jest równy prądowi wejściowemu, I1=I2+I3. I3 jest punktem odniesienia, a prąd jest bardzo mały, więc I1≈I3. Dlaczego chcemy mówić o prądzie? Ponieważ w projekcie PCB szerokość każdej linii nie jest losowa i musi być dostosowana do wielkości prądu między węzłami na schemacie. Wielkość prądu i jego przepływ powinny być wyraźne, aby płytka była idealna.
Schemat PCB zasilacza liniowego
Projektując płytkę PCB, należy zadbać o zwarty układ komponentów, jak najkrótsze połączenia oraz rozmieszczenie elementów i linii zgodnie z ich funkcjonalnymi relacjami. Schemat zasilania to najpierw prostowanie, a następnie filtrowanie. Filtrowanie to regulacja napięcia, a regulacja napięcia to kondensator magazynujący energię. Po przepłynięciu przez kondensator do kolejnego obwodu prąd elektryczny.
Rysunek 2 przedstawia schemat PCB z powyższego schematu, a oba schematy są podobne. Lewy i prawy rysunek różnią się nieznacznie. Zasilanie na lewym rysunku jest podłączone bezpośrednio do wejścia układu scalonego regulatora napięcia po wyprostowaniu, a następnie do kondensatora regulatora napięcia, gdzie efekt filtrowania kondensatora jest znacznie gorszy, a wyjście również jest problematyczne. Rysunek po prawej stronie jest dobry. Musimy uwzględnić nie tylko problem przepływu dodatniego napięcia zasilania, ale także problem przepływu wstecznego. Zasadniczo dodatnia linia zasilania i linia przepływu wstecznego masy powinny znajdować się jak najbliżej siebie.
Rysunek 2 Schemat PCB zasilacza liniowego
Projektując płytkę PCB zasilacza liniowego, należy również zwrócić uwagę na problem odprowadzania ciepła przez układ regulatora mocy zasilacza liniowego, a także na sposób jego odprowadzania. Jeśli napięcie na wejściu układu regulatora wynosi 10 V, napięcie na wyjściu 5 V, a prąd wyjściowy 500 mA, to spadek napięcia na układzie regulatora wynosi 5 V, a generowane ciepło wynosi 2,5 W. Jeśli napięcie wejściowe wynosi 15 V, spadek napięcia wynosi 10 V, a generowane ciepło 5 W, należy zapewnić wystarczającą przestrzeń do odprowadzania ciepła lub zastosować odpowiedni radiator, w zależności od mocy odprowadzanego ciepła. Zasilacze liniowe są zazwyczaj stosowane w sytuacjach, gdy różnica ciśnień i natężenie prądu są stosunkowo niewielkie. W przeciwnym razie należy zastosować zasilacz impulsowy.
Przykład schematu obwodu zasilacza impulsowego o wysokiej częstotliwości
Zasilacz impulsowy wykorzystuje obwód do sterowania lampą przełączającą w celu szybkiego włączania/wyłączania i odcinania, generowania sygnału PWM za pomocą cewki indukcyjnej i diody prądu ciągłego, wykorzystując konwersję elektromagnetyczną do regulacji napięcia. Zasilacz impulsowy charakteryzuje się wysoką sprawnością i niskim wydzielaniem ciepła, dlatego zazwyczaj stosujemy układy LM2575, MC34063, SP6659 i inne. Teoretycznie, napięcie w zasilaczu impulsowym jest równe na obu końcach obwodu, a prąd odwrotnie proporcjonalny.
Rysunek 3 Schemat układu zasilacza impulsowego LM2575
Schemat PCB zasilacza impulsowego
Projektując płytkę drukowaną zasilacza impulsowego, należy zwrócić uwagę na: punkt wejściowy linii sprzężenia zwrotnego oraz diodę prądu ciągłego, dla których podawany jest prąd ciągły. Jak widać na rysunku 3, po włączeniu U1 prąd I2 wpływa do cewki indukcyjnej L1. Cechą cewki indukcyjnej jest to, że przepływający przez nią prąd nie może być generowany nagle ani nagle zanikać. Zmiana prądu w cewce indukcyjnej zachodzi w czasie. Pod wpływem impulsowego prądu I2 płynącego przez cewkę, część energii elektrycznej jest przekształcana w energię magnetyczną, a prąd stopniowo wzrasta. Po pewnym czasie układ sterujący U1 wyłącza I2. Ze względu na charakterystykę indukcyjności prąd nie może nagle zanikać. W tym momencie dioda działa, przejmując prąd I2, dlatego nazywa się ją diodą prądu ciągłego. Widać, że dioda prądu ciągłego służy do zapewnienia indukcyjności. Prąd ciągły I3 wypływa z ujemnego bieguna kondensatora C3 i przepływa do dodatniego bieguna kondensatora C3 przez diody D1 i L1, co działa jak pompa wykorzystująca energię cewki do zwiększenia napięcia kondensatora C3. Występuje również problem z punktem wejściowym linii sprzężenia zwrotnego detekcji napięcia, który powinien być przekazywany z powrotem do tego miejsca po filtrowaniu, w przeciwnym razie tętnienia napięcia wyjściowego będą większe. Te dwa punkty są często ignorowane przez wielu naszych projektantów PCB, którzy uważają, że ta sama sieć nie jest tam taka sama. W rzeczywistości miejsce nie jest takie samo, a wpływ na wydajność jest ogromny. Rysunek 4 przedstawia schemat PCB zasilacza impulsowego LM2575. Zobaczmy, co jest nie tak z tym schematem.
Rysunek 4. Schemat PCB zasilacza impulsowego LM2575
Dlaczego chcemy szczegółowo omówić zasadę działania schematu? Ponieważ zawiera on wiele informacji o PCB, takich jak punkt dostępu pinu komponentu, aktualny rozmiar sieci węzłów itp. – patrz schemat. Projekt PCB nie stanowi problemu. Układy LM7805 i LM2575 reprezentują typowy układ zasilacza liniowego i impulsowego. Podczas tworzenia PCB, układ i okablowanie tych dwóch schematów PCB są bezpośrednio połączone, ale produkty i płytki drukowane różnią się, co jest dostosowywane do rzeczywistej sytuacji.
Wszystkie zmiany są nierozłączne, tak więc zasada działania obwodu zasilania i sposób działania płytki są takie, a każdy produkt elektroniczny jest nierozłączny z zasilaniem i jego obwodem, dlatego też, poznając dwa obwody, zrozumiesz również drugi.
Czas publikacji: 04.07.2023
