Зачем изучать проектирование силовых цепей
Схема источника питания является важной частью электронного изделия, конструкция схемы источника питания напрямую связана с производительностью изделия.
Классификация цепей электропитания
Силовые цепи наших электронных продуктов в основном включают линейные источники питания и высокочастотные импульсные источники питания. Теоретически, линейный источник питания определяет, какой ток необходим пользователю и какой ток обеспечивает вход; импульсный источник питания определяет, какой ток необходим пользователю и какой ток обеспечивается на входе.
Принципиальная схема линейного источника питания
Линейные силовые устройства работают в линейном режиме, например, наши распространённые микросхемы регуляторов напряжения LM7805, LM317, SPX1117 и т. д. На рисунке 1 представлена принципиальная схема регулируемого источника питания LM7805.
Рисунок 1. Принципиальная схема линейного источника питания
Из рисунка видно, что линейный источник питания состоит из таких функциональных компонентов, как выпрямитель, фильтр, стабилизатор напряжения и накопитель энергии. В то же время, обычный линейный источник питания представляет собой источник питания с последовательным регулированием напряжения, выходной ток которого равен входному, I1 = I2 + I3, где I3 – опорный ток, ток очень мал, поэтому I1 ≈ I3. Почему мы говорим о токе? В конструкции печатной платы ширина каждой линии не задается случайным образом, а определяется величиной тока между узлами схемы. Величина тока и направление тока должны быть чёткими, чтобы сделать плату правильной.
Схема печатной платы линейного блока питания
При проектировании печатной платы компоновка компонентов должна быть компактной, все соединения должны быть максимально короткими, а компоненты и линии должны быть расположены в соответствии с функциональной взаимосвязью компонентов схемы. В данной схеме электропитания сначала выполняется выпрямление, затем фильтрация, фильтрация – стабилизация напряжения, стабилизация напряжения – накопительный конденсатор, после чего ток протекает через конденсатор в следующую цепь.
На рисунке 2 представлена схема печатной платы, соответствующая вышеприведённой схеме. Обе схемы похожи. Левое и правое изображения немного отличаются: на левом изображении источник питания подключен непосредственно к входному выводу микросхемы регулятора напряжения после выпрямления, а затем к конденсатору регулятора напряжения, где фильтрующий эффект конденсатора значительно хуже, и выход также имеет проблемы. Изображение справа хорошее. Необходимо учитывать не только проблему положительного тока питания, но и проблему обратного тока. В общем случае, положительный провод питания и линия обратного тока заземления должны располагаться как можно ближе друг к другу.
Рисунок 2. Схема печатной платы линейного источника питания
При проектировании печатной платы линейного источника питания следует также обратить внимание на проблему рассеивания тепла микросхемы регулятора мощности линейного источника питания. Как возникает тепло? Если входное напряжение микросхемы регулятора напряжения составляет 10 В, выходное напряжение — 5 В, а выходной ток — 500 мА, то на микросхеме регулятора напряжения возникает падение напряжения 5 В, а выделяемое тепло составляет 2,5 Вт. Если входное напряжение составляет 15 В, падение напряжения составляет 10 В, а выделяемое тепло составляет 5 Вт. Следовательно, необходимо предусмотреть достаточное пространство для рассеивания тепла или выбрать подходящий радиатор в соответствии с мощностью рассеивания тепла. Линейный источник питания обычно используется в ситуациях, когда разность давлений относительно невелика, а ток относительно мал. В противном случае используйте схему импульсного источника питания.
Пример принципиальной схемы высокочастотного импульсного источника питания
Импульсный источник питания предназначен для управления коммутационной трубкой, обеспечивая высокоскоростное включение/выключение и отключение, а также генерирования ШИМ-сигнала через катушку индуктивности и диод постоянного тока, используя электромагнитное преобразование для регулирования напряжения. Импульсный источник питания отличается высокой эффективностью и низким тепловыделением. Обычно мы используем схемы на следующих микросхемах: LM2575, MC34063, SP6659 и т.д. Теоретически импульсный источник питания имеет одинаковое напряжение на обоих концах цепи, а ток и напряжение обратно пропорциональны.
Рисунок 3. Принципиальная схема импульсного источника питания LM2575
Схема печатной платы импульсного источника питания
При проектировании печатной платы импульсного источника питания необходимо обратить внимание на: точку входа линии обратной связи и диод постоянного тока, для которых задан постоянный ток. Как видно из рисунка 3, при включении U1 ток I2 поступает в дроссель L1. Характерная черта дросселя заключается в том, что при протекании тока через дроссель он не может ни возникать внезапно, ни исчезать внезапно. Изменение тока в дросселе имеет временной процесс. Под действием импульсного тока I2, протекающего через индуктивность, часть электрической энергии преобразуется в магнитную энергию, и ток постепенно увеличивается, в определенный момент времени схема управления U1 отключает I2, из-за характеристик индуктивности ток не может внезапно исчезнуть, в это время диод работает, он принимает на себя ток I2, поэтому он называется диодом постоянного тока, можно увидеть, что диод постоянного тока используется для индуктивности. Непрерывный ток I3 начинается с отрицательного вывода C3 и течет в положительный вывод C3 через D1 и L1, что эквивалентно насосу, использующему энергию индуктора для увеличения напряжения конденсатора C3. Существует также проблема точки входа обратной связи линии обнаружения напряжения, которая должна быть возвращена на место после фильтрации, в противном случае пульсации выходного напряжения будут больше. Эти два момента часто игнорируются многими нашими проектировщиками печатных плат, думая, что та же самая сеть там не та же самая, на самом деле место не то же самое, и влияние на производительность велико. На рисунке 4 представлена схема печатной платы импульсного источника питания LM2575. Давайте посмотрим, что не так с неправильной схемой.
Рисунок 4. Схема печатной платы импульсного источника питания LM2575
Почему мы хотим подробно рассказать о принципиальной схеме? Потому что она содержит много информации о печатной плате, такой как точка доступа к выводу компонента, текущий размер сети узлов и т. д. См. схему, проектирование печатной платы не представляет сложности. Схемы LM7805 и LM2575 представляют собой типичную схему топологии линейного и импульсного источников питания соответственно. При изготовлении печатных плат компоновка и монтаж проводов этих двух схем выполняются непосредственно на конвейере, но изделия отличаются, и печатная плата отличается, что корректируется в соответствии с реальной ситуацией.
Все изменения неотделимы, поэтому принцип работы силовой схемы и способ платы таковы, и каждое электронное изделие неотделимо от источника питания и его схемы, поэтому, изучая две схемы, вы также поймете другую.
Время публикации: 04 июля 2023 г.
