Õpi neid kahte vooluringi, trükkplaatide disain pole keeruline!

Miks õppida vooluahelate disaini

Toiteallikas on elektroonikatoote oluline osa ja toiteahela disain on otseselt seotud toote jõudlusega.

Toiteallikate vooluahelate klassifikatsioon

Meie elektroonikatoodete toiteahelad hõlmavad peamiselt lineaarseid toiteplokke ja kõrgsageduslikke lülitustoiteplokke. Teoreetiliselt näitab lineaarne toiteplokk, kui palju voolu kasutaja vajab ja kui palju voolu sisend annab; lülitustoiteplokk näitab, kui palju võimsust kasutaja vajab ja kui palju võimsust sisendotsas antakse.

Lineaarse toiteallika ahela skemaatiline diagramm

Lineaarsed toiteseadmed töötavad lineaarses olekus, näiteks meie tavaliselt kasutatavad pingeregulaatori kiibid LM7805, LM317, SPX1117 jne. Allolev joonis 1 on LM7805 reguleeritava toiteallika ahela skemaatiline diagramm.

Joonis 1 Lineaarse toiteallika skemaatiline diagramm

Jooniselt on näha, et lineaarne toiteallikas koosneb funktsionaalsetest komponentidest nagu alaldi, filtreerimine, pinge reguleerimine ja energia salvestamine. Samal ajal on lineaarne toiteallikas üldiselt järjestikku pinge reguleerimisega toiteallikas, mille väljundvool on võrdne sisendvooluga, I1 = I2 + I3, I3 on ​​võrdlusvool, vool on väga väike, seega I1≈I3. Miks me tahame voolust rääkida? PCB konstruktsioonis ei ole iga joone laius juhuslikult määratud, vaid see tuleb määrata vastavalt skeemi sõlmede vahelise voolu suurusele. Voolu suurus ja vool peaksid olema selged, et plaat oleks just õige. 

Lineaarse toiteallika trükkplaadi diagramm

PCB projekteerimisel peaks komponentide paigutus olema kompaktne, kõik ühendused peaksid olema võimalikult lühikesed ning komponendid ja juhtmed tuleks paigutada vastavalt skeemi komponentide funktsionaalsele seosele. See toiteallika skeem on esimene alaldi ja seejärel filtreerimine, filtreerimine on pinge reguleerimine, pinge reguleerimine on energia salvestamise kondensaator, pärast kondensaatori läbimist järgmisesse vooluahelasse.

Joonis 2 on ülaltoodud skemaatilise diagrammi trükkplaadi diagramm ja need kaks diagrammi on sarnased. Vasakpoolne ja parempoolne pilt on veidi erinevad, vasakpoolsel pildil on toiteallikas pärast alaldamist otse pinge regulaatori kiibi sisendjalale ja seejärel pinge regulaatori kondensaatorile, kus kondensaatori filtreeriv efekt on palju halvem ja väljund on samuti problemaatiline. Parempoolne pilt on hea. Peame arvestama mitte ainult positiivse toiteallika voolu probleemiga, vaid ka tagasivoolu probleemiga, üldiselt peaksid positiivne toiteliin ja maanduslik tagasivooluliin olema üksteisele võimalikult lähedal.

Joonis 2 Lineaarse toiteallika trükkplaadi diagramm

Lineaarse toiteploki trükkplaadi projekteerimisel peaksime pöörama tähelepanu ka lineaarse toiteploki võimsusregulaatori kiibi soojuse hajumise probleemile ehk sellele, kuidas soojus tekib. Kui pingeregulaatori kiibi esiots on 10 V, väljundots on 5 V ja väljundvool on 500 mA, siis tekib regulaatori kiibil 5 V pingelang ja tekkiv soojus on 2,5 W. Kui sisendpinge on 15 V, on pingelang 10 V ja tekkiv soojus on 5 W, seega peame eraldama piisavalt soojuse hajumise ruumi või mõistliku jahutusradiaatori vastavalt soojuse hajumise võimsusele. Lineaarset toiteplokki kasutatakse tavaliselt olukordades, kus rõhuerinevus ja voolutugevus on suhteliselt väikesed, vastasel juhul kasutage lülitustoiteploki ahelat.

Kõrgsagedusliku lülitustoiteallika skeemi skemaatiline näide

Lülitustoiteallikas on vooluahela kasutamine lülituslambi kiireks sisse- ja väljalülitamiseks, PWM-lainekuju genereerimiseks induktiivpooli ja pidevvooludioodi kaudu, pinge reguleerimiseks elektromagnetilise muundamise abil. Lülitustoiteallikas on kõrge efektiivsuse ja madala soojuskadu tõttu üldiselt kasutatav vooluring: LM2575, MC34063, SP6659 jne. Teoreetiliselt on lülitustoiteallikas vooluahela mõlemas otsas võrdne, pinge on pöördvõrdeline ja vool on pöördvõrdeline.

Joonis 3. LM2575 lülitustoiteallika skeemi skemaatiline diagramm

Lülitusvooluallika trükkplaadi diagramm

Lülitusvooluallika trükkplaadi projekteerimisel tuleb pöörata tähelepanu tagasisideliini sisendpunktile ja pidevvooludioodile, mille jaoks pidevvool on antud. Nagu jooniselt 3 näha, siseneb U1 sisselülitamisel vool I2 induktiivpooli L1. Induktiivi omadus on see, et kui vool läbib induktiivpooli, ei saa see tekkida ega kaduda ootamatult. Voolu muutus induktiivpoolis toimub aja jooksul. Induktiivsust läbiva impulssvoolu I2 mõjul muundatakse osa elektrienergiast magnetiliseks energiaks ja vool järk-järgult suureneb. Teatud ajahetkel lülitab juhtimisahel U1 I2 välja. Induktiivsuse omaduste tõttu ei saa vool ootamatult kaduda. Sel ajal diood töötab ja võtab üle voolu I2, seega nimetatakse seda pidevvooludioodiks. On näha, et pidevvooludioodi kasutatakse induktiivsuse jaoks. Pidevvool I3 algab C3 negatiivsest otsast ja voolab läbi D1 ja L1 C3 positiivsesse otsa, mis toimib pumbana, kasutades induktiivpooli energiat kondensaatori C3 pinge suurendamiseks. Probleem on ka pinge tuvastamise tagasisideliini sisendpunktiga, mis tuleks pärast filtreerimist tagasi sinna tagasi suunata, vastasel juhul on väljundpinge pulsatsioon suurem. Paljud meie trükkplaatide disainerid ignoreerivad neid kahte punkti sageli, arvates, et sama võrk ei ole seal sama, tegelikult ei ole koht sama ja jõudluse mõju on suur. Joonis 4 on LM2575 lülitustoiteallika trükkplaadi diagramm. Vaatame, mis on vale diagrammiga valesti.

Joonis 4 LM2575 lülitustoiteallika trükkplaadi diagramm

Miks me tahame skeemipõhimõttest üksikasjalikult rääkida, sest skeem sisaldab palju trükkplaadi kohta käivat teavet, näiteks komponendi tihvti pääsupunkti, sõlmevõrgu voolu suurust jne. Vaadake skeemi ja trükkplaadi disain ei ole probleem. LM7805 ja LM2575 vooluringid esindavad vastavalt lineaarse toiteallika ja lülitustoiteallika tüüpilist paigutusskeemi. Trükkplaatide valmistamisel on nende kahe trükkplaadi skeemi paigutus ja juhtmestik otse joonel, kuid tooted on erinevad ja trükkplaat on erinev, mida kohandatakse vastavalt tegelikule olukorrale.

Kõik muudatused on lahutamatud, seega on toiteahela põhimõte ja plaadi toimimisviis nii ning iga elektroonikatoode on toiteallikast ja selle vooluringist lahutamatu, seega õppige kahte vooluringi, teine ​​on ka arusaadav.