Waarom je het ontwerp van stroomcircuits moet leren
Het voedingscircuit is een belangrijk onderdeel van een elektronisch product. Het ontwerp van het voedingscircuit is direct gerelateerd aan de prestaties van het product.
Classificatie van voedingscircuits
De vermogenscircuits van onze elektronische producten omvatten voornamelijk lineaire voedingen en hoogfrequente schakelende voedingen. In theorie bepaalt de lineaire voeding hoeveel stroom de gebruiker nodig heeft en hoeveel stroom de ingang levert; de schakelende voeding bepaalt hoeveel vermogen de gebruiker nodig heeft en hoeveel vermogen er aan de ingang wordt geleverd.
Schematisch diagram van een lineair voedingscircuit
Lineaire voedingen werken in een lineaire toestand, zoals onze veelgebruikte spanningsregelaarchips LM7805, LM317, SPX1117, enzovoort. Figuur 1 hieronder toont het schema van het gereguleerde voedingscircuit van de LM7805.
Figuur 1 Schematisch diagram van lineaire voeding
Uit de afbeelding blijkt dat de lineaire voeding bestaat uit functionele componenten zoals gelijkrichting, filtering, spanningsregeling en energieopslag. Tegelijkertijd is de algemene lineaire voeding een serievoeding met spanningsregeling; de uitgangsstroom is gelijk aan de ingangsstroom, I1 = I2 + I3. I3 is de referentie-uiteinde; de stroom is zeer klein, dus I1 ≈ I3. Waarom we het over de stroom willen hebben? Omdat de breedte van elke lijn niet willekeurig is ingesteld in het PCB-ontwerp, moet deze worden bepaald op basis van de stroomsterkte tussen de knooppunten in het schema. De stroomsterkte en de stroomsterkte moeten duidelijk zijn om de printplaat precies goed te maken.
PCB-schema voor lineaire voeding
Bij het ontwerpen van de printplaat moet de lay-out van de componenten compact zijn, moeten alle aansluitingen zo kort mogelijk zijn en moeten de componenten en leidingen worden aangelegd volgens de functionele relatie van de componenten in het schema. Dit voedingsschema is de eerste gelijkrichting, en vervolgens filtering. Filtering is de spanningsregeling, de spanningsregeling is de energieopslagcondensator, waarna de stroom via de condensator naar het volgende circuit stroomt.
Figuur 2 toont het PCB-diagram van het bovenstaande schema. De twee diagrammen lijken op elkaar. De linker- en rechterafbeelding verschillen enigszins. De voeding op de linkerafbeelding is direct aangesloten op de ingangsvoet van de spanningsregelaarchip na gelijkrichting, en vervolgens op de spanningsregelaarcondensator. Het filtereffect van de condensator is hier veel slechter en de uitgang is ook problematisch. De rechterafbeelding is een goede. We moeten niet alleen rekening houden met het probleem van de stroomtoevoer via de positieve voedingslijn, maar ook met het probleem van de terugstroom. Over het algemeen moeten de positieve voedingslijn en de aardingsterugstroomlijn zo dicht mogelijk bij elkaar liggen.
Figuur 2 PCB-diagram van lineaire voeding
Bij het ontwerpen van de PCB van een lineaire voeding moeten we ook letten op het warmteafvoerprobleem van de vermogensregelaarchip van de lineaire voeding. Hoe ontstaat warmte? Als de spanningsregelaarchip aan de voorkant 10 V is, de uitgangsspanning 5 V en de uitgangsstroom 500 mA, dan is er een spanningsval van 5 V op de regelaarchip en bedraagt de gegenereerde warmte 2,5 W. Als de ingangsspanning 15 V is, is de spanningsval 10 V en de gegenereerde warmte 5 W. Daarom moeten we voldoende warmteafvoerruimte of een geschikte koelplaat reserveren, afhankelijk van het warmteafvoervermogen. Een lineaire voeding wordt over het algemeen gebruikt in situaties waarin het drukverschil relatief klein is en de stroom relatief laag is. Gebruik anders een schakelende voeding.
Voorbeeld van een schema van een hoogfrequent schakelende voeding
Een schakelende voeding gebruikt een circuit om de schakelbuis te regelen voor snelle aan-/uitschakeling en uitschakeling, om een PWM-golfvorm te genereren via de inductor en de continue stroomdiode, en om de spanning te regelen met behulp van elektromagnetische conversie. Schakelende voedingen, met een hoge efficiëntie en lage warmteontwikkeling, gebruiken over het algemeen de volgende circuits: LM2575, MC34063, SP6659, enzovoort. In theorie is de schakelende voeding aan beide uiteinden van het circuit gelijk, is de spanning omgekeerd evenredig en is de stroom omgekeerd evenredig.
Figuur 3 Schematisch diagram van het LM2575-schakelvoedingscircuit
PCB-diagram van een schakelende voeding
Bij het ontwerpen van de printplaat van de schakelende voeding moet u letten op: het ingangspunt van de terugkoppellijn en de continue stroomdiode zijn waarvoor de continue stroom wordt gegeven. Zoals te zien is in Figuur 3, gaat de stroom I2 de inductor L1 in wanneer U1 is ingeschakeld. De eigenschap van de inductor is dat wanneer de stroom door de inductor vloeit, deze niet plotseling kan worden opgewekt, noch plotseling kan verdwijnen. De stroomverandering in de inductor verloopt in de tijd. Onder invloed van de gepulseerde stroom I2 die door de inductantie stroomt, wordt een deel van de elektrische energie omgezet in magnetische energie en neemt de stroom geleidelijk toe. Op een bepaald moment schakelt het regelcircuit U1 I2 uit. Vanwege de eigenschappen van de inductantie kan de stroom niet plotseling verdwijnen. Op dit moment werkt de diode en neemt hij de stroom I2 over. Daarom wordt hij de continue stroomdiode genoemd. De continue stroomdiode wordt gebruikt voor de inductantie. De continue stroom I3 begint aan de negatieve kant van C3 en stroomt via D1 en L1 naar de positieve kant van C3. Dit komt overeen met een pomp die de energie van de spoel gebruikt om de spanning van condensator C3 te verhogen. Er is ook een probleem met het ingangspunt van de feedbacklijn van de spanningsdetectie, dat na filtering teruggekoppeld moet worden naar de plaats, anders zal de rimpel in de uitgangsspanning groter zijn. Deze twee punten worden vaak genegeerd door veel van onze PCB-ontwerpers, omdat ze denken dat hetzelfde netwerk daar niet hetzelfde is. Sterker nog, de plaats is niet hetzelfde, en de impact op de prestaties is groot. Figuur 4 toont het PCB-schema van de LM2575-schakelende voeding. Laten we eens kijken wat er mis is met het verkeerde schema.
Figuur 4 PCB-diagram van LM2575-schakelende voeding
Waarom willen we het principe van het schema in detail bespreken? Het schema bevat veel PCB-informatie, zoals het toegangspunt van de componentpin, de huidige grootte van het knooppuntnetwerk, enz. Zie het schema. PCB-ontwerp is geen probleem. De LM7805- en LM2575-circuits vertegenwoordigen respectievelijk de typische lay-out van een lineaire voeding en een schakelende voeding. Bij het maken van PCB's bevinden de lay-out en bedrading van deze twee PCB-schema's zich direct op de productielijn, maar de producten verschillen en de printplaat is anders, die wordt aangepast aan de werkelijke situatie.
Alle veranderingen zijn onlosmakelijk met elkaar verbonden, zo is ook het principe van het stroomcircuit en de manier waarop het bord werkt, en elk elektronisch product is onlosmakelijk verbonden met de voeding en het bijbehorende circuit. Leer daarom de twee circuits kennen, dan begrijpt u ook het andere.
Plaatsingstijd: 4 juli 2023
