Perché imparare la progettazione di circuiti di potenza
Il circuito di alimentazione è una parte importante di un prodotto elettronico; la progettazione del circuito di alimentazione è direttamente correlata alle prestazioni del prodotto.
Classificazione dei circuiti di alimentazione
I circuiti di alimentazione dei nostri prodotti elettronici includono principalmente alimentatori lineari e alimentatori switching ad alta frequenza. In teoria, l'alimentatore lineare fornisce la corrente necessaria all'utente e l'ingresso fornisce la corrente; l'alimentatore switching fornisce la potenza necessaria all'utente e la potenza fornita all'ingresso.
Schema del circuito di alimentazione lineare
I dispositivi di potenza lineari funzionano in uno stato lineare, come i nostri chip regolatori di tensione comunemente utilizzati LM7805, LM317, SPX1117 e così via. La Figura 1 sottostante mostra lo schema elettrico del circuito di alimentazione regolato LM7805.
Figura 1 Diagramma schematico dell'alimentatore lineare
Dalla figura si può vedere che l'alimentatore lineare è composto da componenti funzionali come raddrizzamento, filtraggio, regolazione della tensione e accumulo di energia. Allo stesso tempo, l'alimentatore lineare generale è un alimentatore con regolazione della tensione in serie, la corrente di uscita è uguale alla corrente di ingresso, I1 = I2 + I3, I3 è l'estremità di riferimento, la corrente è molto piccola, quindi I1 ≈ I3. Perché vogliamo parlare di corrente? Perché nella progettazione del PCB, la larghezza di ogni linea non è impostata casualmente, deve essere determinata in base all'entità della corrente tra i nodi nello schema. L'entità della corrente e il flusso di corrente devono essere chiari per realizzare la scheda perfetta.
Schema PCB dell'alimentatore lineare
Durante la progettazione del PCB, il layout dei componenti deve essere compatto, tutte le connessioni devono essere il più corte possibile e i componenti e le linee devono essere disposti in base alla relazione funzionale dei componenti dello schema. Questo schema di alimentazione rappresenta la prima fase di rettifica, seguita dal filtraggio; il filtraggio è la regolazione della tensione, la regolazione della tensione è il condensatore di accumulo dell'energia, che passa attraverso il condensatore al circuito successivo.
La Figura 2 è lo schema PCB dello schema elettrico sopra riportato, e i due schemi sono simili. L'immagine a sinistra e quella a destra sono leggermente diverse: l'alimentatore nell'immagine a sinistra è collegato direttamente al piedino di ingresso del chip del regolatore di tensione dopo la rettificazione, e quindi al condensatore del regolatore di tensione, dove l'effetto di filtraggio del condensatore è molto peggiore e anche l'uscita è problematica. L'immagine a destra è buona. Non dobbiamo considerare solo il problema del flusso dell'alimentazione positiva, ma anche il problema del riflusso; in generale, la linea di alimentazione positiva e la linea di riflusso di terra dovrebbero essere il più vicine possibile.
Figura 2 Schema PCB dell'alimentatore lineare
Quando si progetta il PCB di un alimentatore lineare, è necessario prestare attenzione anche al problema della dissipazione del calore del chip regolatore di potenza dell'alimentatore lineare. Come si genera il calore? Se il front-end del chip regolatore di tensione è di 10 V, l'uscita è di 5 V e la corrente di uscita è di 500 mA, si verifica una caduta di tensione di 5 V sul chip regolatore e il calore generato è di 2,5 W. Se la tensione di ingresso è di 15 V, la caduta di tensione è di 10 V e il calore generato è di 5 W, è necessario prevedere uno spazio sufficiente per la dissipazione del calore o un dissipatore di calore adeguato in base alla potenza di dissipazione del calore. L'alimentatore lineare viene generalmente utilizzato in situazioni in cui la differenza di pressione è relativamente piccola e la corrente è relativamente bassa, in caso contrario, si consiglia di utilizzare un circuito di alimentazione switching.
Esempio schematico del circuito di alimentazione a commutazione ad alta frequenza
L'alimentatore switching utilizza il circuito per controllare il tubo di commutazione per accensione, spegnimento e spegnimento ad alta velocità, generando una forma d'onda PWM, attraverso l'induttore e il diodo a corrente continua, utilizzando la conversione elettromagnetica per regolare la tensione. Alimentatori switching ad alta efficienza e bassa generazione di calore, generalmente utilizziamo circuiti come: LM2575, MC34063, SP6659 e così via. In teoria, l'alimentatore switching è uguale a entrambe le estremità del circuito, la tensione è inversamente proporzionale e la corrente è inversamente proporzionale.
Figura 3 Diagramma schematico del circuito di alimentazione switching LM2575
Schema PCB dell'alimentatore switching
Quando si progetta il PCB dell'alimentatore switching, è necessario prestare attenzione a: il punto di ingresso della linea di retroazione e il diodo a corrente continua sono a cui viene fornita la corrente continua. Come si può vedere dalla Figura 3, quando U1 è acceso, la corrente I2 entra nell'induttore L1. La caratteristica dell'induttore è che quando la corrente scorre attraverso l'induttore, non può essere generata improvvisamente, né può scomparire improvvisamente. La variazione di corrente nell'induttore segue un processo temporale. Sotto l'azione della corrente pulsata I2 che scorre attraverso l'induttanza, parte dell'energia elettrica viene convertita in energia magnetica e la corrente aumenta gradualmente. A un certo punto, il circuito di controllo U1 disattiva I2. A causa delle caratteristiche dell'induttanza, la corrente non può scomparire improvvisamente. In questo momento il diodo funziona, prendendo il controllo della corrente I2, quindi è chiamato diodo a corrente continua. Si può vedere che il diodo a corrente continua viene utilizzato per l'induttanza. La corrente continua I3 parte dal polo negativo di C3 e fluisce nel polo positivo di C3 attraverso D1 e L1, il che equivale a una pompa, utilizzando l'energia dell'induttore per aumentare la tensione del condensatore C3. C'è anche il problema del punto di ingresso della linea di retroazione del rilevamento della tensione, che dovrebbe essere reimmessa nel punto dopo il filtraggio, altrimenti l'ondulazione della tensione di uscita sarà maggiore. Questi due punti vengono spesso ignorati da molti dei nostri progettisti di PCB, pensando che la stessa rete non sia la stessa lì, in realtà, il punto non è lo stesso e l'impatto sulle prestazioni è notevole. La Figura 4 è lo schema PCB dell'alimentatore switching LM2575. Vediamo cosa c'è di sbagliato nello schema sbagliato.
Figura 4 Schema PCB dell'alimentatore switching LM2575
Perché vogliamo parlare in dettaglio del principio dello schema? Perché lo schema contiene molte informazioni sul PCB, come il punto di accesso del pin del componente, la dimensione attuale della rete di nodi, ecc.? Guardando lo schema, la progettazione del PCB non è un problema. I circuiti LM7805 e LM2575 rappresentano il tipico circuito di layout di un alimentatore lineare e di un alimentatore switching, rispettivamente. Quando si realizzano PCB, il layout e il cablaggio di questi due schemi PCB sono direttamente sulla linea, ma i prodotti sono diversi e il circuito stampato è diverso, il che viene adattato in base alla situazione reale.
Tutte le modifiche sono inseparabili, quindi il principio del circuito di alimentazione e il modo in cui la scheda è così, e ogni prodotto elettronico è inseparabile dall'alimentatore e dal suo circuito, quindi, imparando i due circuiti, anche l'altro è compreso.
Data di pubblicazione: 08-07-2023
