این دو مدار را یاد بگیرید، طراحی PCB کار سختی نیست!

چرا طراحی مدار قدرت را یاد بگیریم؟

مدار منبع تغذیه بخش مهمی از یک محصول الکترونیکی است، طراحی مدار منبع تغذیه ارتباط مستقیمی با عملکرد محصول دارد.

طبقه بندی مدارهای منبع تغذیه

مدارهای تغذیه محصولات الکترونیکی ما عمدتاً شامل منابع تغذیه خطی و منابع تغذیه سوئیچینگ فرکانس بالا هستند. در تئوری، منبع تغذیه خطی میزان جریان مورد نیاز کاربر و میزان جریانی است که ورودی تأمین می‌کند؛ منبع تغذیه سوئیچینگ میزان توان مورد نیاز کاربر و میزان توان ارائه شده در انتهای ورودی است.

نمودار شماتیک مدار منبع تغذیه خطی

دستگاه‌های قدرت خطی در حالت خطی کار می‌کنند، مانند تراشه‌های تنظیم‌کننده ولتاژ رایج ما LM7805، LM317، SPX1117 و غیره. شکل 1 در زیر نمودار شماتیک مدار منبع تغذیه تنظیم‌شده LM7805 را نشان می‌دهد.

شکل 1 نمودار شماتیک منبع تغذیه خطی

از شکل می‌توان دریافت که منبع تغذیه خطی از اجزای عملکردی مانند یکسوسازی، فیلتر کردن، تنظیم ولتاژ و ذخیره انرژی تشکیل شده است. در عین حال، منبع تغذیه خطی عمومی یک منبع تغذیه تنظیم ولتاژ سری است، جریان خروجی برابر با جریان ورودی است، I1=I2+I3، I3 انتهای مرجع است، جریان بسیار کوچک است، بنابراین I1≈I3. چرا می‌خواهیم در مورد جریان صحبت کنیم، زیرا در طراحی PCB، عرض هر خط به طور تصادفی تنظیم نمی‌شود، بلکه باید با توجه به اندازه جریان بین گره‌ها در شماتیک تعیین شود. اندازه جریان و جریان عبوری باید واضح باشد تا برد درست ساخته شود. 

نمودار PCB منبع تغذیه خطی

هنگام طراحی PCB، چیدمان اجزا باید جمع و جور باشد، تمام اتصالات باید تا حد امکان کوتاه باشند و اجزا و خطوط باید مطابق با رابطه عملکردی اجزای شماتیک چیده شوند. این نمودار منبع تغذیه اولین اصلاح و سپس فیلتر کردن است، فیلتر کردن تنظیم ولتاژ است، تنظیم ولتاژ خازن ذخیره انرژی است، پس از جریان یافتن از طریق خازن به مدار زیر برق.

شکل ۲ نمودار PCB نمودار شماتیک بالا است و دو نمودار مشابه هستند. تصویر سمت چپ و تصویر سمت راست کمی متفاوت هستند، منبع تغذیه در تصویر سمت چپ مستقیماً به پایه ورودی تراشه تنظیم کننده ولتاژ پس از یکسوسازی و سپس به خازن تنظیم کننده ولتاژ متصل است، جایی که اثر فیلتر خازن بسیار بدتر است و خروجی نیز مشکل ساز است. تصویر سمت راست تصویر خوبی است. ما نه تنها باید مشکل جریان منبع تغذیه مثبت را در نظر بگیریم، بلکه باید مشکل جریان برگشتی را نیز در نظر بگیریم، به طور کلی، خط تغذیه مثبت و خط جریان برگشتی زمین باید تا حد امکان به یکدیگر نزدیک باشند.

شکل 2 نمودار PCB منبع تغذیه خطی

هنگام طراحی PCB منبع تغذیه خطی، باید به مشکل اتلاف حرارت تراشه تنظیم‌کننده توان منبع تغذیه خطی و نحوه تولید گرما نیز توجه کنیم. اگر ولتاژ ورودی تراشه تنظیم‌کننده ولتاژ 10 ولت، ولتاژ خروجی 5 ولت و جریان خروجی 500 میلی‌آمپر باشد، افت ولتاژ 5 ولتی روی تراشه تنظیم‌کننده وجود دارد و گرمای تولید شده 2.5 وات است. اگر ولتاژ ورودی 15 ولت باشد، افت ولتاژ 10 ولت و گرمای تولید شده 5 وات است، بنابراین، باید فضای کافی برای اتلاف حرارت یا هیت سینک مناسب را با توجه به توان اتلاف حرارت کنار بگذاریم. منبع تغذیه خطی معمولاً در موقعیت‌هایی استفاده می‌شود که اختلاف فشار نسبتاً کم و جریان نسبتاً کم باشد، در غیر این صورت، لطفاً از مدار منبع تغذیه سوئیچینگ استفاده کنید.

مثال شماتیک مدار منبع تغذیه سوئیچینگ فرکانس بالا

منبع تغذیه سوئیچینگ عبارت است از استفاده از مدار برای کنترل لوله سوئیچینگ برای روشن و خاموش شدن با سرعت بالا، تولید شکل موج PWM، از طریق سلف و دیود جریان مداوم، استفاده از تبدیل الکترومغناطیسی راهی برای تنظیم ولتاژ. منبع تغذیه سوئیچینگ، راندمان بالا، گرمای کم، ما معمولاً از مدار استفاده می‌کنیم: LM2575، MC34063، SP6659 و غیره. در تئوری، منبع تغذیه سوئیچینگ در دو انتهای مدار برابر است، ولتاژ به طور معکوس متناسب است و جریان به طور معکوس متناسب است.

شکل 3 نمودار شماتیک مدار منبع تغذیه سوئیچینگ LM2575

نمودار PCB منبع تغذیه سوئیچینگ

هنگام طراحی PCB منبع تغذیه سوئیچینگ، لازم است به موارد زیر توجه شود: نقطه ورودی خط بازخورد و دیود جریان مداوم، نقاطی هستند که جریان مداوم به آنها داده می‌شود. همانطور که از شکل 3 مشاهده می‌شود، هنگامی که U1 روشن می‌شود، جریان I2 وارد سلف L1 می‌شود. ویژگی سلف این است که وقتی جریان از طریق سلف جریان می‌یابد، نمی‌تواند به طور ناگهانی تولید شود و همچنین نمی‌تواند به طور ناگهانی ناپدید شود. تغییر جریان در سلف یک فرآیند زمانی دارد. تحت تأثیر جریان پالسی I2 که از طریق سلف جریان می‌یابد، مقداری از انرژی الکتریکی به انرژی مغناطیسی تبدیل می‌شود و جریان به تدریج افزایش می‌یابد، در یک زمان مشخص، مدار کنترل U1 I2 را خاموش می‌کند، به دلیل ویژگی‌های سلف، جریان نمی‌تواند به طور ناگهانی ناپدید شود، در این زمان دیود کار می‌کند، جریان I2 را به دست می‌گیرد، بنابراین به آن دیود جریان مداوم می‌گویند، می‌توان دید که از دیود جریان مداوم برای القا استفاده می‌شود. جریان پیوسته I3 از سر منفی C3 شروع می‌شود و از طریق D1 و L1 به سر مثبت C3 جریان می‌یابد که معادل یک پمپ است و از انرژی سلف برای افزایش ولتاژ خازن C3 استفاده می‌کند. همچنین مشکل نقطه ورودی خط بازخورد تشخیص ولتاژ وجود دارد که باید پس از فیلتر کردن به محل مورد نظر برگردانده شود، در غیر این صورت موج ولتاژ خروجی بزرگتر خواهد بود. این دو نقطه اغلب توسط بسیاری از طراحان PCB ما نادیده گرفته می‌شوند، زیرا فکر می‌کنند که شبکه مشابه در آنجا یکسان نیست، در واقع، محل یکسان نیست و تأثیر عملکرد بسیار زیاد است. شکل 4 نمودار PCB منبع تغذیه سوئیچینگ LM2575 را نشان می‌دهد. بیایید ببینیم نمودار اشتباه چه مشکلی دارد.

شکل 4 نمودار PCB منبع تغذیه سوئیچینگ LM2575

چرا می‌خواهیم در مورد اصل شماتیک به تفصیل صحبت کنیم، زیرا شماتیک حاوی اطلاعات زیادی در مورد PCB است، مانند نقطه دسترسی پین قطعه، اندازه فعلی شبکه گره و غیره، به شماتیک مراجعه کنید، طراحی PCB مشکلی ندارد. مدارهای LM7805 و LM2575 به ترتیب نشان دهنده مدار طرح بندی معمولی منبع تغذیه خطی و منبع تغذیه سوئیچینگ هستند. هنگام ساخت PCBS، طرح بندی و سیم کشی این دو نمودار PCB مستقیماً روی خط است، اما محصولات متفاوت هستند و برد مدار نیز متفاوت است که با توجه به وضعیت واقعی تنظیم می‌شود.

همه تغییرات جدایی‌ناپذیر هستند، بنابراین اصل مدار تغذیه و نحوه عملکرد برد نیز چنین است و هر محصول الکترونیکی از منبع تغذیه و مدار آن جدایی‌ناپذیر است، بنابراین، با یادگیری این دو مدار، دیگری نیز درک می‌شود.