Miksi oppia virtapiirien suunnittelua
Virtalähdepiiri on tärkeä osa elektroniikkatuotetta, ja virtalähdepiirin suunnittelu liittyy suoraan tuotteen suorituskykyyn.
Virtalähdepiirien luokittelu
Elektroniikkatuotteidemme virtapiirit koostuvat pääasiassa lineaarisista virtalähteistä ja korkeataajuisista kytkentävirtalähteistä. Teoriassa lineaarinen virtalähde kertoo käyttäjän tarvitseman virran määrän ja tulopään syöttämän virran määrän. Hakkurivirtalähde puolestaan kertoo käyttäjän tarvitseman tehon määrän ja tulopäässä syötettävän tehon määrän.
Lineaarisen virtalähteen piirin kaaviokuva
Lineaariset teholähteet toimivat lineaarisessa tilassa, kuten yleisesti käyttämämme jännitteensäädinpiirit LM7805, LM317, SPX1117 ja niin edelleen. Alla oleva kuva 1 on LM7805-virtalähdepiirin kytkentäkaavio.
Kuva 1 Lineaarisen virtalähteen kytkentäkaavio
Kuvasta voidaan nähdä, että lineaarinen virtalähde koostuu toiminnallisista komponenteista, kuten tasasuuntauksesta, suodatuksesta, jännitteen säädöstä ja energian varastoinnista. Samaan aikaan lineaarinen virtalähde on yleensä sarjaan kytketty jännitteen säätövirtalähde, jonka lähtövirta on yhtä suuri kuin tulovirta, I1 = I2 + I3. I3 on referenssivirta, joten virta on hyvin pieni, joten I1 ≈ I3. Miksi haluamme puhua virrasta? Piirilevyn suunnittelussa viivan leveyttä ei aseteta satunnaisesti, vaan se määräytyy kytkentäkaavion solmujen välisen virran suuruuden mukaan. Virran suuruuden ja virrankulun tulisi olla selkeitä, jotta piirilevystä tulee juuri oikea.
Lineaarisen virtalähteen piirilevykaavio
Piirilevyä suunniteltaessa komponenttien asettelun tulee olla kompakti, kaikkien liitäntöjen tulee olla mahdollisimman lyhyitä ja komponentit ja linjat tulee sijoittaa kaaviokomponenttien toiminnallisen suhteen mukaisesti. Tämä virtalähdekaavio on ensimmäinen tasasuuntaus ja sitten suodatus, suodatus on jännitteen säätö, jännitteen säätö on energian varastointikondensaattori, jonka läpi virtaa kondensaattori seuraavaan piiriin.
Kuva 2 on yllä olevan kytkentäkaavion piirilevykaavio, ja kaksi kaaviota ovat samankaltaisia. Vasen ja oikea kuva eroavat hieman toisistaan. Vasemmassa kuvassa virtalähde on suoraan jännitteensäädinpiirin tuloliittimessä tasasuuntauksen jälkeen ja sitten jännitteensäädinkondensaattorissa, jossa kondensaattorin suodatusvaikutus on paljon huonompi ja myös lähtöjännite on ongelmallinen. Oikea kuva on hyvä. Meidän on otettava huomioon paitsi positiivisen virtalähteen virtausongelma, myös takaisinvirtausongelma. Yleisesti ottaen positiivisen virtajohdon ja maadoitustakaisinvirtausjohdon tulisi olla mahdollisimman lähellä toisiaan.
Kuva 2 Lineaarisen virtalähteen piirilevykaavio
Lineaarivirtalähteen piirilevyä suunniteltaessa on kiinnitettävä huomiota myös lineaarvirtalähteen tehonsäädinpiirin lämmönhukkaongelmaan eli siihen, miten lämpö syntyy. Jos jännitteensäädinpiirin etupää on 10 V, lähtöpää 5 V ja lähtövirta 500 mA, säädinpiirissä on 5 V jännitehäviö ja syntyvä lämpö on 2,5 W. Jos tulojännite on 15 V, jännitehäviö on 10 V ja syntyvä lämpö on 5 W, joten lämmönhukkatehon mukaan on varattava riittävästi tilaa lämmönhukkaukselle tai kohtuullinen jäähdytyselementti. Lineaarivirtalähdettä käytetään yleensä tilanteissa, joissa paine-ero ja virta ovat suhteellisen pieniä, muussa tapauksessa käytetään kytkentävirtalähdepiiriä.
Suurtaajuisen kytkentävirtalähteen piirikaavioesimerkki
Hakkurivirtalähteessä käytetään piiriä kytkentäputken ohjaamiseen nopeaa päälle- ja poiskytkentää varten, PWM-aaltomuodon generointiin induktorin ja jatkuvan virran diodin kautta, jännitettä säädetään sähkömagneettisen muunnoksen avulla. Hakkurivirtalähteessä käytetään yleensä seuraavia piirejä: LM2575, MC34063, SP6659 ja niin edelleen, ja sen tehokkuus on korkea ja lämpötila on alhainen. Teoriassa kytkentävirtalähteessä on sama arvo piirin molemmissa päissä, ja jännite on kääntäen verrannollinen ja virta on kääntäen verrannollinen.
Kuva 3. Kaaviokuva LM2575-kytkentävirtalähteen piiristä
Hakkurivirtalähteen piirilevykaavio
Hakkurivirtalähteen piirilevyä suunniteltaessa on kiinnitettävä huomiota seuraaviin asioihin: takaisinkytkentälinjan tulopiste ja jatkuvan virran diodi ovat ne, joille jatkuva virta annetaan. Kuten kuvasta 3 voidaan nähdä, kun U1 kytketään päälle, virta I2 tulee induktoriin L1. Induktorin ominaisuus on, että kun virta kulkee induktorin läpi, se ei voi syntyä äkillisesti eikä se voi kadota äkillisesti. Virran muutos induktorissa tapahtuu aikaprosessissa. Induktanssin läpi kulkevan pulssitetun virran I2 vaikutuksesta osa sähköenergiasta muuttuu magneettiseksi energiaksi ja virta kasvaa vähitellen. Tietyllä hetkellä ohjauspiiri U1 sammuttaa I2:n. Induktanssin ominaisuuksien vuoksi virta ei voi kadota äkillisesti. Tällöin diodi toimii ja ottaa haltuunsa virran I2, joten sitä kutsutaan jatkuvan virran diodiksi. Voidaan nähdä, että jatkuvan virran diodia käytetään induktanssin tuottamiseen. Jatkuva virta I3 alkaa C3:n negatiivisesta päästä ja virtaa C3:n positiiviseen päähän D1:n ja L1:n kautta, mikä vastaa pumppua, jossa induktorin energiaa käytetään kondensaattorin C3 jännitteen nostamiseen. Ongelmana on myös jännitteenilmaisun takaisinkytkentälinjan tulopiste, joka tulisi syöttää takaisin paikkaan suodatuksen jälkeen, muuten lähtöjännitteen aaltoilu on suurempi. Monet piirilevysuunnittelijamme jättävät usein huomiotta nämä kaksi pistettä, koska he ajattelevat, että sama verkko ei ole sama siellä, itse asiassa paikka ei ole sama, ja suorituskykyvaikutus on suuri. Kuva 4 on LM2575-kytkentävirtalähteen piirilevykaavio. Katsotaanpa, mikä väärässä kaaviossa on vikana.
Kuva 4 LM2575-kytkentävirtalähteen piirilevykaavio
Miksi haluamme puhua kytkentäkaavioperiaatteesta yksityiskohtaisesti? Koska kytkentäkaavio sisältää paljon piirilevytietoja, kuten komponenttinastan tukiaseman, solmuverkon nykyisen koon jne., katso kytkentäkaavio, piirilevysuunnittelu ei ole ongelma. LM7805- ja LM2575-piirit edustavat lineaarisen virtalähteen ja kytkentävirtalähteen tyypillisiä asettelupiirejä. Piirilevyjä valmistettaessa näiden kahden piirilevykaavion asettelu ja johdotus ovat suoraan linjalla, mutta tuotteet ovat erilaisia ja piirilevy on erilainen, mikä säädetään todellisen tilanteen mukaan.
Kaikki muutokset ovat erottamattomia, joten virtapiirin periaate ja piirilevyn toimintatapa ovat niin, ja jokainen elektroninen tuote on erottamaton virtalähteestä ja sen piiristä, joten opi kaksi piiriä, toinenkin ymmärretään.
Julkaisun aika: 08.07.2023
