למה ללמוד תכנון מעגלי כוח
מעגל אספקת החשמל הוא חלק חשוב במוצר אלקטרוני, תכנון מעגל אספקת החשמל קשור ישירות לביצועי המוצר.
סיווג מעגלי אספקת חשמל
מעגלי ההספק של המוצרים האלקטרוניים שלנו כוללים בעיקר ספקי כוח ליניאריים וספקי כוח ממותגים בתדר גבוה. בתיאוריה, ספק כוח ליניארי הוא כמות הזרם שהמשתמש צריך, הקלט יספק את כמות הזרם; ספק כוח ממותג הוא כמות ההספק שהמשתמש צריך, וכמה ההספק מסופק בקצה הקלט.
תרשים סכמטי של מעגל אספקת חשמל ליניארי
התקני הספק ליניאריים פועלים במצב ליניארי, כגון שבבי וסת המתח הנפוצים שלנו LM7805, LM317, SPX1117 וכן הלאה. איור 1 להלן הוא תרשים סכמטי של מעגל ספק הכוח המווסת LM7805.
איור 1 תרשים סכמטי של ספק כוח ליניארי
ניתן לראות מהאיור שספק כוח ליניארי מורכב מרכיבים פונקציונליים כגון יישור, סינון, ויסות מתח ואחסון אנרגיה. יחד עם זאת, ספק כוח ליניארי כללי הוא ספק כוח ויסות מתח טורי, זרם המוצא שווה לזרם הקלט, I1=I2+I3, I3 הוא קצה הייחוס, הזרם קטן מאוד, ולכן I1≈I3. מדוע עלינו לדבר על הזרם, מכיוון שבתכנון המעגל המודפס, רוחב כל קו אינו מוגדר באופן אקראי, ויש לקבוע אותו בהתאם לגודל הזרם בין הצמתים בסכמה. גודל הזרם וזרימת הזרם צריכים להיות ברורים כדי שהלוח יהיה בדיוק נכון.
דיאגרמת PCB של ספק כוח ליניארי
בעת תכנון המעגל המודפס (PCB), יש לסדר את הרכיבים בצורה קומפקטית, כל החיבורים צריכים להיות קצרים ככל האפשר, ויש לסדר את הרכיבים והקווים בהתאם ליחסים הפונקציונליים של הרכיבים הסכימטיים. דיאגרמת ספק הכוח הזו היא היישור הראשון, ולאחר מכן הסינון, הסינון הוא ויסות המתח, ויסות המתח הוא קבל אחסון האנרגיה, לאחר שזרימת החשמל דרך הקבל למעגל הבא.
איור 2 הוא דיאגרמת ה-PCB של הדיאגרמה הסכמטית לעיל, ושתי הדיאגרמות דומות. התמונה השמאלית והתמונה הימנית שונות במקצת, ספק הכוח בתמונה השמאלית נמצא ישירות ברגל הקלט של שבב ווסת המתח לאחר יישור, ולאחר מכן לקבל ווסת המתח, שם אפקט הסינון של הקבל גרוע בהרבה, וגם הפלט בעייתי. התמונה מימין טובה. עלינו לקחת בחשבון לא רק את בעיית הזרימה של ספק הכוח החיובי, אלא גם את בעיית הזרימה החוזרת, באופן כללי, קו הכוח החיובי וקו הזרימה החוזרת של הקרקע צריכים להיות קרובים זה לזה ככל האפשר.
איור 2 דיאגרמת PCB של ספק כוח ליניארי
בעת תכנון PCB של ספק כוח ליניארי, עלינו לשים לב גם לבעיית פיזור החום של שבב ווסת הכוח של ספק הכוח הליניארי, כיצד מגיע החום. אם חזית שבב ווסת המתח היא 10V, קצה הפלט הוא 5V, וזרם הפלט הוא 500mA, אז יש ירידת מתח של 5V על שבב הווסת, והחום שנוצר הוא 2.5W; אם מתח הכניסה הוא 15V, ירידת המתח היא 10V, והחום שנוצר הוא 5W, לכן, עלינו להקצות מספיק מקום לפיזור חום או גוף קירור סביר בהתאם להספק פיזור החום. ספק כוח ליניארי משמש בדרך כלל במצבים שבהם הפרש הלחצים קטן יחסית והזרם קטן יחסית, אחרת, אנא השתמשו במעגל ספק כוח ממותג.
דוגמה סכמטית למעגל ספק כוח מיתוג בתדר גבוה
ספק כוח ממותג משתמש במעגל לשליטה על צינור המיתוג לצורך הפעלה-כיבוי וכיבוי במהירות גבוהה, ויצירת צורת גל PWM. באמצעות משרן ודיודת זרם רציף, נעשה שימוש בהמרה אלקטרומגנטית כדי לווסת את המתח. ספק כוח ממותג, יעילות גבוהה, חום נמוך, אנו משתמשים בדרך כלל במעגלים הבאים: LM2575, MC34063, SP6659 וכן הלאה. בתיאוריה, ספק כוח המיתוג שווה בשני קצוות המעגל, המתח הוא ביחס הפוך, והזרם הוא ביחס הפוך.
איור 3 תרשים סכמטי של מעגל ספק כוח ממותג LM2575
דיאגרמת PCB של ספק כוח ממותג
בעת תכנון המעגל המודפס (PCB) של ספק הכוח הממותג, יש לשים לב ל: נקודת הכניסה של קו המשוב ודיודת הזרם הרציף הן עבורן ניתן הזרם הרציף. כפי שניתן לראות באיור 3, כאשר U1 מופעל, הזרם I2 נכנס למשרן L1. המאפיין של המשרן הוא שכאשר הזרם זורם דרך המשרן, הוא לא יכול להיווצר בפתאומיות, וגם לא להיעלם בפתאומיות. שינוי הזרם במשרן הוא בעל תהליך זמן. תחת פעולת הזרם הפועם I2 הזורם דרך ההשראות, חלק מהאנרגיה החשמלית מומרת לאנרגיה מגנטית, והזרם עולה בהדרגה, בזמן מסוים, מעגל הבקרה U1 מכבה את I2, בשל מאפייני ההשראות, הזרם לא יכול להיעלם בפתאומיות, בשלב זה הדיודה פועלת, היא משתלטת על הזרם I2, ולכן היא נקראת דיודת זרם רציף, ניתן לראות שדיודת הזרם הרציף משמשת להשראות. הזרם הרציף I3 מתחיל מהקצה השלילי של C3 וזורם לקצה החיובי של C3 דרך D1 ו-L1, וזה שווה ערך למשאבה, המשתמשת באנרגיה של המשרן כדי להגדיל את המתח של הקבל C3. ישנה גם בעיה של נקודת הכניסה של קו המשוב של גילוי המתח, אשר צריכה להיות מוזנת חזרה למקום לאחר הסינון, אחרת אדוות מתח המוצא תהיה גדולה יותר. שתי נקודות אלו מתעלמות לעתים קרובות על ידי רבים ממתכנני המעגלים המודפסים שלנו, מתוך מחשבה שהרשת אינה זהה שם, למעשה, המקום אינו זהה, וההשפעה על הביצועים גדולה. איור 4 הוא דיאגרמת המעגל המודפס של ספק כוח ממותג LM2575. בואו נראה מה לא בסדר בתרשים הלא נכון.
איור 4 דיאגרמת PCB של ספק כוח ממותג LM2575
מדוע עלינו לדבר על עקרון הסכימה בפירוט? מכיוון שהסכימה מכילה מידע רב על ה-PCB, כגון נקודת הגישה של פין הרכיב, גודל רשת הצומת הנוכחי וכו', ראו את הסכימה, עיצוב ה-PCB אינו מהווה בעיה. מעגלי LM7805 ו-LM2575 מייצגים את הפריסה הטיפוסי של ספק כוח ליניארי וספק כוח מיתוג, בהתאמה. בעת ייצור PCBS, הפריסה והחיווט של שתי דיאגרמות ה-PCB הללו נמצאים ישירות על הקו, אך המוצרים שונים ולוח המעגלים שונה, ומותאם בהתאם למצב בפועל.
כל השינויים הם בלתי נפרדים, ולכן עקרון מעגל החשמל והאופן שבו הלוח פועל, וכל מוצר אלקטרוני הוא בלתי נפרד מספק החשמל והמעגל שלו, לכן, למדו את שני המעגלים, גם השני מובן.
זמן פרסום: 08 ביולי 2023
