เรียนรู้สองวงจรนี้ การออกแบบ PCB ไม่ใช่เรื่องยาก!

ทำไมต้องเรียนการออกแบบวงจรกำลัง

วงจรจ่ายไฟเป็นส่วนสำคัญของผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ การออกแบบวงจรจ่ายไฟเกี่ยวข้องโดยตรงกับประสิทธิภาพของผลิตภัณฑ์

การจำแนกประเภทของวงจรจ่ายไฟ

วงจรไฟฟ้าของผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ของเราส่วนใหญ่ประกอบด้วยแหล่งจ่ายไฟเชิงเส้นและอุปกรณ์จ่ายไฟสวิตชิ่งความถี่สูง ตามทฤษฎีแล้ว แหล่งจ่ายไฟเชิงเส้นคือปริมาณกระแสไฟฟ้าที่ผู้ใช้ต้องการ อินพุตจะให้กระแสเท่าใด แหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งคือปริมาณพลังงานที่ผู้ใช้ต้องการ และปริมาณพลังงานที่จ่ายที่ปลายอินพุต

แผนผังของวงจรจ่ายไฟเชิงเส้น

อุปกรณ์จ่ายไฟเชิงเส้นทำงานในสถานะเชิงเส้น เช่น ชิปควบคุมแรงดันไฟฟ้าที่ใช้กันทั่วไปของเรา LM7805, LM317, SPX1117 และอื่นๆ รูปที่ 1 ด้านล่างเป็นแผนผังของวงจรจ่ายไฟที่ควบคุมด้วย LM7805

รูปที่ 1 แผนผังของแหล่งจ่ายไฟเชิงเส้น

จากรูปจะเห็นได้ว่าแหล่งจ่ายไฟเชิงเส้นประกอบด้วยส่วนประกอบเชิงหน้าที่ เช่น การแก้ไข การกรอง การควบคุมแรงดันไฟฟ้า และการจัดเก็บพลังงาน ในเวลาเดียวกัน แหล่งจ่ายไฟเชิงเส้นทั่วไปคือแหล่งจ่ายไฟควบคุมแรงดันไฟฟ้าแบบอนุกรม กระแสไฟขาออกเท่ากับกระแสอินพุต I1=I2+I3, I3 คือจุดสิ้นสุดอ้างอิง กระแสมีขนาดเล็กมาก ดังนั้น I1µI3 . ทำไมเราถึงอยากพูดถึงกระแส เพราะการออกแบบ PCB ความกว้างของแต่ละบรรทัดไม่ได้ตั้งค่าแบบสุ่ม จะถูกกำหนดตามขนาดของกระแสระหว่างโหนดในแผนผัง ขนาดปัจจุบันและการไหลของกระแสควรมีความชัดเจนเพื่อให้บอร์ดถูกต้อง 

แผนภาพ PCB ของแหล่งจ่ายไฟเชิงเส้น

เมื่อออกแบบ PCB โครงร่างของส่วนประกอบควรมีขนาดกะทัดรัด การเชื่อมต่อทั้งหมดควรสั้นที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ และส่วนประกอบและเส้นควรจัดวางตามความสัมพันธ์ในการทำงานของส่วนประกอบแผนผัง แผนภาพแหล่งจ่ายไฟนี้เป็นการแก้ไขครั้งแรก จากนั้นกรอง การกรองคือการควบคุมแรงดันไฟฟ้า การควบคุมแรงดันไฟฟ้าคือตัวเก็บประจุเก็บพลังงาน หลังจากไหลผ่านตัวเก็บประจุไปยังวงจรไฟฟ้าต่อไปนี้

รูปที่ 2 เป็นแผนภาพ PCB ของแผนภาพด้านบน และทั้งสองแผนภาพมีความคล้ายคลึงกัน ภาพซ้ายและภาพขวาแตกต่างกันเล็กน้อย แหล่งจ่ายไฟในภาพซ้ายจะตรงไปที่เท้าอินพุตของชิปควบคุมแรงดันไฟฟ้าหลังการแก้ไข จากนั้นตัวเก็บประจุควบคุมแรงดันไฟฟ้า ซึ่งผลการกรองของตัวเก็บประจุจะแย่ลงมาก และผลลัพธ์ก็มีปัญหาเช่นกัน ภาพทางขวาก็สวยนะ เราจะต้องไม่เพียงแต่พิจารณาการไหลของปัญหาแหล่งจ่ายไฟบวกเท่านั้น แต่ยังต้องพิจารณาปัญหาการไหลย้อนกลับด้วย โดยทั่วไปแล้ว สายไฟบวกและสายไหลย้อนกลับกราวด์ควรอยู่ใกล้กันมากที่สุด

รูปที่ 2 แผนภาพ PCB ของแหล่งจ่ายไฟเชิงเส้น

เมื่อออกแบบ PCB แหล่งจ่ายไฟเชิงเส้น เราควรคำนึงถึงปัญหาการกระจายความร้อนของชิปควบคุมพลังงานของแหล่งจ่ายไฟเชิงเส้น ความร้อนมาอย่างไร หากส่วนหน้าของชิปควบคุมแรงดันไฟฟ้าคือ 10V ปลายเอาต์พุตคือ 5V และกระแสไฟขาออกคือ 500mA จากนั้นจะมีแรงดันไฟฟ้าตกบนชิปควบคุม 5V และความร้อนที่เกิดขึ้นคือ 2.5W; หากแรงดันไฟฟ้าอินพุตเป็น 15V แรงดันไฟฟ้าตกคือ 10V และความร้อนที่เกิดขึ้นคือ 5W ดังนั้นเราจึงจำเป็นต้องจัดสรรพื้นที่กระจายความร้อนให้เพียงพอหรือตัวระบายความร้อนที่เหมาะสมตามกำลังการกระจายความร้อน โดยทั่วไปจะใช้แหล่งจ่ายไฟเชิงเส้นในสถานการณ์ที่ความแตกต่างของแรงดันค่อนข้างน้อยและกระแสค่อนข้างเล็ก มิฉะนั้น โปรดใช้วงจรจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง

ตัวอย่างแผนผังวงจรจ่ายไฟสวิตชิ่งความถี่สูง

แหล่งจ่ายไฟสลับ คือ การใช้วงจรควบคุมท่อสวิตชิ่งให้เปิด-ปิดด้วยความเร็วสูง สร้างรูปคลื่น PWM ผ่านตัวเหนี่ยวนำและไดโอดกระแสต่อเนื่อง การใช้การแปลงแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นวิธีควบคุมแรงดันไฟฟ้า การสลับแหล่งจ่ายไฟ ประสิทธิภาพสูง ความร้อนต่ำ โดยทั่วไปเราใช้วงจร: LM2575, MC34063, SP6659 และอื่นๆ ตามทฤษฎีแล้ว แหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งจะเท่ากันที่ปลายทั้งสองของวงจร แรงดันไฟฟ้าเป็นสัดส่วนผกผัน และกระแสเป็นสัดส่วนผกผัน

รูปที่ 3 แผนผังวงจรสวิตชิ่งพาวเวอร์ซัพพลาย LM2575

แผนภาพ PCB ของแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง

เมื่อออกแบบ PCB ของแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งจำเป็นต้องคำนึงถึง: จุดอินพุตของสายป้อนกลับและไดโอดกระแสต่อเนื่องมีไว้สำหรับผู้ที่ได้รับกระแสต่อเนื่อง ดังที่เห็นได้จากรูปที่ 3 เมื่อ U1 เปิดอยู่ I2 ปัจจุบันจะเข้าสู่ตัวเหนี่ยวนำ L1 ลักษณะของตัวเหนี่ยวนำคือเมื่อกระแสไหลผ่านตัวเหนี่ยวนำ จะไม่สามารถเกิดขึ้นได้ทันทีและไม่สามารถหายไปอย่างกะทันหันได้ การเปลี่ยนแปลงกระแสในตัวเหนี่ยวนำมีกระบวนการเวลา ภายใต้การกระทำของกระแสพัลส์ I2 ที่ไหลผ่านการเหนี่ยวนำ พลังงานไฟฟ้าบางส่วนจะถูกแปลงเป็นพลังงานแม่เหล็ก และกระแสจะค่อยๆ เพิ่มขึ้น ในช่วงเวลาหนึ่ง วงจรควบคุม U1 จะปิด I2 เนื่องจากลักษณะของตัวเหนี่ยวนำ กระแสไฟไม่สามารถหายไปกะทันหันได้ ณ เวลานี้ไดโอดทำงานจะเข้าควบคุมกระแส I2 จึงเรียกว่าไดโอดกระแสต่อเนื่องจะเห็นได้ว่าไดโอดกระแสต่อเนื่องใช้เป็นตัวเหนี่ยวนำ กระแสต่อเนื่อง I3 เริ่มต้นจากปลายลบของ C3 และไหลเข้าสู่ปลายบวกของ C3 ถึง D1 และ L1 ซึ่งเทียบเท่ากับปั๊ม โดยใช้พลังงานของตัวเหนี่ยวนำเพื่อเพิ่มแรงดันไฟฟ้าของตัวเก็บประจุ C3 นอกจากนี้ยังมีปัญหาจุดอินพุตของสายป้อนกลับของการตรวจจับแรงดันไฟฟ้าซึ่งควรป้อนกลับไปยังตำแหน่งหลังจากการกรอง มิฉะนั้นระลอกแรงดันเอาต์พุตจะมีขนาดใหญ่ขึ้น นักออกแบบ PCB หลายคนมักละเลยสองประเด็นนี้ โดยคิดว่าเครือข่ายเดียวกันไม่เหมือนกัน ที่จริงแล้วสถานที่ไม่เหมือนกัน และผลกระทบด้านประสิทธิภาพก็ดีเยี่ยม รูปที่ 4 คือแผนภาพ PCB ของแหล่งจ่ายไฟสวิตชิ่ง LM2575 เรามาดูกันว่ามีอะไรผิดปกติกับแผนภาพที่ไม่ถูกต้อง

รูปที่ 4 แผนภาพ PCB ของแหล่งจ่ายไฟสวิตชิ่ง LM2575

ทำไมเราถึงต้องการพูดถึงหลักการแผนผังโดยละเอียด เนื่องจากแผนผังประกอบด้วยข้อมูล PCB จำนวนมาก เช่น จุดเชื่อมต่อของพินส่วนประกอบ ขนาดปัจจุบันของเครือข่ายโหนด ฯลฯ ดูแผนผัง การออกแบบ PCB ไม่ใช่ปัญหา วงจร LM7805 และ LM2575 แสดงถึงวงจรเค้าโครงทั่วไปของแหล่งจ่ายไฟเชิงเส้นและแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งตามลำดับ เมื่อทำ PCBS โครงร่างและสายไฟของไดอะแกรม PCB ทั้งสองนี้จะอยู่ในบรรทัดโดยตรง แต่ผลิตภัณฑ์จะแตกต่างกันและแผงวงจรจะแตกต่างกันซึ่งจะถูกปรับตามสถานการณ์จริง

การเปลี่ยนแปลงทั้งหมดแยกออกไม่ได้ ดังนั้นหลักการของวงจรไฟฟ้าและวิธีที่บอร์ดเป็นเช่นนั้น และผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ทุกชิ้นแยกออกจากแหล่งจ่ายไฟและวงจรของมัน ดังนั้น เรียนรู้ทั้งสองวงจร อีกอย่างก็เข้าใจเช่นกัน