¡Aprenda estos dos circuitos, el diseño de PCB no es difícil!

¿Por qué aprender diseño de circuitos de potencia?

El circuito de alimentación es una parte importante de un producto electrónico, el diseño del circuito de alimentación está directamente relacionado con el rendimiento del producto.

Clasificación de los circuitos de alimentación

Los circuitos de alimentación de nuestros productos electrónicos incluyen principalmente fuentes de alimentación lineales y fuentes de alimentación conmutadas de alta frecuencia. En teoría, la fuente de alimentación lineal define la corriente que el usuario necesita y la que proporciona la entrada; mientras que la fuente de alimentación conmutada define la potencia que el usuario necesita y la que se proporciona en la entrada.

Diagrama esquemático del circuito de fuente de alimentación lineal

Los dispositivos de alimentación lineal funcionan en estado lineal, como nuestros chips reguladores de voltaje LM7805, LM317, SPX1117, etc. La Figura 1 a continuación muestra el diagrama esquemático del circuito de alimentación regulada LM7805.

Figura 1 Diagrama esquemático de la fuente de alimentación lineal

La figura muestra que la fuente de alimentación lineal se compone de componentes funcionales como rectificación, filtrado, regulación de voltaje y almacenamiento de energía. Al mismo tiempo, la fuente de alimentación lineal general es una fuente de alimentación con regulación de voltaje en serie, con una corriente de salida igual a la corriente de entrada (I1 = I2 + I3), siendo I3 el extremo de referencia y la corriente es muy pequeña, por lo que I1 ≈ I3. ¿Por qué se habla de la corriente? En el diseño de PCB, el ancho de cada línea no es aleatorio, sino que se determina según la magnitud de la corriente entre los nodos del esquema. La magnitud y el flujo de la corriente deben ser claros para que la placa funcione correctamente. 

Diagrama de PCB de fuente de alimentación lineal

Al diseñar la PCB, la disposición de los componentes debe ser compacta, todas las conexiones deben ser lo más cortas posible y los componentes y las líneas deben disponerse según la relación funcional de los componentes esquemáticos. Este diagrama de la fuente de alimentación consiste primero en la rectificación y luego en el filtrado. El filtrado es la regulación de voltaje, y la regulación de voltaje es el condensador de almacenamiento de energía, que fluye a través del condensador al siguiente circuito.

La Figura 2 muestra el diagrama de PCB del diagrama esquemático anterior, y ambos diagramas son similares. Las imágenes de la izquierda y la derecha presentan ligeras diferencias: la fuente de alimentación de la izquierda se conecta directamente a la entrada del chip regulador de voltaje después de la rectificación, y luego al condensador del regulador de voltaje. El efecto de filtrado del condensador es mucho menor y la salida también presenta problemas. La imagen de la derecha es correcta. No solo debemos considerar el problema del flujo de la fuente de alimentación positiva, sino también el problema del reflujo. En general, la línea de alimentación positiva y la línea de reflujo a tierra deben estar lo más cerca posible.

Figura 2 Diagrama de PCB de fuente de alimentación lineal

Al diseñar la PCB de una fuente de alimentación lineal, también debemos prestar atención a la disipación de calor del chip regulador de potencia. Si el extremo frontal del chip regulador de voltaje es de 10 V, la salida es de 5 V y la corriente de salida es de 500 mA, se produce una caída de tensión de 5 V en el chip regulador y se genera calor de 2,5 W. Si el voltaje de entrada es de 15 V, la caída de tensión es de 10 V y se genera calor de 5 W, es necesario reservar suficiente espacio o un disipador de calor adecuado a la potencia de disipación. Las fuentes de alimentación lineales se utilizan generalmente cuando la diferencia de presión y la corriente son relativamente bajas; de lo contrario, se recomienda utilizar una fuente de alimentación conmutada.

Ejemplo esquemático de circuito de fuente de alimentación conmutada de alta frecuencia

Una fuente de alimentación conmutada utiliza un circuito para controlar el tubo de conmutación para un encendido, apagado y apagado de alta velocidad, generando una forma de onda PWM mediante un inductor y un diodo de corriente continua, utilizando la conversión electromagnética para regular la tensión. Las fuentes de alimentación conmutadas, de alta eficiencia y baja generación de calor, generalmente utilizan circuitos como LM2575, MC34063, SP6659, etc. En teoría, la fuente de alimentación conmutada es igual en ambos extremos del circuito: la tensión es inversamente proporcional y la corriente es inversamente proporcional.

Figura 3 Diagrama esquemático del circuito de fuente de alimentación conmutada LM2575

Diagrama de PCB de fuente de alimentación conmutada

Al diseñar la PCB de la fuente de alimentación conmutada, es necesario prestar atención a la entrada de la línea de retroalimentación y al diodo de corriente continua. Como se puede ver en la Figura 3, al conectar U1, la corriente I2 entra en el inductor L1. Este inductor se caracteriza por su imposibilidad de generarse o desaparecer repentinamente, ya que la corriente en el inductor se produce en un proceso temporal. Bajo la acción de la corriente pulsada I2 que fluye a través del inductor, parte de la energía eléctrica se convierte en energía magnética y la corriente aumenta gradualmente. En un momento dado, el circuito de control U1 desactiva I2. Debido a las características del inductor, la corriente no desaparece repentinamente. En este momento, el diodo actúa absorbiendo la corriente I2, por lo que se denomina diodo de corriente continua. Como se puede observar, este diodo se utiliza para la inductancia. La corriente continua I3 parte del extremo negativo de C3 y fluye hacia el extremo positivo de C3 a través de D1 y L1, lo que equivale a una bomba que utiliza la energía del inductor para aumentar la tensión del condensador C3. También existe el problema de la entrada de la línea de retroalimentación de detección de tensión, que debe realimentarse a la misma posición después del filtrado; de lo contrario, la ondulación de la tensión de salida será mayor. Muchos diseñadores de PCB suelen ignorar estos dos puntos, pensando que la misma red no es la misma en ese punto, pero en realidad, la posición no es la misma y el rendimiento se ve afectado considerablemente. La Figura 4 muestra el diagrama de PCB de la fuente de alimentación conmutada LM2575. Veamos qué falla en este diagrama.

Figura 4 Diagrama de PCB de la fuente de alimentación conmutada LM2575

¿Por qué queremos explicar el principio del esquema en detalle? Dado que contiene mucha información sobre la PCB, como el punto de acceso del pin del componente, el tamaño actual de la red de nodos, etc., al consultar el esquema, el diseño de la PCB no supone un problema. Los circuitos LM7805 y LM2575 representan el diseño típico de una fuente de alimentación lineal y una fuente de alimentación conmutada, respectivamente. Al fabricar PCB, el diseño y el cableado de estos dos diagramas se realizan directamente en línea, pero los productos y la placa de circuito son diferentes, lo cual se ajusta según la situación real.

Todos los cambios son inseparables, por lo que el principio del circuito de alimentación y la forma de la placa es así, y cada producto electrónico es inseparable de la fuente de alimentación y su circuito, por lo tanto, aprenda los dos circuitos, el otro también se entiende.