ニュース - これら 2 つの回路を学べば、PCB 設計は難しくありません。

電源回路設計を学ぶ理由
電源回路は電子製品の重要な部分であり、電源回路の設計は製品の性能に直接関係します。

電源回路の分類
当社の電子製品の電源回路は、主にリニア電源と高周波スイッチング電源で構成されています。理論的には、リニア電源はユーザーが必要とする電流量に応じて入力端から供給される電流を制御します。一方、スイッチング電源はユーザーが必要とする電力量に応じて入力端から供給される電力を制御します。
リニア電源回路の概略図
リニア電源デバイスは、一般的に使用されている電圧レギュレータチップであるLM7805、LM317、SPX1117など、線形状態で動作します。下の図1は、LM7805安定化電源回路の回路図です。

図1 リニア電源の概略図
図からわかるように、リニア電源は整流、フィルタリング、電圧調整、エネルギー貯蔵などの機能部品で構成されています。同時に、一般的なリニア電源は直列電圧調整電源であり、出力電流は入力電流と等しく、I1=I2+I3となります。I3は基準電流であり、電流は非常に小さいため、I1≈I3となります。なぜ電流について話す必要があるかというと、PCB設計では各ラインの幅がランダムに設定されるのではなく、回路図上のノード間の電流の大きさに応じて決定されるからです。電流の大きさと電流の流れを明確にすることで、基板設計を最適化できます。

リニア電源PCB図
PCBを設計する際は、部品のレイアウトをコンパクトにし、すべての接続を可能な限り短くし、部品と配線は回路図上の部品の機能関係に従って配置する必要があります。この電源回路図では、まず整流、次にフィルタリングが行われます。フィルタリングは電圧調整であり、電圧調整はエネルギー貯蔵コンデンサに送られ、コンデンサを通過した電気は後続の回路へと流れます。

図2は上記の回路図のPCB図であり、2つの図は似ています。左の図と右の図は少し異なります。左の図では、電源は整流後に電圧レギュレータチップの入力足に直接接続され、その後電圧レギュレータコンデンサに接続されています。コンデンサのフィルタリング効果が大幅に低下し、出力にも問題があります。右の図は良好な例です。正電源の逆流問題だけでなく、逆流問題も考慮する必要があります。一般的に、正電源ラインとグランド逆流ラインはできるだけ近づける必要があります。

図2 リニア電源のPCB図
リニア電源のPCBを設計する際には、リニア電源の電力レギュレータチップの放熱問題にも注意する必要があります。熱の発生源は、電圧レギュレータチップの前端が10V、出力端が5V、出力電流が500mAの場合、レギュレータチップに5Vの電圧降下があり、発生する熱は2.5Wです。入力電圧が15Vで、電圧降下が10V、発生する熱が5Wの場合、放熱電力に応じて十分な放熱スペースまたは適切なヒートシンクを用意する必要があります。リニア電源は、通常、圧力差が比較的小さく、電流が比較的小さい状況で使用されます。それ以外の場合は、スイッチング電源回路を使用してください。

高周波スイッチング電源回路図例
スイッチング電源は、スイッチング管を高速にオン・オフ・オフ制御する回路を用いてPWM波形を生成し、インダクタと定電流ダイオードを介して電磁変換方式で電圧を調節するものです。スイッチング電源は高効率で発熱が少なく、一般的にLM2575、MC34063、SP6659などの回路が用いられます。理論的には、スイッチング電源の回路両端の電圧は等しく、電圧は反比例し、電流も反比例します。

図3 LM2575スイッチング電源回路の回路図
スイッチング電源のPCB図
スイッチング電源のPCBを設計する際には、次の点に注意する必要があります。フィードバックラインの入力点と連続電流ダイオードは、連続電流が供給される場所です。図3に示すように、U1がオンになると、電流I2がインダクタL1に入ります。インダクタの特性として、電流がインダクタを流れるとき、突然発生することも、突然消えることもありません。インダクタの電流の変化には時間的なプロセスがあります。インダクタンスを流れるパルス電流I2の作用により、電気エネルギーの一部が磁気エネルギーに変換され、電流が徐々に増加します。ある時点で、制御回路U1はI2をオフにします。インダクタンスの特性により、電流は突然消えることはなく、このときダイオードが機能し、電流I2を引き継ぎます。そのため、連続電流ダイオードと呼ばれ、連続電流ダイオードがインダクタンスに使用されていることがわかります。連続電流I3はC3の負極から始まり、D1とL1を介してC3の正極に流れ込みます。これらはポンプと同等で、インダクタのエネルギーを利用してコンデンサC3の電圧を上げます。また、電圧検出のフィードバックラインの入力点にも問題があり、フィルタリング後に所定の位置にフィードバックする必要があります。そうしないと、出力電圧リップルが大きくなってしまいます。多くのPCB設計者は、この2つの点をよく無視し、同じネットワークであってもそこは同じではないと考えていますが、実際には場所が同じではなく、性能への影響が大きいのです。図4は、LM2575スイッチング電源のPCB図です。この図の何が間違っているのかを見てみましょう。

図4 LM2575スイッチング電源のPCB図
なぜ回路図の原理について詳しく説明したいかというと、回路図には部品ピンのアクセスポイントやノードネットワークの電流サイズなど、多くのPCB情報が含まれているからです。回路図を見ればPCB設計上の問題は発生しません。LM7805とLM2575の回路は、それぞれリニア電源とスイッチング電源の典型的なレイアウト回路を表しています。PCBを作成する際、これら2つのPCB図のレイアウトと配線はほぼ一致していますが、製品によって回路基板が異なるため、実際の状況に合わせて調整する必要があります。