Apprenez ces deux circuits, la conception de PCB n'est pas difficile !

Pourquoi apprendre la conception de circuits de puissance

Le circuit d'alimentation est une partie importante d'un produit électronique, la conception du circuit d'alimentation est directement liée aux performances du produit.

Classification des circuits d'alimentation

Les circuits d'alimentation de nos produits électroniques comprennent principalement des alimentations linéaires et des alimentations à découpage haute fréquence. En théorie, l'alimentation linéaire détermine la quantité de courant nécessaire à l'utilisateur, l'entrée fournit la quantité de courant nécessaire, tandis que l'alimentation à découpage détermine la puissance nécessaire à l'utilisateur et la puissance fournie en entrée.

Schéma de principe d'un circuit d'alimentation linéaire

Les dispositifs d'alimentation linéaire fonctionnent en régime linéaire, comme nos régulateurs de tension courants LM7805, LM317, SPX1117, etc. La figure 1 ci-dessous présente le schéma du circuit d'alimentation régulée LM7805.

Figure 1 Schéma de principe d'une alimentation linéaire

La figure montre qu'une alimentation linéaire est composée de composants fonctionnels tels que le redressement, le filtrage, la régulation de tension et le stockage d'énergie. En général, l'alimentation linéaire est une alimentation à régulation de tension série. Le courant de sortie est égal au courant d'entrée (I1 = I2 + I3), I3 étant la référence. Ce courant est très faible (I1 ≈ I3). L'importance du courant est importante dans la conception des circuits imprimés : la largeur de chaque ligne n'est pas aléatoire, mais dépend de l'intensité du courant entre les nœuds du schéma. L'intensité et le flux du courant doivent être clairs pour une carte parfaitement adaptée. 

Schéma PCB d'alimentation linéaire

Lors de la conception d'un circuit imprimé, la disposition des composants doit être compacte, les connexions doivent être aussi courtes que possible et les composants et les lignes doivent être disposés conformément aux relations fonctionnelles des composants schématiques. Ce schéma d'alimentation comprend le redressement, puis le filtrage, qui sert à la régulation de tension, laquelle sert au condensateur de stockage d'énergie, puis au circuit suivant.

La figure 2 présente le schéma du circuit imprimé ci-dessus, et les deux schémas sont similaires. Les images de gauche et de droite sont légèrement différentes : l'alimentation de l'image de gauche est directement reliée à la borne d'entrée du régulateur de tension après redressement, puis au condensateur du régulateur de tension, dont l'effet de filtrage est nettement moins bon et la sortie est également problématique. L'image de droite est correcte. Il faut non seulement prendre en compte le problème de flux de l'alimentation positive, mais aussi celui du reflux. En général, la ligne d'alimentation positive et la ligne de reflux de masse doivent être aussi proches que possible.

Figure 2 Schéma PCB d'une alimentation linéaire

Lors de la conception du circuit imprimé d'une alimentation linéaire, il est important de prêter attention à la dissipation thermique du régulateur de puissance. Comment la chaleur se dégage-t-elle ? Si la tension d'entrée du régulateur est de 10 V, la sortie de 5 V et le courant de sortie de 500 mA, la chute de tension de 5 V sur le régulateur génère une chaleur de 2,5 W. Si la tension d'entrée est de 15 V, la chute de tension est de 10 V et le courant de 5 W, il est nécessaire de prévoir un espace de dissipation thermique suffisant ou un dissipateur thermique adapté à la puissance de dissipation. Une alimentation linéaire est généralement utilisée lorsque la différence de pression et le courant sont faibles. Dans le cas contraire, il est préférable d'utiliser une alimentation à découpage.

Exemple de schéma de circuit d'alimentation à découpage haute fréquence

L'alimentation à découpage utilise un circuit pour contrôler le tube de commutation afin d'effectuer des commutations marche-arrêt et arrêt rapides, générer une forme d'onde PWM et réguler la tension par conversion électromagnétique via l'inductance et la diode à courant continu. L'alimentation à découpage, à haut rendement et à faible dégagement de chaleur, est généralement utilisée avec les circuits suivants : LM2575, MC34063, SP6659, etc. En théorie, l'alimentation à découpage est égale aux deux extrémités du circuit, la tension et le courant étant inversement proportionnels.

Figure 3 Schéma du circuit d'alimentation à découpage LM2575

Schéma PCB d'une alimentation à découpage

Lors de la conception du circuit imprimé d'une alimentation à découpage, il est important de prêter attention aux points suivants : le point d'entrée de la ligne de rétroaction et la diode à courant continu sont ceux qui fournissent le courant continu. Comme le montre la figure 3, lorsque U1 est activé, le courant I2 pénètre dans l'inductance L1. La caractéristique de l'inductance est que, lorsque le courant la traverse, il ne peut ni apparaître ni disparaître brusquement. La variation de courant dans l'inductance suit un processus temporel. Sous l'action du courant pulsé I2 traversant l'inductance, une partie de l'énergie électrique est convertie en énergie magnétique et le courant augmente progressivement. À un moment donné, le circuit de commande U1 désactive I2. En raison des caractéristiques de l'inductance, le courant ne peut pas disparaître brusquement. À ce moment, la diode fonctionne et prend le relais du courant I2. On parle alors de diode à courant continu. On voit que la diode à courant continu est utilisée pour l'inductance. Le courant continu I3 part de la borne négative de C3 et circule vers la borne positive de C3 via D1 et L1, ce qui équivaut à une pompe utilisant l'énergie de l'inductance pour augmenter la tension du condensateur C3. Se pose également le problème du point d'entrée de la ligne de rétroaction de détection de tension : il doit être réinjecté après filtrage, sous peine d'augmenter l'ondulation de la tension de sortie. Ces deux points sont souvent négligés par nos concepteurs de circuits imprimés, pensant que le même réseau n'est pas identique. En réalité, l'emplacement est différent et l'impact sur les performances est considérable. La figure 4 présente le schéma du circuit imprimé de l'alimentation à découpage LM2575. Voyons ce qui ne va pas avec ce schéma.

Figure 4 Schéma PCB de l'alimentation à découpage LM2575

Nous souhaitons aborder en détail le principe du schéma, car il contient de nombreuses informations sur le circuit imprimé, telles que le point d'accès des broches des composants, la taille actuelle du réseau de nœuds, etc. La conception du circuit imprimé ne pose aucun problème. Les circuits LM7805 et LM2575 représentent respectivement les schémas de disposition typiques d'une alimentation linéaire et d'une alimentation à découpage. Lors de la fabrication de circuits imprimés, la disposition et le câblage de ces deux circuits imprimés sont directement sur la ligne, mais les produits et les cartes de circuit imprimé sont différents, ce qui est adapté à la situation réelle.

Tous les changements sont indissociables, donc le principe du circuit d'alimentation et la façon dont la carte est ainsi, et chaque produit électronique est indissociable de l'alimentation et de son circuit, par conséquent, apprenez les deux circuits, l'autre est également compris.