يعد مصدر طاقة التيار المتردد / التيار المستمر ، المعروف أيضًا باسم محول التيار المتردد / التيار المستمر ، مكونًا أساسيًا للعديد من التطبيقات الإلكترونية ، بما في ذلك الإلكترونيات الاستهلاكية ، والتطبيقات الصناعية ، والروبوتات ، والتطبيقات الطبية والعسكرية.
يتطلب الاتجاه الحالي لجهد إمداد الطاقة المنخفض باستمرار (خاصة للأجهزة الرقمية عالية التكامل) ، والحجم الصغير ، والوزن المنخفض ، والكفاءة العالية ، تصميمًا دقيقًا لدائرة إمداد الطاقة ، يتم إجراؤها بدءًا من PCB.
اليوم ، من الشائع جدًا العثور على تطبيقات إلكترونية تتطلب خمسة أو أكثر من قضبان الطاقة المنفصلة ، بخصائص وأداء كهربائي مختلف. تؤدي هذه المتطلبات إلى تعقيد تصميم مصدر الطاقة ، وهو المكون الأول للجهاز الإلكتروني الذي يعتمد عليه التشغيل الصحيح والموثوقية والعمر الافتراضي.
ستنظر هذه المقالة في المشكلات الرئيسية التي يواجهها المهندسون عند تصميم ثنائي الفينيل متعدد الكلور لإمداد الطاقة AC / DC ، مثل سلامة الإشارة ، وسلامة خط الطاقة ، والتداخل الكهرومغناطيسي ، واستقرار جهد الخرج ، والإدارة الحرارية. باتباع بعض الإرشادات البسيطة المقترحة في المقالة ، سيكون المصمم قادرًا على توقع هذه الأنواع من المشاكل ، ومنعها من التداعيات السلبية على تصميم ثنائي الفينيل متعدد الكلور.
أنواع إمدادات الطاقة AC / DC
عندما يتعين على المصمم اختيار مصدر طاقة التيار المتردد / التيار المستمر الذي يناسب متطلبات المشروع ، يجب مراعاة العوامل الرئيسية المختلفة ، بما في ذلك:
- النوع (مخصص أو متكامل): تصميم يعتمد فقط على مكونات منفصلة ، أو على منظمات / محولات متكاملة (IC)
- التكنولوجيا: خطية ، أو تحويلية
- الخصائص الكهربائية: نطاق جهد الإدخال ، نوع جهد الخرج (ثابت أو متغير ، خرج فردي أو متعدد) ، طاقة الإخراج ، الكفاءة ، والمزيد
- الخصائص الميكانيكية: إطار مفتوح أو مغلق ، الحجم ، الوزن ، نظام التبريد ، إلخ.
فيما يتعلق بالنقطة الأولى ، يمكننا القول أنه في كثير من الحالات يكون الحل الأفضل هو استخدام الأجهزة المتكاملة ، والتي تقدم مزايا متنوعة ، بما في ذلك: تبسيط المشروع ، وتقليل قائمة المواد والوقت اللازم للتسويق ، وتوافر إمكانيات الحماية والتشخيص المتكاملة. ومع ذلك ، بالنسبة لبعض التطبيقات ذات الطاقة العالية أو الترددات الراديوية أو المتخصصة ، قد يلزم تصميم يعتمد فقط على أجهزة طاقة منفصلة.
بقدر ما يتعلق الأمر بالتكنولوجيا المستخدمة ، فإن الاختيار بين مصدر الطاقة الخطي أو التبديل (المعروف أيضًا باسم SMPS ، اختصار لـ Switched Mode Power Supply) ، يعتمد على متطلبات التطبيق المحدد.
يمكن اعتبار الخطية أقدم تقنية تحويل ، ولكنها ليست قديمة. على الرغم من أن مصدر طاقة التيار المتردد / التيار المستمر الخطي له بعض العيوب ، مثل الكفاءة المحدودة وما يترتب على ذلك من فقد الطاقة في شكل حرارة ، إلا أنه لا يزال يستخدم بنجاح في التطبيقات حيث الموثوقية العالية ، والضوضاء المنخفضة ، والاسترداد السريع ووقت التفاعل ، والانبعاثات المشعة التي لا تذكر مطلوبة.
يتم تمثيل فئة مهمة من مصادر الطاقة الخطية بواسطة منظمات LDO (Low DropOut). إذا كنت ترغب في زيادة كفاءة LDO ، فيجب عليك تقليل التفاضل بين جهد الدخل والجهد الناتج المنظم. علاوة على ذلك ، يفضل اختيار منظمات ذات مقاومة حرارية منخفضة ، مما يمنعها من ارتفاع درجة حرارتها بسرعة فوق درجة حرارة التشغيل المثلى.
لقد أثبت تحويل إمدادات الطاقة (انظر الشكل 1) وجوده كمعيار مرجعي للتحويل من جهد التيار المتردد إلى التيار المستمر. هذا النوع من التحويل غير خطي ويعمل عادة في حلقة مغلقة ، أي أنه يستخدم إشارة تغذية مرتدة للحفاظ على التنظيم. على الرغم من أن تبديل المنظمين مفضل من وجهة نظر كفاءة وجودة التنظيم ، إلا أن تصميمهم قد يكون معقدًا ، لأنه يتضمن أجهزة متعددة ، بعضها يحتوي على عناصر سلبية كبيرة (المحاثات والمكثفات) ويمكن أن تكون عرضة لمشاكل الضوضاء إذا تم وضعها بشكل غير صحيح.
على الرغم من أنها تتطلب تصميمًا أكثر تعقيدًا ، إلا أن مصادر الطاقة SMPS تضمن مستويات عالية جدًا من الكفاءة ، تتجاوز تلك الخاصة بأفضل مصادر الطاقة الخطية. هذا يسمح بإدارة حرارية أفضل. ومع ذلك ، فإن وجود مكونات التبديل على ترددات عالية ينتج مستويات كبيرة من الضوضاء الكهرومغناطيسية. يؤثر هذا الكهرومغناطيسي على جودة الإشارات الكهربائية ، لدرجة التسبب في أعطال محتملة أو حتى تلف بعض المكونات. لهذا السبب ، تميل التكنولوجيا الخطية إلى أن تكون مفضلة في التطبيقات الطبية الكهربائية وأجهزة المختبر.
التخطيط والتوجيه
في ثنائي الفينيل متعدد الكلور لإمداد الطاقة AC / DC ، يلعب التصميم دورًا أساسيًا ، حيث يؤثر بشكل مباشر على المناعة ضد التداخل الكهرومغناطيسي ، وسلامة الإشارة والطاقة ، وكفاءة إمداد الطاقة ، والإدارة الحرارية ، وكذلك موثوقية الجهاز نفسه.
علاوة على ذلك ، يزيد التصميم الجيد من كفاءة تحويل الطاقة ، ويسحب الحرارة بعيدًا عن المكونات الأكثر سخونة ، ويقلل من مستوى الضوضاء. يعد الحجم المناسب لآثار الموصلية عاملاً حاسمًا في هذا المعنى ، حيث يقلل من كمية الحرارة المتولدة ويزيد من موثوقية ثنائي الفينيل متعدد الكلور تحت أي ظروف تحميل. يمكن أن يتسبب التخطيط غير المناسب في حدوث مشكلات مع التيارات العالية ، أو مع وجود اختلافات كبيرة بين جهد الإدخال والإخراج.
بعض قواعد التوجيه البسيطة والصحيحة هي كما يلي:
- لتوصيل أجهزة الطاقة ، استخدم آثارًا قصيرة ومستقيمة قدر الإمكان
- تجنب إدخال منحنيات أو حواف حادة داخل الآثار ، لأنها يمكن أن تركز المجال الكهربائي في نقاط محددة من ثنائي الفينيل متعدد الكلور
- يجب فصل الآثار ذات الفروق العالية في الجهد بشكل مناسب
- تجنب وضع آثار الجهد العالي في الطبقات الأعمق من ثنائي الفينيل متعدد الكلور. أيضًا ، في الطبقات الداخلية ، من الأفضل زيادة المسافة بين الآثار
- ضع الآثار التي تحمل إشارات معدل بيانات حساسة أو عالية بعيدًا عن تتبعات الطاقة والمنظمين ، خاصةً إذا كانت من نوع التحويل
- في مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور متعددة الطبقات ، يجب وضع الآثار ذات الإشارات الحساسة على طبقات مفصولة بطبقة أرضية (ربما تكون صلبة) من الطبقة التي تحتوي على خطوط الطاقة
- لتجنب اقتران الإشارة ، الذي يمكن أن ينتج عنه ضوضاء أو تداخل ، لا ينبغي أبدًا وضع آثار الإشارة بالتوازي مع آثار القدرة ، التي يتم وضعها على طبقة مميزة. يجب أن تتقاطع آثار الإشارات ، إن أمكن ، مع تتبعات إمداد الطاقة بزاوية 90 درجة لتقليل تأثيرات اقتران الضوضاء (انظر الشكل 2)
- ضع آثار التيار العالي على الطبقات الخارجية. إذا لم يكن ذلك ممكنًا ، فاستخدم فيا لربط طبقات متعددة معًا. بالنسبة للتيارات العالية ، قد يكون من الضروري استخدام عدة فتحات. لاحظ أن بقطر 14 ميل سيسمح بتيارات تصل إلى 2 أمبير ، و 40 ميلًا أو قطرًا أكبر سيسمح بتيارات تصل إلى 5 أمبير.
بالنسبة للمستويات الأرضية ، استخدم مساحات صلبة غير متقطعة أو مضلعات كبيرة. توفر هذه المناطق مسارات منخفضة المقاومة قادرة على تشتيت الضوضاء ويمكنها التعامل مع التيارات عالية العودة. بالإضافة إلى ذلك ، فإنها توفر أيضًا مسارًا للحرارة لتتبدد بعيدًا عن المكونات الحرجة. يمكن أن يساعد وضع مستوى أرضي على أي من الجانبين على امتصاص EMI المشعة ، وتقليل ضوضاء حلقة الأرض والأخطاء.
EMI
تم تصميم محولات التيار المتردد / التيار المستمر لتتوافق مع اللوائح الدقيقة فيما يتعلق بالسلامة والتداخل الكهرومغناطيسي. في هذا الصدد ، قد يلزم إدخال مرشحات EMI مناسبة قادرة على تلبية المتطلبات التي تحددها المعايير.
بعض الإجراءات الممكنة هي كما يلي:
- قم بإجراء اختبار أولي ، بدون مرشحات إضافية ، لتقييم التأثيرات الناتجة عن EMI
- حدد الترددات التي تسبب معظم المشكلات
- العمل على توجيه الآثار ، والحفاظ على خطوط الكهرباء والإشارات الحساسة بعيدًا قدر الإمكان
- القضاء على حلقات الأرض
- كحل أخير ، صمم مرشحًا خارجيًا عن طريق إضافة عناصر استقرائية متسلسلة مع إدخال التيار المتردد لمصدر طاقة التيار المتردد / التيار المستمر.
يعد تكديس ثنائي الفينيل متعدد الكلور في ثنائي الفينيل متعدد الكلور ، الذي يحدده تكوين وترتيب الطبقات داخل ثنائي الفينيل متعدد الكلور ، عاملاً حاسمًا لأداء اللوحة من حيث التوافق الكهرومغناطيسي. في الواقع ، يسمح التكديس المصمم جيدًا بتقليل كل من الإشعاعات المنبعثة من المسارات المغلقة (انبعاثات الوضع التفاضلي) وتلك الناتجة عن الكابلات المتصلة بها (انبعاثات النمط المشترك).
لتوفير ما يكفي من الحماية الكهرومغناطيسية وزيادة المناعة ضد الضوضاء والحديث المتبادل ، فمن الأفضل دائمًا إدخال مستوى أرضي صلب واحد على الأقل في مكدس ثنائي الفينيل متعدد الكلور ، إذا كانت المساحة المتاحة تسمح بذلك. يمكنك تقييد نفسك على الحد الأدنى من المساحة التي تغطي السطح الكامل لمكونات مصدر الطاقة في PCB ، إذا كنت غير قادر على حجز طبقة كاملة بسبب قيود المساحة.
وضع المكونات
المكونات الأولى التي يتم وضعها على ثنائي الفينيل متعدد الكلور هي تلك التي تحمل تيارات عالية ، وبالتالي فهي تلك التي تتطلب آثارًا أوسع.
يجب وضع المكونات التي تشكل مصدر طاقة ثنائي الفينيل متعدد الكلور بالقرب من بعضها البعض قدر الإمكان ويجب أن تكون موجهة بشكل مناسب لتقليل طول التتبع ، مع الأخذ في الاعتبار أن الآثار ذات الصلة يجب أن تكون قصيرة قدر الإمكان.
يجب أيضًا وضع محولات IC في أقرب مكان ممكن من الأجهزة التي توفر خطوط الطاقة إليها ، وذلك بسبب قيود طول التتبع.
يجب أيضًا مراعاة التخفيف الحراري عند وضع المكونات ، مع إعطاء الأولوية للأماكن التي يكون فيها تبريد أجهزة الإمداد بالطاقة كافياً ومثالياً. التوصية هي أن تبدأ بالأجزاء الأساسية من مزود الطاقة ، مثل الدوائر المتكاملة للمحول ، ثم انتقل إلى مكثف الإدخال والمحث ، ثم مكثف الإخراج.
يجب أن تكون الحلقات التي تعبرها تيارات التحويل العالية (أي تلك التي تحتوي على قيم دي / دي تي عالية) ضيقة ومضغوطة قدر الإمكان لتقليل الحث الموزع الذي يمكن أن يتسبب في قمم الجهد. تتمثل إحدى القواعد الأساسية الجيدة في الحفاظ على التوزيع الحالي ومسارات العودة فوق بعضها البعض أو بجوار بعضها البعض ، لتقليل مساحة الحلقات التي تتشكل وتقليل توليد التداخل الكهرومغناطيسي.
يجب وضع مكونات التحكم التناظرية أخيرًا لأنها موفرة للمساحة وتحتاج إلى مسارات رفيعة. تتمثل إحدى طرق التعامل معها في إنشاء مجموعات فرعية حسب الوظيفة وربطها بالمجموعة.
يجب وضع جميع المكونات الضخمة ، مثل MOSFETs ، والمعدلات ، والمكثفات الإلكتروليتية ، والمحثات ، والموصلات على الجانب العلوي من اللوحة ، حتى لا تسقط أو تتحرك أثناء اللحام. يجب أن يحتوي الجانب السفلي من اللوحة فقط على أصغر المكونات التي تتصل باللوحة عن طريق التوتر السطحي ولا تتحرك أثناء عمليات اللحام بالماكينة.
تُستخدم المكثفات الالتفافية ، والمعروفة أيضًا باسم مكثفات الفصل ، لحماية المكونات الأكثر حساسية ، مثل الدوائر المتكاملة والأجهزة المنطقية ، حيث يمكن الخلط بين التذبذب الطفيف لتغير في الحالة المنطقية. يجب توصيل هذه المكثفات بالأرض ووضعها في أقرب مكان ممكن من منافذ طاقة IC.
التشتت الحراري
من المعتاد أن يتم تصميم ثنائي الفينيل متعدد الكلور لإمداد الطاقة لتمكين الإدارة الحرارية المناسبة لأن جميع دوائر إمداد الطاقة تميل إلى إنتاج الحرارة. القاعدة الأولى التي يجب اتباعها هي إبقاء الوصلات قصيرة ومستقيمة قدر الإمكان ، مع فصل المكونات المولدة للحرارة (منظمات IC ، MOSFETs ، إلخ) عن المكونات الحساسة للحرارة.
بعد ذلك ، بالنظر إلى الموصلية الحرارية العالية لهذا المعدن ، قد نفكر في استخدام أوسع لمنطقة النحاس لتوفير مناطق تبديد الحرارة. ستساعد هذه الأقسام المغطاة بالنحاس على توزيع الحرارة بشكل أكثر توازناً عن طريق نقلها من النقاط الساخنة إلى المواقع التي تتميز بنقل أفضل للحرارة ، مما يؤدي في النهاية إلى تحسين تبديد الحرارة.
يعد استخدام الأنابيب الحرارية ومناطق النحاس الصلبة أسفل المكونات الأكثر سخونة طريقة فعالة أخرى لنقل الحرارة بسرعة بعيدًا عن تلك المكونات. الهدف هو منع تكون النقاط الساخنة في اللوح ، مما يسمح للحرارة بالتبدد بسرعة دون الإضرار بالمكونات الأكثر أهمية.
يمكن تقديم استخدام المبددات الحرارية على مكونات الطاقة (انظر الشكل 3) وحلول التبريد النشط في نهاية المطاف ، مثل التهوية القسرية ، إذا كان التصميم غير كافٍ لضمان الإدارة الحرارية الجيدة. تعتمد هذه الخيارات فقط على التطبيق ، مع الأخذ في الاعتبار أنه في بعض المواقف ، عادةً ما تكون مصادر الطاقة التي لا تحتوي على مروحة هي الأفضل لأسباب تتعلق بالموثوقية واحتواء الضوضاء.
