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實用筆記 | 詳解電路圖和電路模擬中的電源問題

什麼是電源?

電源就是任何可為電路供電的設備。但是電源的定義並未恰當解釋其在電路中的常見作用。記得為什麼有兩種電流——交流(AC)和直流(DC)嗎?

AC 和 DC 電源的區別是電力電子學的重要部分。AC 在電路中會轉換方向,用示波器測量時其繪圖成波形(通常為正弦曲線),大多數建築物和家庭都採用 AC 電源。DC 在電路中只沿一個方向行進,繪製出來是直線,為大多數電子電路(如我們設計的 PCB)提供恒壓恒流。AC 和 DC 的不同導致了筆記型電腦與壁裝插座之間存在著笨重的外部電源。

許多電力電子設備都將電力從一種形式轉換成另一種供電路元件安全使用的形式。有時是從牆內的 AC 電流流向電路中的 DC 電流;有時則需要降低電壓以從同一電路板內的高功率元件流入低功率元件。電力電子學中,電力從一種形式轉換成另一種形式的次領域稱為轉換電子學。

圖片源自網路

逆變器 (Inverter):將電流從 DC 轉換為 AC

整流器 (Rectifier):將電流從 AC 轉換為 DC

變壓器 (Transformer):升高或降低 AC 的電壓

轉換器 (Converter):升高或降低 DC 的電壓

請注意,有時「轉換器」一詞常指將電流從一種形式轉換為另一種形式的任何設備,無論是 AC 轉換為 DC 還是升壓或降壓。同時,還有一些更為特定的術語,如迴圈換流器,用於將 AC 波形轉換為較低頻率的 AC 波形。如果我們想對電流進行特殊處理,則很有可能尋找到一個專用元件。

電路圖中的電源

如果我們想設計一個電源的話,從哪裡開始呢?電氣電路圖通常是一個良好的開端:這是一個帶符號的電路圖,說明了電路中的各種元件應該如何連接。現階段尚不必擔心物理封裝、尺寸或材料,目前涉及的是電壓、電流、電阻和電容,以及創建網表,使其按照我們期望的方式運行。

在電路圖編輯器中,我們可以創建平面靜態設計或智慧階層式設計。以下是使用 OrCAD® Capture 創建的電路圖示例:

可以發現,有的電路圖非常複雜。有時並不能將整個電路圖放在同一頁面。傳統的電路圖繪製方法是平面圖方法,它將一個大圖分割成多個頁面,並利用頁外連接器來追蹤頁面之間的連接。更為先進的方法則是採用階層式設計法,設計人員透過點擊系統方塊符號便能展開更為詳細的電路圖。在電源設計中,我們需要熟悉與電力電子相關的元件符號(例如:Vcc 為電壓源)。

電路模擬中的電源

一旦透過電路圖輸入工具繪製了一個電路,我們便需要測試電路設計和電源電子器件的可行性。過去,我們可能不得不使用試驗電路板和實驗室裡現有的物理元件來進行原型設計。這個過程大量耗時,十分不適用於複雜設計。

現在,透過使用 EDA 軟體的電路模擬功能,我們可以進入無限器件擴展庫來對設計進行測試。下面簡要概述了如 PSpice 等電路模擬器的作用,同時, PSpice 可以很好地整合在 OrCAD Capture 的工具列中:

混合訊號模擬

系統級分析

高功率與低功率

電氣和機械系統協同模擬

器件可靠性和設計良率

現代化 EDA 軟體簡化了 PCB 設計過程的每一步, 善用 Cadence 的 PCB 設計和分析工具將幫助您更輕鬆實現 PCB 設計。

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譯文授權轉載出處 (映陽科技協同校閱)

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