Teholähdepiirilevyn suunnittelu akkukäyttöiseen laitteeseen

Abstract

Teholähdepiirilevyn suunnittelu etenkin kooltaan pieneen akkukäyttöiseen laitteeseen on monivaiheinen suunnitteluprosessi. Teholähdetopologioiden valinta levylle määrää heti alkuunsa kuinka vakaata jännitettä levyllä voidaan tuottaa, kuinka suuria tehoja siitä voidaan ottaa, miten paljon häiriöitä levy tuottaa ympäristöönsä ja ennen kaikkea, kun akkukäyttöisestä laitteesta on kysymys, kuinka hyvään hyötysuhteeseen sillä voidaan päästä. Suunnittelun kannalta hakkuriteholähde on teholähdetopologioista vaativin. Tässä työssä paneudutaankin tarkemmin boost-hakkuriteholähteen suunnitteluun. Pelkkä hakkurin komponenttien mitoitus ei takaa teholähteelle parasta mahdollista toimintaa, vaan myös piirilevysuunnittelulla on suuri merkitys. Akkukäyttöisen laitteen teholähdepiirilevyn suunnittelu ei rajoitu yksinomaan teholähteiden suunnitteluun vaan levy sisältää usein myös muuta oheiselektroniikkaa, yleensä ainakin laitteen käynnistyselektroniikan sekä akun latausjärjestelmän. Etenkin akun latausjärjestelmän suunnittelu saattaa muodostua hyvinkin monimutkaiseksi tehtäväksi. Tässä työssä onkin tutkittu muutaman yleisimmän akkutyypin latausmenetelmiä. Työssä suunnitellaan myös käytännössä teholähdepiirilevy akkukäyttöiseen mittalaitteeseen. Levyn toimintaa tutkitaan erinäisin mittauksin, joilla pyritään selvittämään levyn heikkoudet. Näiden heikkouksien pohjalta levystä suunnitellaan paranneltu versio. Tällekin levylle tehdään samat mittaukset kuin edelliselle versiolle, joista selviää parannusten onnistuminen.

Designing a power supply circuit board especially for a small battery operated device is a multi-stage design project. The first step in design is to choose power supply topologies for the board. The selection determines how steady voltage the board can generate, what is its output power capability, how much noise it generates and above all how good efficiency is possible to achieve. The most difficult power supply topologies to design are switching mode power supplies. In this paper the boost-converter design is examined more closely. To ensure the best performance for the power supply, the proper component selection is not enough. The proper board layout design is really important also. The power supply circuit board in the battery operated device contains more that just power supplies. There are usually at least start-up electronics for the device and battery charger electronics. In particularly the battery charger design might be complicated task. The charging methods for the most common batteries are introduced in this paper. In the study there was designed the power supply circuit board for the battery operated measuring instrument. The boards weak spots were searched with some measurements and the new more better circuit board was designed. Same measurements were performed to this board also, which shows the improvements of the new board compared to the first version of the board.