[ 電路設計軟體Multisim Blue ] 設計一個簡易電源供應器

我們購買小電壓、電流的電子產品時,電子產品的電源線常常使用USB線,累積下來有好多的USB線,希望將這些USB線常常使用USB線,作為我們電子小專題的可插拔式電源。

作者/攝影   豐智
時間   2-3小時
成本 約200元
難度   * * *
材料表
  • 保險絲*1 (連結
  • 保險絲座*1(連結
  • 端子台*1(連結
  • USB-Type B接頭*1(連結
  • 100uF電容*1

今天跟大家分享的作品,電源供應器,平常實驗的時候、或者做電子作品的時候需要外接電源,我們來分享這個模組,大家做各式各樣的作品時,也可以這篇文章了解電源基本要用的功能

我們購買小電壓電流的電子產品時,常常使用USB線作為電子產品的電源線,累積下來有好多好多的USB線,希望夠再次利用這些USB線作為我們電子小專題的電源

 

我們常常拿到的USB線有這機種。USB-TypeA、USB-TypeB、USB-TypeC、MiniUSB線、MicroUSB。各位可以依照家裡多餘的線買對應的接頭。

 

我們設計電源供應器希望能夠

  • 做電子實驗時可以在麵包板上外接電源
  • 作各種小專題把這個模組加上去,用USB線供電

 

這次設計的簡易型電源供應器有幾個注意事項

  • 限制最高電流
  • 超過最高的電壓電流保險
  • 避免忽然插上USB線時,瞬間電壓電流過高
  • 避免忽然拔掉電源,瞬間無供應電
  • 輸入輸出電源的接頭

 

1、限制最高電流

為什麼要限制最高電流?一般電子產品使用的電子元件、晶片,在說明文件裡會告知電子元件/晶片可以使用的電壓電流範圍。一般的電子商城,販賣電子元件時會提供數據手冊(Datasheet)或使用規範,如果你是直接到電子零件店購買,也可以詢問電子零件的廠牌型號,在網路上尋找資料手冊。

以下圖為例,我在網路商城(連結)購買一個MicroUSB接頭,這個接頭的販賣時有相關使用規範,額定電流值為1.8A,如果使用平板電腦的電源供應器(2A~3A),超過該電子元件的額定電流,使用時極有可能發生電子元件燒壞等狀況。

1、 網路購買電子元件,使用規範

2、點擊Datasheet檢查資料手冊的使用規範

2、超過最高的電流保險

Step1:選擇保險絲

設計的人會注意自己做品使用時的注意事項,但天有不測風雲,自己也會有忘記、或者其他人使用時不小心接上超過額定電流的電源供應器,這時候可以使用保險絲,超過電流值的時候,保險絲會先燒斷,讓電路變成一個斷掉的迴路,避免波及其他的電子元件。最近很流行的Arduino開發板,相關的感測器模組、電子晶片大多額定電流在1A,故我們這裡選用1A的保險絲。

為了可以依照不同使用狀況,限定最高電流,我們這裡使用可拆拔的玻璃管保險絲。

3、 1A的玻璃管保險絲-資料連結

 

Step2:接著在MultiSIM BLUE選擇1A保險絲

1、首先選擇[Place]→[Component]

接著選[Mouser Database]→[Power]→[FUSE_Cylindrical_Littelfuse_Cartridge_213]→[1A]

2、這裡使用[Mouser Database]資料庫,它的特徵可以透過右下角的[Hyperlink]點選網址,觀看實際對應的電子零件資料手冊、使用規範、價格、庫存等資訊,這個保險絲的實際長度是20mm。

4、 在軟體中選擇1A保險絲

5、 對應的實體保險絲

 

Step3:選擇保險絲座兩個

選擇[Place]→[Component]

接著選[Mouser Database]→[Power]→[FUSE_Holder_Littelfuse_Clip]→[01110512Z]

6、 在軟體中選擇保險絲座

7、對應的實體保險絲座

3、4、避免忽然插上USB線時,瞬間電壓電流過高,忽然拔掉電源,瞬間無供應電

各位可以嘗試使用:RC充放電路,RC指的是電阻(Resistor)與電容(Capacitor)。

 

充電:

如下圖,當電源供應器另一方接上馬達,接上5V1A的USB線(VCC1)的瞬間,不僅會供電給馬達,同時會分散電流到電阻與電容,當電容充飽電之後,電容會相當於無限大的電阻值,所有的電壓電流都會使用在馬達上。

充電的時間會是多長呢?這次選擇的電阻是1K歐姆=1000歐姆,電解電容16V,100uF(微法拉)=0.0001F(法拉),充電時間的公式T=RC,充電所需時間為0.1秒,想降低充電時間可以降低電阻或降低電容容量喔。

8、 充電電路

 

放電:

我們拔開5V1A的USB線之後,電容儲存的電荷會供給馬達轉動,直到電容儲存的電用完。

9、放電電路

 

Step1:選擇電容

選擇[Place]→[Component]

接著選[Master Database]→[CAP_ELECTROLIT]→[100uF]→[IPC-2221A/2222/CAPPR200-500X1100]

 

10、選擇100uF電容

 

Step2:選擇電阻

選擇[Place]→[Component]

接著選[Master Database]→[RESISTOR]→[1K]→[IPC-2221A/2222/RES900-300X200]

11、選擇1K電阻

 

5、輸入輸出電源的接頭

這次輸入電源的USB線選用最近很流行的ArduinoUNO USB接頭,USB Type-B接頭。

12、實體USB Type-B接頭

 

這次輸出電源選用端子台,這種端子台底部有2個針腳(Pin),圖片上方有螺絲孔,使用螺絲起子鬆開螺絲後,中間的固定座便會鬆開,鎖緊螺絲中間的固定座則會鎖緊。

13、實體端子台

14、使用螺絲鎖緊/放開端子台

 

Step1:尋找替代的USB針腳

在軟體USB Type-B接頭目前沒有Component,我們以2X2的排針替代USB Type-B腳位

選擇[Place]→[Component]

接著選[Mouser Database]→[Connectors]→[HEADER_PIN_Double_Row_TE_Connectivity]→[102973-2]

15、 取代USB Type-B選擇2X2接頭

 

Step2:更改USB針腳名稱

1、為了方便識別USB Type-B的5V與GND,點擊剛剛的2X2接頭,點選右鍵選擇[Properties]→[Label]→更改[RefDes]名稱為USB Type B。

2、接著更改[RefDes]名稱為1 is GND 2 is 5V

16、 更改標籤名稱

17、取代USB Type-B的5V、GND

 

3、接著顯示每隻腳位的編號,選擇[Display]→[Use component specific visibility settings]→勾選[Show footprint pin names]

18、 顯示腳位號碼

19、 完成圖示

 

Step3:新增端子台並修改端子台名稱

選擇[Place]→[Component]

接著選[Mouser Database]→[Connectors]→[CONN_SCREW_TERM_Phoenix_Contact]→[1715721]

20、新增兩個針腳的端子台

點擊剛剛的端子台,點選右鍵選擇[Properties]→[Label]→更改[RefDes]名稱為Terminal Block。

21、 更改端子台名稱

 

Step4:新增VCC、GND

1、選擇[Place]→[Component]

接著選[MasterDatabase]→[All families]→搜尋[VCC]

2、接著選[MasterDatabase]→[All families]→搜尋[Ground]

3、完成後所有的電子元件如下圖:

22、 總共使用的電子零件

 

Step5:接出RC 充放電路

根據剛剛說明的RC充放電路,將思路轉換成USB電源供應器,下圖左方代表USB 接頭,可依個人喜好更換USB接頭的類型。左方則是端子台,你可以透過端子台為各種電子小專題供應電源。

23、 電源供應器充放電電路圖

 

在MultiSIM BLUE完成的電路圖如下,請大家檢查看看是否一致

24、電源供應器充放電電路圖2

6、使用電路模擬軟體測量端子台電壓

1、在MultiSIM BLUE中有模擬電路的功能,可以對電路測量電壓、電流、訊號波形等測量,這次要模擬端子台(Terminal Block)是否有5V電壓輸出。

2、選擇[Simulate]→[Instruments]→[Multimeter]。

小提醒:在MultiSIM BLUE右方的工具列,也可以電選這些測量工具。

25、 開啟MultiSIM BLUE 模擬功能

3、[Multimeter]相當於電子專題不可或許的小幫手-三用電表,可以測量電流、直流電、交流電、電阻值等數值。

26、 使用Multimeter測量

 

4、測量電壓方法與三用電表相同,量測待測物電壓需要與待測物並聯,請從[XMM1]拉線與端子台進行並聯。

27 將Multimeter與端子台接線並聯

5、選擇[Simulate]→[Run](或點擊F5,或點擊軟體上方工具列快捷鍵)即可執行模擬,對[XMM1]點擊兩次後,畫面會顯示量測到的電壓值,若沒有量測到5V電壓,請檢查電路是否問題。

28 量測端子台電壓

 

將電路圖的資料轉換成電路板

在MultisimBlue上繪製完電路圖之後,我們將電路圖轉換成PCB繪圖軟體檔案。

點選[Transfer]→ [Transfer to Ultiboard]→[Transfer to Ultiboard Component Evaluator14.0]

29、電路圖轉電路板

轉換完成後,MultisimBlue會幫助我們開啟PCB軟體:[Ultibaord Component Evaluator Mouser Electronic Edition],電路圖電子元件間的接線,在PCB軟體會將轉換成預拉線,如下圖。

30電路板與預拉線

 

進行電路板布局

Step1將電子元件移至左下角,整理線路

請將電子元件全部移到左下角,靠近左下角的原點,我們可以使用[Ctrl+R]對電子元件旋轉,盡量建少每條線之間互相交叉,重疊。USB Type B線的接頭、負責輸出電壓電流的端子台,盡量靠近邊界,沒有其他電子元件阻擋。

31 移至左下角的原點並整理元件

 

Step2設定玻璃管保險絲距離

下圖是玻璃管保險絲加上兩個保險絲座,本次選用的玻璃管保險絲長度為20mm,可以使用軟體上方、左方的刻度表量測,保持兩個保險絲座的距離為20mm,也留17~20mm給USB接頭。

33、保險絲座與USB接頭距離

 

Step3使用資料手冊設定USB Type B距離

參考我們購買的接頭廠商與型號下載資料手冊-連結,下圖是USB Type B的資料手冊,我們可以透過手冊了解USB接頭的尺寸資料

34、 下載資料手冊

 

根據下圖的USB接頭俯視、側視圖片,我們得知USB接頭總長為16.5mm,有四隻針腳與左右兩個大腳座,你可以決定如何移動腳座,腳座左側有10.28mm的空間,也可以讓USB接頭超過一半的空間暴露在電路板之外。(以下資料圖片源自貿澤電子商城)

35、 USB接頭俯視尺寸

36、 USB接頭側視尺寸

37、 USB接頭前視尺寸

38、 USB接頭底座針腳尺寸

這裡設計USB接頭前後長度留18mm,左右寬度留下20mm。如有興趣,也可以為左右兩方的大腳座設定焊接的孔位,做為固定USB腳座的支點喔。

39、 USB接頭長寬設定

 

Step4、編輯Board Outline

1、將滑鼠移至左方的[Design Toolbox]工具列對[Board Outline]點擊兩次,可以對黃色線的板框刪除、縮小放大。

40、Board Outline

2、在軟體上方的點選[Edit]→[Selection filter]→[Enable selecting other objects],可以編輯電子元件以外的物件

41、編輯電子元件以外的物件

 

Step5、更改電子元件的位置

1、安排完電子元件後,可以點選[View 3D],觀看電子元件的3D顯示圖。

42、View3D

2、安排電子元件時,可以把電子元件更換到另外一面,我們稱電路板正面為[Copper Top]、背面為[Copper Bottom] ,你也可以選擇每一面代表的顏色。(Top預設為綠色、Bottom預設為紅色),請將所有的線路、焊接孔位在一面、電子元件在另一面。

43、選擇Copper Top

44、更換電子元件板面位置

45、電路板布局3D圖

 

進行電路板布線

Step1、使用自動布線

選擇右上方的[Start/resume autorouter]或使用快捷鍵(Ctrl + Shift + 8)進行自動布線

46、自動布線

 

Step2、整理布線

這次的作品比較容易,整理布線時首先注意兩點,可以避免走線路徑產生一些不必要的電池輻射(1)線需要轉彎時,轉彎角度應該大於90度(2)轉彎需要再轉彎時,應多走一些距離再轉彎。

47、整理布線

 

Step3 設定走線的路徑

電源供應的電流越高,走線的線寬需要越寬,一般在攝氏35度的狀況下,1A的電流線寬至少要大於0.2mm、2A至少大於0.3mm、3A至少大於1mm。

A、選擇想加寬的走線後滑鼠右鍵,點選[Properties],出現下圖的[Trace Properties]。

B、選擇[General]→到[Measurements]將寬度[Width]調整為2mm。

48、設定走線路徑寬度

49、5V路徑加寬度

 

Step4 設定Dril與PAD

為了使焊接更容易,鑽頭的鑽孔點正確,請依照下列步驟。

1、點選[PAD],左上方選項可以選擇PAD的形狀,為了焊接方便,我們要把PAD的面積變大,但不能碰到相鄰的PAD的或走線。

A、選擇形狀Shape:

選擇[Rectangle]→設定長度[Length]為1.5mm或2mm。

B、選擇大小Size:

選擇[Pad diameter]→設定直徑為2mm或4mm。

C、選擇鑽孔大小Hole:

選擇[Dril diameter]→設定直徑為1.2mm。鑽孔大小請依照使用者的鑽刀大小做設定。

50、設定Dril與PAD

 

3、PAD與Dril設定後的參考圖片

51、設定合適的Dril與PAD

Step4 Power plane

Power plane可以選擇一種線路,大範圍留下銅箔,一般會留給接地面(Ground),與Ground連接的接點會變成與一大片銅箔相連。

選擇[Place]→[Power plane]→Net選項選擇[0]

52、對Ground線路進行Power plane

53、Top板面上的電路

54、Bottom板面上的電路

 

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