Proiectare circuit de alimentare 12V 1a smps pe PCB

Fiecare dispozitiv sau produs electronic necesită o unitate de alimentare cu energie fiabilă (PSU) pentru al utiliza. Aproape toate dispozitivele din casa noastră, cum ar fi televizorul, imprimanta, muzica, etc. constau dintr-o unitate de alimentare încorporată, care convertește tensiunea de rețea alternativă la un nivel adecvat de tensiune continuă pentru ca acestea să funcționeze. Cel mai frecvent utilizat tip de circuit de alimentare este SMPS (Switching Mode Power Supply), puteți găsi cu ușurință acest tip de circuite în adaptorul de 12V sau în încărcătorul mobil / laptop. În acest tutorial vom învăța cum să construim un circuit SMPS de 12vcare ar converti alimentarea rețelei CA la 12V DC cu un curent nominal maxim de 1,25A. Acest circuit poate fi utilizat pentru a alimenta sarcini mici sau chiar poate fi adaptat într-un încărcător pentru a vă încărca baterii cu plumb-acid și litiu. Dacă acest circuit de alimentare de 12v 15watt nu corespunde cerințelor dvs., puteți verifica diferite circuite de alimentare cu ratinguri diferite.

Circuit SMV 12v - Considerații de proiectare

Înainte de a continua cu orice tip de proiectare a sursei de alimentare, analiza cerințelor trebuie făcută pe baza mediului în care va fi utilizată sursa noastră de alimentare. Diferite tipuri de surse de alimentare funcționează în medii diferite și cu limite specifice de intrare-ieșire.

Specificații de intrare

Să începem cu intrarea. O tensiune de alimentare de intrare este primul lucru care va fi utilizat de SMPS și va fi transformat într-o valoare utilă pentru alimentarea sarcinii. Deoarece acest design este specificat pentru conversia AC-DC, intrarea va fi curent alternativ (AC). Pentru India, intrarea CA este disponibilă în 220-230 volți, pentru SUA este evaluată pentru 110 volți. Există, de asemenea, alte națiuni care utilizează niveluri de tensiune diferite. În general, SMPS funcționează cu tensiune de intrare universalăgamă. Aceasta înseamnă că tensiunea de intrare poate diferi de la 85V AC la 265V AC. SMPS poate fi utilizat în orice țară și ar putea oferi o ieșire stabilă de sarcină maximă dacă tensiunea este între 85-265V AC. SMPS ar trebui, de asemenea, să funcționeze în mod normal sub frecvența de 50Hz și 60Hz. Acesta este motivul pentru care suntem capabili să folosim încărcătoarele noastre de telefon și laptop în orice țară.

Specificații de ieșire

Pe partea de ieșire, puține sarcini sunt rezistive, puține sunt inductive. În funcție de sarcină, construcția unui SMPS poate fi diferită. Pentru acest SMPS, sarcina este asumată ca o sarcină rezistivă. Cu toate acestea, nu există nimic ca o sarcină rezistivă, fiecare sarcină constă din cel puțin o cantitate de inductanță și capacitate; aici se presupune că inductanța și capacitatea sarcinii sunt neglijabile.

Specificațiile de ieșire ale unui SMPS sunt extrem de fiabile de sarcină, cum ar fi cât de multă tensiune și curent vor fi necesare pentru încărcare în toate condițiile de funcționare. Pentru acest proiect, SMPS ar putea furniza ieșire de 15W. Are 12V și 1.25A. Ondulația de ieșire vizată este selectată ca fiind mai mică cu 30mV pk-pk la o lățime de bandă de 20000 Hz.

Pe baza sarcinii de ieșire, trebuie să decidem și între proiectarea unui SMPS de tensiune constantă sau a unui curent constant SMPS. Tensiune constantă înseamnă că tensiunea peste sarcină va fi constantă și curentul va fi modificat în consecință odată cu modificările rezistenței la sarcină. Pe de altă parte, modul de curent constant va permite curentului să fie constant, dar schimbă tensiunea în consecință cu modificările rezistenței la sarcină. De asemenea, atât CV, cât și CC pot fi disponibile într-un SMPS, dar nu pot funcționa într-o singură dată. Atunci când ambele opțiuni există într-un SMPS, trebuie să existe un interval în care SMPS își va schimba operațiunea de ieșire de la CV la CC și invers. În mod normal, încărcătoarele CC și CV sunt utilizate pentru încărcarea bateriilor cu plumb acid sau litiu.

Caracteristici de protecție pentru intrare și ieșire

Există diferite circuite de protecție care pot fi utilizate pe SMPS pentru operațiuni mai sigure și fiabile. Circuitul de protecție protejează SMPS, precum și sarcina conectată. În funcție de locație, circuitul de protecție poate fi conectat la intrare sau la ieșire. Cea mai comună protecție de intrare este protecția la supratensiune și filtrele EMI. Protecția la supratensiune protejează SMPS de supratensiuni de intrare sau supratensiune de curent alternativ. Filtrul EMI protejează SMPS de generația EMI pe linia de intrare. În acest proiect, ambele caracteristici vor fi disponibile. Protecția de ieșire include protecție împotriva scurtcircuitului, protecție la supratensiune și protecție la supracurent. Acest design SMPS va include, de asemenea, toate aceste circuite de protecție.

Selectarea IC-ului de gestionare a energiei

Fiecare circuit SMPS necesită un IC de gestionare a energiei, cunoscut și sub numele de IC de comutare sau IC SMPS sau IC mai uscat. Să rezumăm considerațiile de proiectare pentru a selecta IC-ul ideal de gestionare a energiei care va fi potrivit pentru proiectarea noastră. Cerințele noastre de proiectare sunt

1. Iesire 15W. 12V 1.25A cu ondulație pk-pk mai mică de 30mV la încărcare maximă.
2. Rating universal de intrare.
3. Protecție la supratensiune de intrare.
4. Ieșire scurtcircuit, supratensiune și protecție la supracurent.
5. Operații de tensiune constantă.

Din cerințele de mai sus există o gamă largă de circuite integrate din care să selectați, dar pentru acest proiect am selectat integrarea energiei. Integrarea energiei este o companie cu semiconductori care are o gamă largă de circuite integrate pentru driverele de putere în diverse game de putere. Pe baza cerințelor și a disponibilității, am decis să folosim TNY268PN de la familiile mici switch II.

În imaginea de mai sus, este afișată puterea maximă de 15W. Cu toate acestea, vom face SMPS în cadru deschis și pentru ratingul de intrare universal. Într-un astfel de segment, TNY268PN ar putea furniza ieșire de 15W. Să vedem diagrama pin.

Proiectarea circuitului SMPS 12v 1Amp

Cel mai bun mod de a construi circuitul este de a utiliza software-ul expert al integrării Power Power. Este un software excelent pentru proiectarea sursei de alimentare. Circuitul este construit folosind IC de integrare a puterii. Procedura de proiectare este explicată mai jos, de asemenea, puteți defila în jos pentru a explica videoclipul.

Pasul -1: Selectați comutatorul Tiny II și, de asemenea, selectați pachetul dorit. Am selectat pachetul DIP. Selectați tipul de incintă, adaptor sau cadru deschis. Aici este selectat Open Frame.

Apoi selectați tipul de feedback. Este esențial deoarece se folosește topologia Flyback. TL431 este o alegere excelentă pentru feedback. TL431 este un regulator de șunt și va oferi o protecție excelentă la supratensiune și o tensiune de ieșire precisă.

Pasul 2: Selectați domeniul tensiunii de intrare. Deoarece va fi un SMPS de intrare universal, tensiunea de intrare este selectată ca 85-265V AC. Frecvența liniei este de 50 Hz.

Pasul 3:

Selectați tensiunea de ieșire, curentul și puterea. Evaluarea SMPS va fi de 12V 1.25A. Puterea arată 15W. Modul de funcționare este de asemenea selectat ca CV, înseamnă modul de funcționare cu tensiune constantă. În cele din urmă, totul se face în trei pași simpli, iar schema este generată.

Schema și explicația circuitului SMPS de 12V

Circuitul de mai jos este ușor modificat pentru a se potrivi proiectului nostru.

Înainte de a intra direct în construirea piesei prototip, să explorăm schema de circuit SMPS de 12v și funcționarea acesteia. Circuitul are următoarele secțiuni

1. Protecție împotriva supratensiunii de intrare și SMPS
2. Conversie AC-DC
3. Filtru PI
4. Circuitul driverului sau circuitul de comutare
5. Protecție de blocare sub tensiune.
6. Circuit de prindere
7. Magnetică și izolarea galvanică
8. Filtru EMI
9. Redresor secundar și circuit snubber
10. Secțiunea de filtrare
11. Secțiunea de feedback.

Protecție împotriva supratensiunii de intrare și SMPS

Această secțiune este formată din două componente, F1 și RV1. F1 este o siguranță cu suflare lentă 1A 250VAC, iar RV1 este un MOV de 27 mm de 275V (Varistor de oxid de metal). În timpul unei supratensiuni de înaltă tensiune (mai mult de 275VAC), MOV a devenit scurt și aruncă siguranța de intrare. Cu toate acestea, datorită funcției de suflare lentă, siguranța rezistă curentului de intrare prin SMPS.

Conversie AC-DC

Această secțiune este guvernată de puntea diodei. Aceste patru diode (în interiorul DB107) fac un redresor complet. Diodele sunt 1N4006, dar standardul 1N4007 poate face treaba perfect. În acest proiect, aceste patru diode sunt înlocuite cu un redresor cu punte complet DB107.

Filtru PI

Diferite state au standard de respingere EMI diferit. Acest design confirmă standardul EN61000-Clasa 3, iar filtrul PI este proiectat în așa fel încât să reducă respingerea EMI în modul comun. Această secțiune este creată folosind C1, C2 și L1. C1 și C2 sunt condensatori de 400V 18uF. Este o valoare ciudată, astfel încât 22uF 400V este selectat pentru această aplicație. L1 este un sufocator de mod obișnuit care necesită semnal EMI diferențial pentru a le anula pe ambele.

Circuitul driverului sau circuitul de comutare

Este inima unui SMPS. Latura primară a transformatorului este controlată de circuitul de comutare TNY268PN. Frecvența de comutare este de 120-132khz. Datorită acestei frecvențe mari de comutare, pot fi utilizate transformatoare mai mici. Circuitul de comutare are două componente, U1 și C3. U1 este principalul driver IC TNY268PN. C3 este condensatorul de bypass necesar pentru funcționarea driverului IC.

Protecție de blocare sub tensiune

Protecția de blocare sub tensiune se face prin rezistorul de sens R1 și R2. Este utilizat atunci când SMPS intră în modul de repornire automată și detectează tensiunea de linie.

Circuit de prindere

D1 și D2 sunt circuitul de prindere. D1 este dioda TVS și D2 este o diodă de recuperare ultrarapidă. Transformatorul acționează ca un inductor imens pe driverul de putere IC TNY268PN. Prin urmare, în timpul ciclului de oprire, transformatorul creează vârfuri de înaltă tensiune datorită inductanței de scurgere a transformatorului. Aceste vârfuri de tensiune de înaltă frecvență sunt suprimate de clema de diodă peste transformator. UF4007 este selectat datorită recuperării ultra-rapide, iar P6KE200A este selectat pentru operația TVS.

Magnetică și izolarea galvanică

Transformatorul este un transformator feromagnetic și nu numai că transformă tensiunea alternativă de înaltă tensiune într-o tensiune alternativă de joasă tensiune, dar oferă și izolare galvanică.

Filtru EMI

Filtrarea EMI se face prin condensatorul C4. Crește imunitatea circuitului pentru a reduce interferența EMI ridicată.

Redresor secundar și circuit Snubber

Ieșirea din transformator este rectificată și convertită în curent continuu folosind D6, o diodă redresoare Schottky. Circuitul snubber de pe D6 asigură suprimarea tensiunii tranzitorii în timpul operațiilor de comutare. Circuitul snubber constă dintr-un rezistor și un condensator, R3 și C5.

Secțiunea de filtrare

Secțiunea de filtrare constă dintr-un condensator de filtrare C6. Este un condensator ESR scăzut pentru o respingere mai bună. De asemenea, un filtru LC care utilizează L2 și C7 oferă o respingere mai bună a ondulației în ieșire.

Secțiunea de feedback

Tensiunea de ieșire este detectată de U3 TL431 și R6 și R7. După detectarea liniei, U2, optocuplorul este controlat și izolează galvanic porțiunea de detectare a feedback-ului secundar cu controlerul lateral primar. Optocuplorul are în interior un tranzistor și un LED. Prin controlul LED-ului, tranzistorul este controlat. Deoarece comunicarea se face optic, nu are conexiune electrică directă, satisfăcând astfel izolația galvanică și pe circuitul de feedback.

Acum, întrucât LED-ul controlează în mod direct tranzistorul, oferind o polarizare suficientă pe LED-ul optocuplatorului, se poate controla tranzistorul optocuplorului, mai precis circuitul driverului. Acest sistem de control este utilizat de TL431. Deoarece regulatorul de șunt are un divizor de rezistență peste pinul său de referință, poate controla ledul optocuploare care este conectat peste el. Pinul de feedback are o tensiune de referință de 2,5V. Prin urmare, TL431 poate fi activ numai dacă tensiunea pe divizor este suficientă. În cazul nostru, divizorul de tensiune setat la o valoare de 12V. Prin urmare, când ieșirea ajunge la 12V, TL431 primește 2,5V peste pinul de referință și, astfel, activează LED-ul optocuplatorului care controlează tranzistorul optocuplatorului și controlează indirect TNY268PN. Dacă tensiunea nu este suficientă pe ieșire, ciclul de comutare este imediat suspendat.

În primul rând, TNY268PN activează primul ciclu de comutare și apoi detectează pinul EN. Dacă totul este în regulă, va continua schimbarea, dacă nu, va încerca încă o dată după câteodată. Această buclă continuă până când totul devine normal, prevenind astfel problemele de scurtcircuit sau supratensiune. Acesta este motivul pentru care se numește topologie flyback, deoarece tensiunea de ieșire este transportată înapoi la driver pentru detectarea operațiilor conexe. De asemenea, bucla de încercare se numește un mod de operare sughiț în condiția de eșec.

D3 este o diodă de barieră Schottky. Această diodă convertește ieșirea AC de înaltă frecvență într-o curent continuu. 3A Schottky Diode 60V este selectată pentru o funcționare fiabilă. R4 și R5 sunt selectate și calculate de PI Expert. Creează un divizor de tensiune și transmite curentul la LED-ul optocuplator de la TL431.

R6 și R7 este un divizor simplu de tensiune calculat prin formula TL431 REF tensiune = (Vout x R7) / R6 + R7. Tensiunea de referință este de 2,5V, iar Vout este de 12V. Prin selectarea valorii R6 23,7k, R7 a devenit aproximativ 9,09k.

Fabricarea PCB-ului pentru circuit SMPS 12v 1A

Acum că înțelegem cum funcționează schemele, putem continua cu construirea PCB-ului pentru SMPS-ul nostru. Deoarece acesta este un circuit SMPS, este recomandat un PCB, deoarece ar putea face față problemelor de zgomot și izolare. Aspectul PCB pentru circuitul de mai sus este de asemenea disponibil pentru descărcare ca Gerber de pe link

• Descărcați fișierul Gerber pentru circuit SMPS de 15W

Acum, când Designul nostru este gata, este timpul să le fabricăm folosind fișierul Gerber. Pentru a realiza PCB-ul este destul de ușor, pur și simplu urmați pașii de mai jos

Pasul 1: intrați pe www.pcbgogo.com, înscrieți-vă dacă este prima dată. Apoi, în fila Prototip PCB introduceți dimensiunile PCB-ului, numărul de straturi și numărul de PCB de care aveți nevoie. Presupunând că PCB este de 80cm × 80cm, puteți seta dimensiunile așa cum se arată mai jos.

Pasul 2: Continuați făcând clic pe butonul Cotați acum . Veți fi direcționat către o pagină în care să setați câțiva parametri suplimentari, dacă este necesar, cum ar fi materialul utilizat pentru spațierea pistelor etc. Dar, în general, valorile implicite vor funcționa bine. Singurul lucru pe care trebuie să-l luăm în considerare aici este prețul și timpul. După cum puteți vedea, timpul de construire este de numai 2-3 zile și costă doar 5 USD pentru PSB-ul nostru. Apoi puteți selecta o metodă de expediere preferată în funcție de cerința dvs.

Pasul 3: ultimul pas este să încărcați fișierul Gerber și să continuați plata. Pentru a vă asigura că procesul este ușor, PCBGOGO verifică dacă fișierul dvs. Gerber este valid înainte de a continua plata. În acest fel, vă puteți asigura că PCB-ul dvs. este prietenos cu fabricarea și vă va ajunge la fel de angajat.

Asamblarea PCB-ului

După ce placa a fost comandată, a ajuns la mine după câteva zile, deși curierul într-o cutie bine ambalată bine etichetat și ca întotdeauna calitatea PCB-ului a fost minunată. PCB-ul primit de mine este prezentat mai jos

Mi-am pornit tija de lipit și am început să asamblez placa. Deoarece amprentele, tampoanele, via-urile și serigrafia sunt perfect de forma și dimensiunea potrivită, nu am avut probleme la asamblarea plăcii. PCB-ul meu fixat pe menghina de lipit este prezentat mai jos.

Achiziționarea componentelor

Toate componentele acestui circuit SMPS de 12v 15w sunt procurate conform schemei. Detaliul BOM poate fi găsit în fișierul Excel de mai jos pentru descărcare.

• Proiectare SMPS de 15 W - Lista de materiale

Aproape toate componentele sunt disponibile pentru a fi utilizate de pe raft. S-ar putea să găsiți probleme la găsirea transformatorului potrivit pentru acest proiect. În mod normal, pentru un circuit SMPS transformatorul flyback nu este disponibil direct de la furnizori, în majoritatea cazurilor trebuie să vă înfășurați propriul transformator dacă aveți nevoie de rezultate eficiente. Cu toate acestea, este de asemenea în regulă să folosiți un transformator flyback similar și circuitul dvs. va funcționa în continuare. Specificația ideală pentru transformatorul nostru va fi furnizată de software-ul PI Expert pe care l-am folosit anterior.

Schema mecanică și electrică a transformatorului obținută de la PI Expert este prezentată mai jos.

Dacă nu reușiți să găsiți furnizorul potrivit, puteți salva un transformator dintr-un adaptor de 12V sau din alte circuite SMPS. Alternativ, puteți să vă construiți propriul cumpărător de transformator folosind următoarele materiale și instrucțiuni de înfășurare.

Odată achiziționate toate componentele, asamblarea acestora ar trebui să fie ușoară. Puteți utiliza fișierul Gerber și BOM pentru referință și asamblați placa PCB. După ce am terminat PCB-ul, partea din față și partea din spate arată cam așa mai jos

Testarea circuitului nostru SMPS de 15W

Acum, când circuitul nostru este gata, este timpul să îl luăm la întoarcere. Vom conecta placa la rețeaua noastră de curent alternativ printr-un VARIAC și vom încărca partea de ieșire cu o mașină de încărcare și vom măsura tensiunea de ondulare pentru a verifica performanța circuitului nostru. Video complet cu procedura de testare poate fi găsit și la sfârșitul acestei pagini. Imaginea de mai jos arată circuitul testat cu o tensiune de intrare AC de 230V AC pentru care obținem o ieșire de 12,08V

Măsurarea tensiunii de ondulare cu ajutorul osciloscopului

Pentru a măsura tensiunea de ondulare cu osciloscopul, schimbați intrarea scopului la AC cu un câștig de 1x. Apoi conectați un condensator electrolitic de valoare mică și un condensator ceramic de valoare mică pentru a prelua reducerile de zgomot datorate cablurilor. Puteți consulta pagina 40 din acest document RDR-295 din Power Integration pentru mai multe informații despre această procedură.

Instantaneul de mai jos a fost realizat în condiții fără încărcare atât pe 85VAC, cât și pe 230VAC. Scara este setată la 10mV pe divizie și, după cum puteți vedea, ondulația este de aproape 10mV pk-pk.

La intrarea de 90VAC și cu o încărcare completă, ondulația poate fi văzută la aproximativ 20mV pk-pk

În 230VAC și la sarcină completă, tensiunea de ondulare este măsurată la aproximativ 30mV pk-pk, ceea ce este cel mai rău scenariu

Aia este; Acesta este modul în care vă puteți proiecta propriul circuit SMPS de 12v. După ce ați înțeles funcționarea, puteți modifica schema de circuit SMPS de 12v pentru a se potrivi cu cerințele dvs. de tensiune și putere. Sper că ați înțeles tutorialul și v-a plăcut să învățați ceva util. Dacă aveți întrebări, lăsați-le în secțiunea de comentarii sau folosiți forumurile noastre pentru discuții tehnice. Ne vom întâlni din nou cu un alt design SMPS interesant, până atunci semnând…