Projekt obwodu zasilania 12V 1a smps na pcb

Każde urządzenie elektroniczne lub produkt wymaga do obsługi niezawodnego zasilacza (PSU). Prawie wszystkie urządzenia w naszym domu, takie jak telewizor, drukarka, odtwarzacz muzyczny itp., Składają się z wbudowanego zasilacza, który przetwarza napięcie sieciowe AC na odpowiedni poziom napięcia DC, aby mogły działać. Najczęściej stosowanym rodzajem obwodu zasilania jest SMPS (Switching Mode Power Supply), tego typu obwody można łatwo znaleźć w adapterze 12V lub ładowarce do telefonu / laptopa. W tym samouczku nauczymy się, jak zbudować obwód SMPS 12vktóry przekształciłby napięcie sieciowe AC na 12V DC z maksymalnym prądem znamionowym 1,25A. Ten obwód może być używany do zasilania małych obciążeń, a nawet może być dostosowany do ładowarki do ładowania akumulatorów kwasowo-ołowiowych i litowych. Jeśli ten obwód zasilania 12 V 15 W nie spełnia twoich wymagań, możesz sprawdzić różne obwody zasilania o różnych wartościach znamionowych.

Obwód zasilacza 12 V - uwagi projektowe

Przed przystąpieniem do projektowania jakiegokolwiek rodzaju zasilacza należy przeprowadzić analizę wymagań w oparciu o środowisko, w którym będzie używany nasz zasilacz. Różne rodzaje zasilaczy działają w różnych środowiskach i przy określonych granicach wejścia-wyjścia.

Specyfikacja wejścia

Zacznijmy od wejścia. Napięcie wejściowe jest pierwszą rzeczą, która zostanie wykorzystana przez SMPS i zostanie przekształcona w użyteczną wartość do zasilania obciążenia. Ponieważ ten projekt jest określony dla konwersji AC-DC, wejście będzie prądem przemiennym (AC). W Indiach napięcie wejściowe prądu przemiennego wynosi 220–230 woltów, aw USA - 110 woltów. Istnieją również inne narody, które używają różnych poziomów napięcia. Generalnie SMPS działa z uniwersalnym napięciem wejściowymzasięg. Oznacza to, że napięcie wejściowe może różnić się od 85 V AC do 265 V AC. SMPS może być używany w każdym kraju i może zapewnić stabilną moc wyjściową przy pełnym obciążeniu, jeśli napięcie mieści się w zakresie 85-265 V AC. SMPS powinien również normalnie działać poniżej częstotliwości 50 Hz i 60 Hz. Z tego powodu możemy korzystać z naszych ładowarek do telefonów i laptopów w każdym kraju.

Specyfikacja wyjściowa

Po stronie wyjściowej kilka obciążeń jest rezystancyjnych, a kilka jest indukcyjnych. W zależności od obciążenia konstrukcja SMPS może być różna. W przypadku tego SMPS obciążenie przyjmuje się jako obciążenie rezystancyjne. Jednak nie ma to jak obciążenie rezystancyjne, każde obciążenie składa się przynajmniej z pewnej ilości indukcyjności i pojemności; tutaj zakłada się, że indukcyjność i pojemność obciążenia są pomijalne.

Specyfikacja wyjściowa SMPS jest wysoce zależna od obciążenia, na przykład od tego, ile napięcia i prądu będzie wymagane przez obciążenie we wszystkich warunkach pracy. Do tego projektu, ZPR może dostarczyć 15W wyjście. Jest to 12 V i 1,25 A. Docelowa marszczyć wyjście jest wybrane jako mniejsze o 30 mV pk-PK 20000 Hz, w paśmie.

Na podstawie obciążenia wyjściowego musimy również zdecydować, czy zaprojektować SMPS o stałym napięciu lub SMPS o stałym prądzie. Stałe napięcie oznacza, że napięcie na obciążeniu będzie stałe, a prąd będzie się zmieniał odpowiednio do zmian rezystancji obciążenia. Z drugiej strony, tryb stałoprądowy pozwoli na utrzymanie stałego prądu, ale zmieni napięcie odpowiednio do zmian rezystancji obciążenia. Ponadto zarówno CV, jak i CC mogą być dostępne w SMPS, ale nie mogą działać w jednym czasie. Jeśli w SMPS istnieją obie opcje, musi istnieć zakres, w którym SMPS zmieni swoją operację wyjściową z CV na CC i odwrotnie. Zwykle ładowarki w trybie CC i CV są używane do ładowania akumulatorów kwasowo-ołowiowych lub litowych.

Funkcje zabezpieczające wejście i wyjście

Istnieją różne obwody zabezpieczające, które można zastosować w SMPS, aby zapewnić bezpieczniejszą i niezawodną pracę. Obwód ochronny chroni SMPS, a także podłączone obciążenie. W zależności od lokalizacji obwód zabezpieczający można podłączyć poprzecznie do wejścia lub w poprzek wyjścia. Najbardziej powszechną ochroną wejścia jest ochrona przed przepięciami i filtry EMI. Ochrona przeciwprzepięciowa chroni zasilacz impulsowy przed przepięciami wejściowymi lub przepięciami AC. Filtr EMI chroni SMPS przed generowaniem EMI na linii wejściowej. W tym projekcie obie funkcje będą dostępne. Zabezpieczenie wyjścia obejmuje zabezpieczenie przed zwarciem, zabezpieczenie nadnapięciowe oraz zabezpieczenie nadprądowe. Ten projekt SMPS będzie również obejmował wszystkie te obwody zabezpieczające.

Wybór układu scalonego zarządzania energią

Każdy obwód SMPS wymaga układu scalonego zarządzania energią, znanego również jako układ przełączający lub układ scalony SMPS lub układ osuszacza. Podsumujmy rozważania projektowe, aby wybrać idealny układ zarządzania energią, który będzie odpowiedni dla naszego projektu. Nasze wymagania projektowe to

Moc wyjściowa 15 W. 12 V 1,25 A z tętnieniem mniejszym niż 30 mV pk-pk przy pełnym obciążeniu.
Uniwersalna ocena wejściowa.
Ochrona przeciwprzepięciowa na wejściu.
Wyjście zwarcia, przepięcia i zabezpieczenie nadprądowe.
Operacje na stałym napięciu.

Spośród powyższych wymagań istnieje szeroka gama układów scalonych do wyboru, ale dla tego projektu wybraliśmy integrację zasilania. Power Integration to firma półprzewodnikowa, która oferuje szeroką gamę układów scalonych sterowników mocy w różnych zakresach mocy wyjściowej. W oparciu o wymagania i dostępność zdecydowaliśmy się na użycie TNY268PN z rodziny małych przełączników II.

Na powyższym obrazku maksymalna moc 15W jest pokazana. Jednak SMPS zrobimy w otwartej ramce i dla uniwersalnej oceny wejściowej. W takim segmencie TNY268PN może zapewnić moc 15 W. Zobaczmy schemat pinów.

Projektowanie obwodu SMPS 12v 1Amp

Najlepszym sposobem na zbudowanie obwodu jest użycie oprogramowania eksperckiego PI integracji Power. Jest to doskonałe oprogramowanie do projektowania zasilaczy. Obwód jest zbudowany przy użyciu układu scalonego Power Integration. Procedura projektowania jest wyjaśniona poniżej, alternatywnie możesz również przewinąć w dół, aby zobaczyć wideo wyjaśniające to samo.

Krok -1: Wybierz Tiny switch II, a także wybierz żądany pakiet. Wybraliśmy pakiet DIP. Wybierz typ obudowy, adapter lub otwartą ramę. Tutaj zaznaczona jest opcja Open Frame.

Następnie wybierz typ opinii. Jest to istotne, ponieważ używana jest topologia Flyback. TL431 to doskonały wybór w przypadku informacji zwrotnych. TL431 jest regulatorem bocznikowym i zapewnia doskonałą ochronę przed przepięciami i dokładne napięcie wyjściowe.

Krok 2: Wybierz zakres napięcia wejściowego. Ponieważ będzie to uniwersalny wejściowy zasilacz impulsowy, napięcie wejściowe jest wybierane jako 85-265 V AC. Częstotliwość linii wynosi 50 Hz.

Krok 3:

Wybierz napięcie wyjściowe, prąd i moc. Ocena SMPS będzie wynosić 12 V 1,25 A. Moc pokazuje 15W. Tryb pracy jest również wybierany jako CV, co oznacza tryb pracy ze stałym napięciem. Na koniec wszystko odbywa się w trzech prostych krokach i generowany jest schemat.

Schemat i wyjaśnienie obwodu SMPS 12V

Poniższy obwód jest nieco zmodyfikowany, aby pasował do naszego projektu.

Zanim przejdziemy od razu do budowy części prototypowej, przyjrzyjmy się schematowi obwodu SMPS 12v i jego działaniu. Obwód składa się z następujących sekcji

Ochrona przed przepięciami wejściowymi i awariami SMPS
Konwersja AC-DC
Filtr PI
Obwód sterownika lub obwód przełączający
Zabezpieczenie przed blokadą podnapięciową.
Obwód zaciskowy
Magnetyczność i izolacja galwaniczna
Filtr EMI
Wtórny prostownik i obwód tłumika
Sekcja filtrów
Sekcja opinii.

Ochrona przed przepięciami wejściowymi i awariami SMPS

Ta sekcja składa się z dwóch komponentów, F1 i RV1. F1 to bezpiecznik zwłoczny 1 A 250 VAC, a RV1 to 7 mm 275 V MOV (warystor metalowo-tlenkowy). Podczas przepięcia wysokiego napięcia (ponad 275 VAC), MOV uległo zwarciu i przepaliło bezpiecznik wejściowy. Jednak ze względu na funkcję powolnego przepalania bezpiecznik wytrzymuje prąd rozruchowy przepływający przez SMPS.

Konwersja AC-DC

Ta sekcja jest zarządzana przez mostek diodowy. Te cztery diody (wewnątrz DB107) tworzą pełny mostek prostowniczy. Diody to 1N4006, ale standardowe 1N4007 mogą wykonać zadanie doskonale. W tym projekcie te cztery diody zastąpiono prostownikiem z pełnym mostkiem DB107.

Filtr PI

Różne stany mają różne standardy odrzucania EMI. Ten projekt potwierdza normę EN61000-Class 3, a filtr PI został zaprojektowany w taki sposób, aby zmniejszyć tłumienie EMI w trybie wspólnym. Ta sekcja jest tworzona przy użyciu C1, C2 i L1. C1 i C2 to kondensatory 400V 18uF. Jest to wartość nieparzysta, więc do tej aplikacji wybrano 22uF 400V. L1 jest dławikiem w trybie wspólnym, który pobiera różnicowy sygnał EMI, aby anulować oba.

Obwód sterownika lub obwód przełączający

To jest serce SMPS. Strona pierwotna transformatora jest sterowana przez obwód przełączający TNY268PN. Częstotliwość przełączania wynosi 120-132 kHz. Ze względu na tę wysoką częstotliwość przełączania można stosować mniejsze transformatory. Obwód przełączający ma dwa elementy, U1 i C3. U1 jest głównym sterownikiem IC TNY268PN. C3 to kondensator obejściowy, który jest potrzebny do pracy naszego układu scalonego sterownika.

Ochrona przed blokadą podnapięciową

Zabezpieczenie przed blokadą podnapięciową jest realizowane przez rezystor czujnikowy R1 i R2. Jest używany, gdy SMPS przechodzi w tryb automatycznego restartu i wyczuwa napięcie sieciowe.

Obwód zaciskowy

D1 i D2 to obwód cęgowy. D1 to dioda TVS, a D2 to ultraszybka dioda przywracania. Transformator działa jako ogromna cewka indukcyjna w sterowniku mocy IC TNY268PN. Dlatego podczas cyklu wyłączania transformator wytwarza wysokie skoki napięcia ze względu na indukcyjność rozproszenia transformatora. Te skoki napięcia o wysokiej częstotliwości są tłumione przez zacisk diody na transformatorze. Wybrano UF4007 ze względu na ultraszybkie przywracanie, a do działania TVS wybrano P6KE200A.

Magnetyczność i izolacja galwaniczna

Transformator jest transformatorem ferromagnetycznym i nie tylko przekształca wysokie napięcie AC na niskie napięcie AC, ale także zapewnia izolację galwaniczną.

Filtr EMI

Filtrowanie EMI jest wykonywane przez kondensator C4. Zwiększa odporność obwodu, zmniejszając wysokie zakłócenia EMI.

Wtórny prostownik i obwód tłumika

Sygnał wyjściowy z transformatora jest prostowany i konwertowany na prąd stały za pomocą D6, diody prostowniczej Schottky'ego. Obwód tłumiący na D6 zapewnia tłumienie przejściowego napięcia podczas operacji przełączania. Obwód tłumika składa się z jednego rezystora i jednego kondensatora, R3 i C5.

Sekcja filtrów

Sekcja filtrująca składa się z kondensatora filtrującego C6. Jest to kondensator o niskiej wartości ESR dla lepszego tłumienia tętnień. Ponadto filtr LC wykorzystujący L2 i C7 zapewnia lepsze tłumienie tętnień na wyjściu.

Sekcja opinii

Napięcie wyjściowe jest wykrywane przez U3 TL431 oraz R6 i R7. Po wykryciu linii U2 transoptor jest sterowany i galwanicznie izoluje wtórną część wykrywającą sprzężenie zwrotne ze sterownikiem po stronie pierwotnej. Transoptor ma wewnątrz tranzystor i diodę LED. Poprzez sterowanie diodą LED tranzystor jest kontrolowany. Ponieważ komunikacja odbywa się optycznie, nie ma bezpośredniego połączenia elektrycznego, dzięki czemu spełnia również izolację galwaniczną w obwodzie sprzężenia zwrotnego.

Teraz, gdy dioda LED bezpośrednio steruje tranzystorem, zapewniając wystarczające obciążenie na diodzie LED transoptora, można sterować tranzystorem transoptora, a dokładniej obwodem sterownika. Ten system sterowania jest używany przez TL431, ponieważ regulator bocznikowy ma dzielnik rezystora na swoim pinie odniesienia, może sterować diodą transoptora, która jest podłączona do niego. Kołek zwrotnego ma napięcie odniesienia 2,5V. Dlatego TL431 może być aktywny tylko wtedy, gdy napięcie na dzielniku jest wystarczające. W naszym przypadku dzielnik napięcia ustawiony na wartość 12V. Dlatego, gdy wyjście osiągnie 12 V, TL431 otrzymuje 2,5 V na pinie odniesienia, a tym samym aktywuje diodę LED transoptora, która steruje tranzystorem transoptora i pośrednio steruje TNY268PN. Jeśli napięcie na wyjściu jest niewystarczające, cykl przełączania jest natychmiast zawieszany.

Najpierw TNY268PN aktywuje pierwszy cykl przełączania, a następnie wyczuwa pin EN. Jeśli wszystko jest w porządku, przełączanie będzie kontynuowane, jeśli nie, czasami spróbuje ponownie. Ta pętla jest kontynuowana, aż wszystko wróci do normy, zapobiegając w ten sposób problemom ze zwarciami lub przepięciami. Dlatego nazywa się to topologią flyback, ponieważ napięcie wyjściowe jest przesyłane z powrotem do sterownika w celu wykrycia powiązanych operacji. Ponadto pętla próbująca nazywana jest trybem czkawki działania w warunkach awarii.

D3 to dioda barierowa Schottky'ego. Ta dioda przekształca wyjście prądu przemiennego o wysokiej częstotliwości na prąd stały. Aby zapewnić niezawodne działanie, wybrano diodę Schottky'ego 3A 60V. R4 i R5 są wybierane i obliczane przez eksperta PI. Tworzy dzielnik napięcia i przekazuje prąd do diody LED transoptora z TL431.

R6 i R7 to prosty dzielnik napięcia obliczony według wzoru TL431 Napięcie REF = (Vout x R7) / R6 + R7. Napięcie odniesienia wynosi 2,5 V, a Vout wynosi 12 V. Wybierając wartość R6 23,7k, R7 stał się w przybliżeniu 9,09k.

Wykonanie PCB dla obwodu SMPS 12v 1A

Teraz, gdy rozumiemy, jak działają schematy, możemy przystąpić do tworzenia PCB dla naszego SMPS. Ponieważ jest to obwód SMPS, zalecana jest płytka drukowana, ponieważ może rozwiązać problem z szumami i izolacją. Układ PCB dla powyższego obwodu jest również dostępny do pobrania jako Gerber z linku

Pobierz plik Gerber dla obwodu SMPS 15W

Teraz, gdy nasz projekt jest gotowy, nadszedł czas, aby wykonać je przy użyciu pliku Gerber. Wykonanie PCB jest dość łatwe, po prostu wykonaj poniższe czynności

Krok 1: Wejdź na www.pcbgogo.com, zarejestruj się, jeśli to Twój pierwszy raz. Następnie w zakładce PCB Prototyp wprowadź wymiary swojej płytki PCB, liczbę warstw i liczbę potrzebnych PCB. Zakładając, że PCB ma wymiary 80 cm × 80 cm, możesz ustawić wymiary tak, jak pokazano poniżej.

Krok 2: Kontynuuj, klikając przycisk Cytuj teraz . Zostaniesz przeniesiony na stronę, na której możesz ustawić kilka dodatkowych parametrów, jeśli to konieczne, takich jak zastosowany materiał, rozstaw ścieżek itp. Ale głównie wartości domyślne będą działać dobrze. Jedyne, co musimy tutaj wziąć pod uwagę, to cena i czas. Jak widać, czas budowy wynosi tylko 2-3 dni i kosztuje tylko 5 USD dla naszego PSB. Następnie możesz wybrać preferowaną metodę wysyłki w oparciu o swoje wymagania.

Krok 3: Ostatnim krokiem jest załadowanie pliku Gerber i kontynuacja płatności. Aby upewnić się, że proces przebiega bezproblemowo, PCBGOGO sprawdza, czy Twój plik Gerber jest ważny przed przystąpieniem do płatności. W ten sposób możesz mieć pewność, że Twoja płytka drukowana jest przyjazna dla produkcji i dotrze do Ciebie zgodnie z zaangażowaniem.

Montaż PCB

Po zamówieniu płytki dotarła do mnie po kilku dniach, choć kurier w ładnie oznaczonym, dobrze zapakowanym pudełku i jak zawsze jakość PCB była niesamowita. PCB, które otrzymałem, pokazuję poniżej

Włączyłem lutownicę i przystąpiłem do montażu płytki. Ponieważ Footprinty, podkładki, przelotki i sitodruk są idealnie dopasowane do kształtu i rozmiaru, nie miałem problemu z montażem płytki. Poniżej pokazano moją płytkę PCB zamocowaną do imadła lutowniczego.

Zakup komponentów

Wszystkie komponenty tego obwodu SMPS 12v 15w są zamawiane zgodnie ze schematem. Szczegółowe zestawienie komponentów można znaleźć w poniższym pliku Excel do pobrania.

Projekt SMPS 15W - zestawienie materiałów

Prawie wszystkie komponenty są łatwo dostępne i gotowe do użycia. Możesz mieć problem ze znalezieniem odpowiedniego transformatora do tego projektu. Zwykle transformator typu flyback z przełączaniem obwodu SMPS nie jest dostępny bezpośrednio od dostawców, w większości przypadków konieczne jest uzwojenie własnego transformatora, jeśli potrzebne są wydajne wyniki. Jednak można również użyć podobnego transformatora typu flyback, a obwód będzie nadal działał. Idealną specyfikację dla naszego transformatora zapewni oprogramowanie PI Expert, którego używaliśmy wcześniej.

Schemat mechaniczny i elektryczny transformatora uzyskany od PI Expert przedstawiono poniżej.

Jeśli nie jesteś w stanie znaleźć odpowiedniego dostawcy, możesz uratować transformator z adaptera 12 V lub innych obwodów SMPS. Alternatywnie możesz również zbudować własny zakup transformatora, korzystając z następujących materiałów i instrukcji uzwojenia.

Po zakupie wszystkich komponentów montaż powinien być łatwy. Możesz użyć pliku Gerber i BOM w celach informacyjnych i zmontować płytkę PCB. Po zakończeniu moja przednia i tylna strona PCB wyglądają mniej więcej tak

Testowanie naszego obwodu SMPS 15W

Teraz, gdy nasz tor jest gotowy, czas go wypróbować. Podłączymy płytkę do naszej sieci AC przez VARIAC i załadujemy stronę wyjściową maszyną obciążającą i zmierzymy napięcie tętnienia, aby sprawdzić wydajność naszego obwodu. Film z pełną procedurą testowania można również znaleźć na końcu tej strony. Poniższy rysunek przedstawia obwód testowany przy napięciu wejściowym AC 230V AC, dla którego otrzymujemy wyjście 12,08V

Pomiar napięcia tętnienia za pomocą oscyloskopu

Aby zmierzyć napięcie tętnienia za pomocą oscyloskopu, zmień wejście oscyloskopu na AC ze wzmocnieniem 1x. Następnie podłącz kondensator elektrolityczny o niskiej wartości i kondensator ceramiczny o niskiej wartości, aby wykryć redukcję szumów spowodowanych okablowaniem. Więcej informacji na temat tej procedury można znaleźć na stronie 40 tego dokumentu RDR-295 z Power Integration.

Poniższa migawka została wykonana w stanie bez obciążenia przy napięciu 85 V AC i 230 V AC. Skala jest ustawiona na 10 mV na działkę i jak widać tętnienie wynosi prawie 10 mV pk-pk.

Na wejściu 90 VAC i przy pełnym obciążeniu tętnienie można zobaczyć przy około 20 mV pk-pk

Przy 230 V AC i przy pełnym obciążeniu napięcie tętnienia mierzone jest na poziomie około 30 mV pk-pk, co jest najgorszym scenariuszem

To jest to; w ten sposób możesz zaprojektować swój własny obwód SMPS 12v. Po zrozumieniu działania możesz zmienić schemat obwodu 12v SMPS, aby dopasować go do swoich wymagań dotyczących napięcia i mocy. Mam nadzieję, że zrozumiałeś samouczek i nauczyłeś się czegoś pożytecznego. Jeśli masz jakieś pytania, zostaw je w sekcji komentarzy lub skorzystaj z naszych forów do dyskusji technicznych. Spotkamy się ponownie z innym ciekawym projektem SMPS, do tego czasu się podpisujemy….