12V 1a smps дизайн на веригата за захранване на печатни платки

Всяко електронно устройство или продукт изисква надежден захранващ блок (PSU), за да го управлява. Почти всички устройства в нашия дом, като телевизор, принтер, музикален плейър и др., Се състоят от вграден в него захранващ блок, който преобразува мрежовото напрежение в подходящо ниво на постояннотоковото напрежение, за да работят. Най-често използваният тип захранваща верига е SMPS (захранване с превключващ режим), можете лесно да намерите този тип вериги във вашия 12V адаптер или зарядно устройство за мобилен / лаптоп. В този урок ще научим как да изградим 12v SMPS веригакоето би преобразувало AC захранващата мощност в 12V DC с максимален ток от 1,25A. Тази схема може да се използва за захранване на малки товари или дори да се адаптира в зарядно устройство, за да ви зарежда оловни и литиеви батерии. Ако тази 12v 15watt захранваща верига не отговаря на вашите изисквания, можете да проверите различни вериги за захранване с различни номинали.

12v SMPS верига - съображения за проектиране

Преди да се пристъпи към какъвто и да е вид захранване, трябва да се направи анализ на изискванията въз основа на средата, в която ще се използва нашето захранване. Различните видове захранвания работят в различни среди и със специфични граници на вход-изход.

Спецификация на входа

Нека започнем с входа. Входното захранващо напрежение е първото нещо, което ще се използва от SMPS и ще се трансформира в полезна стойност за захранване на товара. Тъй като този дизайн е определен за AC-DC преобразуване, входът ще бъде променлив ток (AC). За Индия входният променлив ток се предлага в 220-230 волта, а за САЩ е 110 волта. Има и други държави, които използват различни нива на напрежение. Като цяло SMPS работи с универсално входно напрежениеобхват. Това означава, че входното напрежение може да се различава от 85V AC до 265V AC. SMPS може да се използва във всяка страна и може да осигури стабилен изход на пълно натоварване, ако напрежението е между 85-265V AC. SMPS също трябва да функционира нормално при честота 50Hz и 60Hz. Това е причината, поради която можем да използваме нашите зарядни за телефони и лаптопи във всяка държава.

Спецификация на изхода

От страна на изхода, малко натоварвания са резистивни, малко са индуктивни. В зависимост от товара конструкцията на SMPS може да бъде различна. За този SMPS натоварването се приема като резистивен товар. Въпреки това, няма нищо като резистивен товар, всеки товар се състои поне от някакво количество индуктивност и капацитет; тук се приема, че индуктивността и капацитетът на товара са незначителни.

Спецификацията на изхода на SMPS е силно зависима от натоварването, като например колко напрежение и ток ще са необходими на товара при всички работни условия. За този проект SMPS може да осигури 15W мощност. Той е 12V и 1,25A. Целевата изходна пулсация е избрана като по-малка от 30mV pk-pk при честотна лента 20000 Hz.

Въз основа на изходното натоварване ние също трябва да решим между проектирането на SMPS с постоянно напрежение или SMPS с постоянен ток. Постоянното напрежение означава, че напрежението върху товара ще бъде постоянно и токът ще се промени съответно с промените в съпротивлението на товара. От друга страна, режимът с постоянен ток ще позволи токът да бъде постоянен, но променя напрежението съответно с промените в съпротивлението на натоварване. Също така, както CV, така и CC могат да бъдат достъпни в SMPS, но те не могат да работят за един път. Когато и двете опции съществуват в SMPS, трябва да има диапазон, когато SMPS ще промени изходната си операция от CV на CC и обратно. Обикновено зарядните устройства в режим CC и CV се използват за зареждане на оловни киселини или литиеви батерии.

Функции за защита на входа и изхода

Има различни защитни вериги, които могат да бъдат използвани в SMPS за по-безопасни и надеждни операции. Защитната верига защитава SMPS, както и свързания товар. В зависимост от местоположението, защитната верига може да бъде свързана през входа или през изхода. Най-често срещаната защита на входа е филтър за защита от пренапрежение и EMI. Защитата от пренапрежение предпазва SMPS от входни пренапрежения или пренапрежение на променлив ток. EMI филтърът защитава SMPS от генериране на EMI през входната линия. В този проект ще бъдат налични и двете функции. Изходна защита включва защита от късо съединение, защита от пренапрежение и в сравнение със сегашните защита. Този SMPS дизайн ще включва и всички тези защитни вериги.

Избор на IC за управление на захранването

Всяка SMPS верига изисква IC за управление на захранването, известна също като превключваща IC или SMPS IC или Drier IC. Нека обобщим дизайнерските съображения, за да изберем идеалната интегрална схема за управление на захранването, която ще е подходяща за нашия дизайн. Нашите изисквания за дизайн са

Изходна мощност 15W. 12V 1,25A с по-малко от 30mV pk-pk пулсации при пълно натоварване.
Универсален входен рейтинг.
Защита от пренапрежение на входа.
Изходно късо съединение, защита от пренапрежение и претоварване.
Операции с постоянно напрежение.

От горните изисквания има широка гама от интегрални схеми, от които да избирате, но за този проект ние избрахме Power интеграция. Интеграцията на захранването е полупроводникова компания, която разполага с широк спектър от интегрални схеми на драйвери за мощност в различни диапазони на изходна мощност. Въз основа на изискванията и наличността решихме да използваме TNY268PN от малки фамилии Switch II.

На горното изображение е показана максималната мощност 15W. Ние обаче ще направим SMPS в отворена рамка и за универсалния входен рейтинг. В такъв сегмент TNY268PN може да осигури 15W мощност. Нека видим диаграмата на щифтовете.

Проектиране на 12v 1Amp SMPS схема

Най-добрият начин за изграждане на веригата е да се използва PI експертен софтуер за интеграция на Power. Това е отличен софтуер за проектиране на захранване. Схемата е конструирана с помощта на интегрална схема за интеграция на захранването. Процедурата за проектиране е обяснена по-долу, като алтернатива можете също да превъртите надолу за видеото, обясняващо същото.

Стъпка -1: Изберете Tiny switch II и също така изберете желания пакет. Избрахме пакета DIP. Изберете тип на корпуса, адаптер или отворена рамка. Тук е избрана Open Frame.

След това изберете типа Обратна връзка. От съществено значение е, тъй като се използва Flyback топология. TL431 е отличен избор за обратна връзка. TL431 е шунтов регулатор и ще осигури отлична защита от пренапрежение и точно изходно напрежение.

Стъпка 2: Изберете диапазона на входното напрежение. Тъй като това ще бъде универсален входен SMPS, входното напрежение е избрано като 85-265V AC. Честотата на линията е 50 Hz.

Стъпка 3:

Изберете изходното напрежение, ток и мощност. Рейтингът на SMPS ще бъде 12V 1,25A. Мощността показва 15W. Режимът на работа също е избран като CV, означава режим на работа с постоянно напрежение. И накрая, всичко се прави в три лесни стъпки и се генерира схемата.

12V SMPS електрическа схема и обяснение

Веригата по-долу е леко модифицирана, за да отговаря на нашия проект.

Преди да преминем направо към изграждането на прототипната част, нека разгледаме схемата на 12v SMPS и нейната работа. Веригата има следните раздели

Защита от пренапрежение на входа и SMPS
AC-DC преобразуване
PI филтър
Схема на водача или комутационна верига
Защита от блокиране под напрежение.
Схема на затягане
Магнетика и галванична изолация
EMI филтър
Вторичен токоизправител и снубер верига
Филтърна секция
Раздел за обратна връзка.

Защита от пренапрежение на входа и SMPS

Този раздел се състои от два компонента, F1 и RV1. F1 е 1A 250VAC бавен предпазител, а RV1 е 7 mm 275V MOV (метален оксиден варистор). По време на пренапрежение с високо напрежение (повече от 275VAC), MOV стана кратък и изгасва входния предпазител Въпреки това, поради функцията за бавен удар, предпазителят издържа на пусков ток през SMPS.

AC-DC преобразуване

Този участък се управлява от диодния мост. Тези четири диода (вътре в DB107) правят пълен мостов изправител. Диодите са 1N4006, но стандартният 1N4007 може да свърши перфектно работата. В този проект тези четири диода са заменени с пълен мостов изправител DB107.

PI филтър

Различните състояния имат различен стандарт за отхвърляне на EMI. Този дизайн потвърждава стандарта EN61000-Class 3 и PI филтърът е проектиран по такъв начин, че да намали отхвърлянето на EMI в общия режим. Този раздел е създаден с помощта на C1, C2 и L1. C1 и C2 са кондензатори 400V 18uF. Това е нечетна стойност, така че 22uF 400V е избрано за това приложение. L1 е дросел с общ режим, който приема диференциален EMI сигнал, за да отмени и двете.

Схема на водача или комутационна верига

Това е сърцето на SMPS. Първичната страна на трансформатора се управлява от комутационната верига TNY268PN. Честотата на превключване е 120-132khz. Поради тази висока честота на превключване могат да се използват по-малки трансформатори. Комутационната верига има два компонента, U1 и C3. U1 е основният драйвер IC TNY268PN. C3 е байпасният кондензатор, който е необходим за работата на нашата интегрална схема.

Защита от блокиране под напрежение

Защитата срещу блокиране под напрежение се осъществява от сензорния резистор R1 и R2. Използва се, когато SMPS преминава в режим на автоматично рестартиране и усеща напрежението в линията.

Схема на затягане

D1 и D2 са веригата на скобата. D1 е диодът на TVS, а D2 е ултра бърз диод за възстановяване. Трансформаторът действа на огромен индуктор в силовия драйвер IC TNY268PN. Следователно по време на изключващия цикъл трансформаторът създава пикове с високо напрежение поради индуктивността на изтичане на трансформатора. Тези високочестотни скокове на напрежение се потискат от диодната скоба през трансформатора. UF4007 е избран поради свръхбързото възстановяване и P6KE200A е избран за операцията TVS.

Магнетика и галванична изолация

Трансформаторът е феромагнитен трансформатор и той не само преобразува променливотоковото напрежение с високо напрежение в променливотоково напрежение с ниско напрежение, но също така осигурява галванична изолация.

EMI филтър

EMI филтрирането се извършва от кондензатора С4. Той увеличава имунитета на веригата, за да намали високите EMI смущения.

Вторичен токоизправител и Snubber верига

Изходът от трансформатора се коригира и преобразува в постоянен ток с помощта на D6, диод на токоизправител на Шотки. Снубер веригата на D6 осигурява потискане на преходното напрежение по време на превключващите операции. Snubber веригата се състои от един резистор и един кондензатор, R3 и C5.

Филтърна секция

Филтърната секция се състои от филтриращ кондензатор С6. Това е кондензатор с ниско ESR за по-добро отхвърляне на пулсации. Също така, LC филтър, използващ L2 и C7, осигурява по-добро отхвърляне на пулсации в изхода.

Раздел за обратна връзка

Изходното напрежение се усеща от U3 TL431 и R6 и R7. След засичане на линията, U2, оптрона се управлява и галванично изолира вторичната част на сензора за обратна връзка с основния страничен контролер. Optocoupler има транзистор и LED вътре в него. Чрез управление на светодиода транзисторът се управлява. Тъй като комуникацията се осъществява чрез оптика, тя няма пряка електрическа връзка, поради което удовлетворява и галваничната изолация на веригата за обратна връзка.

Сега, тъй като светодиодът директно управлява транзистора, като осигурява достатъчно пристрастия през светодиода на оптрона, може да се контролира транзисторът на оптрона, по-точно верига на драйвера. Тази система за управление се използва от TL431. Тъй като шунтиращият регулатор има резисторен разделител през референтния си щифт, той може да управлява светодиода на оптрона, който е свързан през него. Пинът за обратна връзка има референтно напрежение 2,5V. Следователно TL431 може да бъде активен само ако напрежението на делителя е достатъчно. В нашия случай делителят на напрежението е настроен на стойност 12V. Следователно, когато изходът достигне 12V, TL431 получава 2,5V през референтния щифт и по този начин активира светодиода на оптрона, който контролира транзистора на оптрона и индиректно управлява TNY268PN. Ако напрежението не е достатъчно на изхода, превключващият цикъл незабавно се спира.

Първо, TNY268PN активира първия цикъл на превключване и след това усеща, че това е EN щифт. Ако всичко е наред, той ще продължи да превключва, ако не, ще опита още веднъж след понякога. Този цикъл продължава, докато всичко се нормализира, като по този начин се предотвратяват проблеми с късо съединение или пренапрежение. Ето защо това се нарича топология на обратното предаване, тъй като изходното напрежение се връща обратно към драйвера за засичане на свързани операции. Също така, опитващият цикъл се нарича режим на хълцане при състояние на повреда.

D3 е бариерен диод на Шотки. Този диод преобразува високочестотния AC изход в DC. 3A 60V Schottky Diode е избран за надеждна работа. R4 и R5 се избират и изчисляват от PI Expert. Той създава делител на напрежението и предава тока към светодиода на оптрона от TL431.

R6 и R7 е прост делител на напрежението, изчислен по формулата TL431 REF напрежение = (Vout x R7) / R6 + R7. Референтното напрежение е 2.5V, а Vout е 12V. Чрез избора на стойността на R6 23.7k, R7 стана приблизително 9.09k.

Изработване на печатни платки за 12v 1A SMPS верига

След като разбрахме как работят схемите, можем да продължим с изграждането на печатната платка за нашите SMPS. Тъй като това е SMPS верига, се препоръчва платка, тъй като тя може да се справи с проблема с шума и изолацията. Оформлението на печатни платки за горната схема също е достъпно за изтегляне като Gerber от връзката

Изтеглете Gerber файл за 15W SMPS верига

Сега, когато нашият дизайн е готов, е време да ги накараме да бъдат изработени с помощта на файла Gerber. За да направите печатната платка е доста лесно, просто следвайте стъпките по-долу

Стъпка 1: Влезте в www.pcbgogo.com, регистрирайте се, ако за първи път. След това в раздела PCB Prototype въведете размерите на вашата PCB, броя на слоевете и броя на PCB, който ви е необходим. Ако приемем, че PCB е 80cm × 80cm, можете да зададете размерите, както е показано по-долу.

Стъпка 2: Продължете, като кликнете върху бутона Quote Now . Ще бъдете отведени на страница, където да зададете няколко допълнителни параметъра, ако е необходимо, като използвания материал на разстоянието между песните и т.н. Но най-вече стойностите по подразбиране ще работят добре. Единственото нещо, което трябва да имаме предвид тук, е цената и времето. Както можете да видите Времето за изграждане е само 2-3 дни и струва само $ 5 за нашия PSB. След това можете да изберете предпочитан метод за доставка въз основа на вашите изисквания.

Стъпка 3: Последната стъпка е да качите файла Gerber и да продължите с плащането. За да се увери, че процесът протича гладко, PCBGOGO проверява дали вашият файл Gerber е валиден, преди да продължи с плащането. По този начин можете да сте сигурни, че вашата PCB е удобна за изработка и ще се свърже с вас като ангажирана.

Сглобяване на печатната платка

След като платката беше поръчана, тя стигна до мен след няколко дни, въпреки че куриер в добре етикетирана добре опакована кутия и както винаги качеството на печатната платка беше страхотно. Получените от мен печатни платки са показани по-долу

Включих поялника си и започнах да сглобявам дъската. Тъй като отпечатъците, подложките, виасите и коприненият екран са идеално с правилната форма и размер, нямах проблем при сглобяването на дъската. Моята PCB, закрепена към запояването, е показана по-долу.

Доставка на компоненти

Всички компоненти за тази 12v 15w SMPS схема са снабдени съгласно схемата. Подробните спецификации могат да бъдат намерени в долния Excel файл за изтегляне.

15W SMPS Design - Bill of Materials

Почти всички компоненти са лесно достъпни за използване от рафта. Може да срещнете проблеми с намирането на подходящия трансформатор за този проект. Обикновено за SMPS верига превключващият трансформатор за обратно връщане не се предлага директно от доставчиците, в повечето случаи трябва да навиете свой собствен трансформатор, ако се нуждаете от ефективни резултати. Освен това е добре да използвате подобен трансформатор за обратна връзка и вашата схема ще продължи да работи. Идеалната спецификация за нашия трансформатор ще бъде предоставена от софтуера PI Expert, който използвахме по-рано.

Механичната и електрическа схема на трансформатора, получена от PI Expert, е показана по-долу.

Ако не можете да намерите точния доставчик, можете да спасите трансформатор от 12V адаптер или други SMPS вериги. Като алтернатива можете също да изградите свой собствен трансформатор, като използвате следните материали и инструкции за навиване.

След като всички компоненти са снабдени, сглобяването им трябва да е лесно. Можете да използвате файла Gerber и спецификацията за справка и сглобили платката на печатни платки. След като свърша, предната и задната страна на печатната платка изглеждат по-долу по следния начин

Тестване на нашата 15W SMPS верига

Сега, когато нашата схема е готова, е време да я вземем за въртене. Ние ще свържем платката към нашите AC мрежи чрез VARIAC и ще заредим изходната страна с товарна машина и ще измерим напрежението на пулсациите, за да проверим работата на нашата верига. Пълно видео за процедурата за тестване можете да намерите и в края на тази страница. Изображението по-долу показва тестваната верига с входно променливо напрежение 230V AC, за което получаваме изход 12.08V

Измерване на пулсационното напрежение с помощта на осцилоскоп

За да измерите пулсационното напрежение с осцилоскоп, променете входа на обхвата на AC с усилване 1x. След това свържете електролитния кондензатор с ниска стойност и керамичния кондензатор с ниска стойност за улавяне на шумопотискания поради окабеляване. Можете да се обърнете към страница 40 на този документ RDR-295 от Power Integration за повече информация относно тази процедура.

Снимката по-долу е направена в състояние на натоварване както при 85VAC, така и при 230VAC. Скалата е настроена на 10mV на деление и както виждате пулсациите са почти 10mV pk-pk.

При вход 90VAC и при пълно натоварване пулсациите могат да се видят при около 20mV pk-pk

При 230VAC и при пълно натоварване пулсациите се измерват при около 30mV pk-pk, което е най-лошият сценарий

Това е; по този начин можете да проектирате своя собствена 12v SMPS верига. След като разберете работата, можете да промените схемата на 12v SMPS схема, за да отговаря на вашите изисквания за напрежение и мощност. Надявам се, че сте разбрали урока и сте се радвали да научите нещо полезно. Ако имате въпроси, оставете ги в раздела за коментари или използвайте форумите ни за технически дискусии. Ще се срещнем отново с друг интересен SMPS дизайн, дотогава подписването…