Návrh napájecího obvodu 12V 1a smps na desce plošných spojů

Každé elektronické zařízení nebo produkt vyžaduje k provozu spolehlivý napájecí zdroj (PSU). Téměř všechna zařízení v naší domácnosti, jako je televize, tiskárna, hudební přehrávač atd., Se skládají z integrovaného napájecího zdroje, který převádí střídavé síťové napětí na vhodnou úroveň stejnosměrného napětí, aby mohly fungovat. Nejběžněji používaným typem napájecího obvodu je SMPS (Switching Mode Power Supply), tento typ obvodů můžete snadno najít ve svém 12V adaptéru nebo nabíječce Mobile / Laptop. V tomto tutoriálu se naučíme, jak vytvořit 12v SMPS obvodkterý by přeměnil síťové napájení na 12V DC s maximálním proudem 1,25A. Tento obvod lze použít k napájení malých zátěží nebo dokonce k přizpůsobení do nabíječky pro nabíjení olověných a lithiových baterií. Pokud tento 12v 15wattový napájecí obvod neodpovídá vašim požadavkům, můžete zkontrolovat různé napájecí obvody s různým hodnocením.

12v SMPS obvod - konstrukční aspekty

Před pokračováním v návrhu jakéhokoli druhu napájecího zdroje je třeba provést analýzu požadavků na základě prostředí, ve kterém bude náš napájecí zdroj používán. Různé druhy napájení fungují v různých prostředích a se specifickými hranicemi vstupu a výstupu.

Specifikace vstupu

Začněme vstupem. Vstupní napájecí napětí je první věcí, kterou SMPS použije a bude transformována na užitečnou hodnotu pro napájení zátěže. Protože je tento design určen pro převod AC-DC, bude na vstupu střídavý proud (AC). Pro Indii je vstupní střídavý proud k dispozici v 220-230 voltech, pro USA je dimenzován na 110 voltů. Existují také jiné národy, které používají různé úrovně napětí. Obecně SMPS pracuje s univerzálním vstupním napětímrozsah. To znamená, že vstupní napětí se může lišit od 85V AC do 265V AC. SMPS lze použít v jakékoli zemi a může poskytovat stabilní výstup při plném zatížení, pokud je napětí mezi 85-265V AC. SMPS by měl také normálně fungovat pod frekvencí 50 Hz a 60 Hz. To je důvod, proč jsme schopni používat naše nabíječky telefonů a notebooků v jakékoli zemi.

Specifikace výstupu

Na výstupní straně je málo zátěží odporové, málo indukčních. V závislosti na zatížení může být konstrukce SMPS odlišná. U tohoto SMPS se zátěž považuje za odporovou zátěž. Neexistuje však nic jako odporová zátěž, každá zátěž se skládá alespoň z nějakého množství indukčnosti a kapacity; zde se předpokládá, že indukčnost a kapacita zátěže jsou zanedbatelné.

Specifikace výstupu SMPS je vysoce závislá na zátěži, jako například kolik napětí a proudu bude vyžadováno zátěží za všech provozních podmínek. Pro tento projekt je SMPS může poskytnout 15W výstup. Je to 12V a 1,25A. Cílené zvlnění výstupu je vybráno jako menší než 30 mV pk-pk při šířce pásma 20 000 Hz.

Na základě výstupního zatížení se musíme také rozhodnout mezi návrhem SMPS s konstantním napětím nebo SMPS s konstantním proudem. Konstantní napětí znamená, že napětí na zátěži bude konstantní a proud se odpovídajícím způsobem změní se změnami odporu zátěže. Na druhé straně režim konstantního proudu umožní, aby byl proud konstantní, ale odpovídajícím způsobem změňte napětí se změnami odporu zátěže. CV a CC mohou být také k dispozici v SMPS, ale nemohou pracovat najednou. Pokud v SMPS existují obě možnosti, musí existovat rozsah, kdy SMPS změní svou výstupní operaci z CV na CC a naopak. K nabíjení olověných nebo lithiových baterií se běžně používají nabíječky v režimu CC a CV.

Funkce ochrany vstupu a výstupu

Pro bezpečnější a spolehlivější provoz lze na SMPS použít různé ochranné obvody. Ochranný obvod chrání SMPS i připojenou zátěž. V závislosti na umístění může být ochranný obvod připojen přes vstup nebo přes výstup. Nejběžnější ochranou vstupu jsou přepěťová ochrana a filtry EMI. Přepěťová ochrana chrání SMPS před vstupními rázy nebo střídavým přepětím. Filtr EMI chrání SMPS před generováním EMI přes vstupní linku. V tomto projektu budou k dispozici obě funkce. Ochrana výstupu zahrnuje ochranu proti zkratu, přepěťovou ochranu a nadproudovou ochranu. Tento design SMPS bude také zahrnovat všechny tyto ochranné obvody.

Výběr IC řízení spotřeby

Každý obvod SMPS vyžaduje integrovaný obvod pro správu napájení, známý také jako přepínací integrovaný obvod nebo integrovaný obvod SMPS nebo integrovaný obvod sušiče. Shrňme úvahy o návrhu, abychom vybrali ideální IC pro správu napájení, který bude vhodný pro náš design. Naše požadavky na design jsou

15W výkon. 12V 1,25 A s méně než 30 mV zvlnění pk-pk při plném zatížení.
Univerzální vstupní hodnocení.
Vstupní přepěťová ochrana.
Zkrat na výstupu, přepěťová a nadproudová ochrana.
Operace s konstantním napětím.

Z výše uvedených požadavků je na výběr široká škála integrovaných obvodů, ale pro tento projekt jsme vybrali integraci napájení. Power integration je polovodičová společnost, která má širokou škálu integrovaných obvodů výkonových ovladačů v různých výkonových rozsazích. Na základě požadavků a dostupnosti jsme se rozhodli použít TNY268PN z malých rodin přepínačů II.

Na výše uvedeném obrázku je zobrazen maximální výkon 15 W. Uděláme však SMPS v otevřeném rámci a pro univerzální vstupní hodnocení. V takovém segmentu by TNY268PN mohl poskytovat výkon 15 W. Uvidíme pinový diagram.

Návrh 12v 1Amp SMPS obvodu

Nejlepším způsobem, jak vytvořit obvod, je použít software PI expert pro integraci Power. Je to vynikající software pro návrh napájení. Obvod je konstruován pomocí Power Integration IC. Postup návrhu je vysvětlen níže, alternativně můžete také posunout dolů video vysvětlující totéž.

Krok -1: Vyberte přepínač Tiny II a také vyberte požadovaný balíček. Vybrali jsme balíček DIP. Vyberte typ krytu, adaptér nebo otevřený rám. Zde je vybrán Open Frame.

Poté vyberte typ zpětné vazby. Je to nezbytné, protože se používá topologie Flyback. TL431 je vynikající volbou pro zpětnou vazbu. TL431 je směšovač a poskytuje vynikající přepěťovou ochranu a přesné výstupní napětí.

Krok 2: Vyberte rozsah vstupního napětí. Protože se bude jednat o univerzální vstupní SMPS, je vstupní napětí vybráno jako 85-265V AC. Frekvence linky je 50 Hz.

Krok 3:

Vyberte výstupní napětí, proud a příkon. Hodnocení SMPS bude 12V 1,25A. Příkon ukazuje 15W. Provozní režim je také vybrán jako CV, znamená provozní režim s konstantním napětím. Nakonec se vše provede ve třech snadných krocích a vygeneruje se schéma.

Schéma zapojení a vysvětlení 12V SMPS

Níže uvedený okruh je mírně upraven tak, aby vyhovoval našemu projektu.

Než se pustíme přímo do stavby prototypové části, prozkoumejme 12v schéma zapojení SMPS a jeho fungování. Okruh má následující části

Ochrana proti přepětí a poruchám SMPS
Převod AC-DC
PI filtr
Obvody řidiče nebo spínací obvod
Ochrana proti podpětí.
Upínací obvod
Magnetické a galvanické oddělení
EMI filtr
Sekundární usměrňovač a tlumicí obvod
Sekce filtru
Sekce zpětné vazby.

Ochrana proti přepětí a poruchám SMPS

Tato část se skládá ze dvou komponent, F1 a RV1. F1 je 1A 250VAC pomalá pojistka a RV1 je 7mm 275V MOV (kovový oxidový varistor). Během vysokonapěťového rázu (více než 275 VAC) došlo k zkratu zařízení MOV a přepálení vstupní pojistky. Díky funkci pomalého úderu však pojistka odolává zapínacímu proudu přes SMPS.

Převod AC-DC

Tato část se řídí diodovým můstkem. Tyto čtyři diody (uvnitř DB107) tvoří plný můstkový usměrňovač. Diody jsou 1N4006, ale standardní 1N4007 to zvládne perfektně. V tomto projektu jsou tyto čtyři diody nahrazeny plným můstkovým usměrňovačem DB107.

PI filtr

Různé státy mají odlišný standard odmítnutí EMI. Tento design potvrzuje normu EN61000 třídy 3 a PI filtr je navržen tak, aby omezil odmítnutí EMI v běžném režimu. Tato část je vytvořena pomocí C1, C2 a L1. C1 a C2 jsou kondenzátory 400V 18uF. Jedná se o lichou hodnotu, takže pro tuto aplikaci je vybráno 22uF 400V. L1 je tlumivka v běžném režimu, která bere diferenciální signál EMI, aby zrušila obě.

Obvody řidiče nebo spínací obvod

Je srdcem SMPS. Primární strana transformátoru je řízena spínacím obvodem TNY268PN. Spínací frekvence je 120-132khz. Díky této vysoké spínací frekvenci lze použít menší transformátory. Spínací obvod má dvě složky, U1 a C3. U1 je hlavní ovladač IC TNY268PN. C3 je obtokový kondenzátor, který je potřebný pro práci našeho ovladače IC.

Ochrana proti podpětí

Ochrana proti podpětí je zajištěna snímacím rezistorem R1 a R2. Používá se, když SMPS přejde do režimu automatického restartu a snímá síťové napětí.

Upínací obvod

D1 a D2 jsou klešťový obvod. D1 je dioda TVS a D2 je ultrarychlá dioda pro obnovení. Transformátor působí velkým induktorem napříč výkonovým budičem IC TNY268PN. Proto během vypínacího cyklu transformátor vytváří vysokonapěťové špičky v důsledku indukčnosti úniku transformátoru. Tyto vysokofrekvenční napěťové špičky jsou potlačeny diodovou svorkou přes transformátor. UF4007 je vybrán z důvodu ultrarychlé obnovy a P6KE200A je vybrán pro provoz TVS.

Magnetické a galvanické oddělení

Transformátor je feromagnetický transformátor, který nejen převádí vysokonapěťový střídavý proud na nízkonapěťový střídavý proud, ale také zajišťuje galvanické oddělení.

EMI filtr

Filtrování EMI se provádí kondenzátorem C4. Zvyšuje imunitu obvodu a snižuje vysoké rušení EMI.

Sekundární usměrňovač a obvod Snubber

Výstup z transformátoru je usměrněn a převeden na DC pomocí D6, Schottkyho usměrňovací diody. Tlumící obvod přes D6 zajišťuje potlačení přechodového napětí během spínacích operací. Odrušovací obvod se skládá z jednoho odporu a jednoho kondenzátoru, R3 a C5.

Sekce filtru

Sekce filtru se skládá z filtračního kondenzátoru C6. Jedná se o kondenzátor s nízkým ESR pro lepší potlačení zvlnění. LC filtr využívající L2 a C7 také poskytuje lepší potlačení zvlnění napříč výstupem.

Sekce zpětné vazby

Výstupní napětí je snímáno U3 TL431 a R6 a R7. Po snímání vedení, U2, je optočlen řízen a galvanicky odděluje část snímající sekundární zpětnou vazbu od ovladače na primární straně. Optočlen má uvnitř tranzistor a LED. Ovládáním LED se ovládá tranzistor. Protože se komunikace provádí opticky, nemá žádné přímé elektrické spojení, a proto uspokojuje také galvanické oddělení na zpětnovazebním obvodu.

Nyní, když LED přímo ovládá tranzistor, poskytuje dostatečné zkreslení přes LED optočlenu, takže lze ovládat tranzistor optočlenu, konkrétněji budicí obvod. Tento řídicí systém využívá TL431. Protože směšovač má přes svůj referenční kolík odporový dělič, může ovládat i optočlen, který je přes něj připojen. Pin zpětné vazby má referenční napětí 2,5V. Proto může být TL431 aktivní, pouze pokud je napětí na děliči dostatečné. V našem případě byl dělič napětí nastaven na hodnotu 12V. Proto když výstup dosáhne 12V, dostane TL431 přes referenční kolík 2,5 V a aktivuje tak LED diodu optočlenu, která ovládá tranzistor optočlenu a nepřímo řídí TNY268PN. Pokud napětí na výstupu není dostatečné, je spínací cyklus okamžitě pozastaven.

Nejprve TNY268PN aktivuje první cyklus přepínání a poté zjistí, že je to pin EN. Pokud je vše v pořádku, bude pokračovat v přepínání, pokud ne, zkusí to znovu za sebou. Tato smyčka pokračuje, dokud se vše nestane normálním, čímž zabrání problémům se zkratem nebo přepětím. Proto se tomu říká flyback topologie, protože výstupní napětí je přivedeno zpět k ovladači pro snímání souvisejících operací. Zkušební smyčka se také nazývá škytavkový režim provozu při poruchovém stavu.

D3 je Schottkyho bariérová dioda. Tato dioda převádí vysokofrekvenční střídavý výstup na stejnosměrný. Pro spolehlivý provoz je vybrána 3A 60V Schottkyho dioda. R4 a R5 vybere a vypočítá PI Expert. Vytvoří dělič napětí a předá proud do LED Optocoupler z TL431.

R6 a R7 je jednoduchý dělič napětí vypočítaný podle vzorce TL431 REF napětí = (Vout x R7) / R6 + R7. Referenční napětí je 2,5 V a Vout je 12V. Výběrem hodnoty R6 23,7k se R7 stal přibližně 9,09k.

Výroba PCB pro 12v 1A SMPS obvod

Nyní, když chápeme, jak schémata fungují, můžeme pokračovat v budování desky plošných spojů pro naše SMPS. Jelikož se jedná o obvod SMPS, doporučuje se deska plošných spojů, protože by se mohla vypořádat s problémem šumu a izolace. Uspořádání desek plošných spojů pro výše uvedený obvod je také k dispozici ke stažení jako Gerber z odkazu

Stáhněte si soubor Gerber pro 15W SMPS obvod

Nyní, když je náš Design připraven, je čas nechat si je vyrobit pomocí souboru Gerber. Chcete-li udělat desku plošných spojů docela snadné, jednoduše postupujte podle následujících kroků

Krok 1: Vstupte na www.pcbgogo.com, zaregistrujte se, pokud jste poprvé. Poté na kartě Prototyp desky plošných spojů zadejte rozměry desky plošných spojů, počet vrstev a požadovaný počet desek plošných spojů. Za předpokladu, že PCB je 80 cm × 80 cm, můžete nastavit rozměry, jak je uvedeno níže.

Krok 2: Pokračujte kliknutím na tlačítko Citovat nyní . Budete přesměrováni na stránku, kde můžete v případě potřeby nastavit několik dalších parametrů, jako je použitý rozestup stop atd. Ale většinou budou výchozí hodnoty fungovat dobře. Jediná věc, kterou zde musíme vzít v úvahu, je cena a čas. Jak vidíte, doba sestavení je pouze 2–3 dny a stojí jen 5 $ za náš PSB. Poté můžete vybrat preferovaný způsob dopravy na základě vašeho požadavku.

Krok 3: Posledním krokem je nahrání souboru Gerber a pokračování platby. Před pokračováním v platbě PCBGOGO ověří, zda je váš soubor Gerber platný, aby byl proces hladký. Tímto způsobem si můžete být jisti, že vaše deska plošných spojů je přátelská k výrobě a dostane se k vám jako oddaná.

Montáž desky plošných spojů

Poté, co byla deska objednána, se mi po několika dnech dostala, i když kurýr v úhledně označené dobře zabalené krabici a jako vždy byla kvalita desky plošných spojů úžasná. DPS, který jsem obdržel, je uveden níže

Zapnul jsem pájecí tyč a začal montovat desku. Vzhledem k tomu, že stopy, podložky, průchody a sítotisk jsou perfektně správného tvaru a velikosti, neměl jsem problém sestavit desku. Moje PCB upnutá na pájecí svěrák je zobrazena níže.

Nákup komponent

Všechny komponenty pro tento 12v 15w SMPS obvod jsou pořizovány podle schématu. Podrobný kusovník najdete v níže uvedeném souboru aplikace Excel ke stažení.

15W SMPS design - kusovník

Téměř všechny komponenty jsou snadno dostupné a lze je použít běžně. Možná narazíte na problém s nalezením správného transformátoru pro tento projekt. Normálně pro SMPS přepínací zpětný transformátor není k dispozici od prodejců přímo, ve většině případů musíte navinout vlastní transformátor, pokud potřebujete efektivní výsledky. Je však také v pořádku použít podobný zpětný transformátor a váš obvod bude stále fungovat. Ideální specifikaci pro náš transformátor poskytne software PI Expert, který jsme použili dříve.

Níže je uvedeno mechanické a elektrické schéma transformátoru získané od PI Expert.

Pokud nemůžete najít správného dodavatele, můžete zachránit transformátor z 12V adaptéru nebo jiných obvodů SMPS. Alternativně můžete také vytvořit svůj vlastní transformátorový nákup pomocí následujících materiálů a pokynů pro vinutí.

Jakmile jsou všechny komponenty zakoupeny, měla by být jejich montáž snadná. Pro referenci můžete použít soubor Gerber a kusovník a sestavit desku plošných spojů. Po dokončení vypadá moje přední a zadní strana desky plošných spojů asi takto níže

Testujeme náš 15W SMPS obvod

Teď, když je náš okruh připraven, je čas to roztočit. Desku připojíme k naší síti AC přes VARIAC a načteme výstupní stranu zatěžovacím strojem a změříme zvlnění napětí, abychom zkontrolovali výkon našeho obvodu. Video s úplným postupem testování najdete také na konci této stránky. Níže uvedený obrázek ukazuje testovaný obvod se vstupním střídavým napětím 230 V AC, pro které dostaneme výstup 12,08 V

Měření zvlnění napětí pomocí osciloskopu

Chcete-li měřit zvlněné napětí pomocí osciloskopu, změňte vstup rozsahu na AC se ziskem 1x. Poté připojte elektrolytický kondenzátor nízké hodnoty a keramický kondenzátor nízké hodnoty pro zachycení redukce šumu v důsledku zapojení. Další informace o tomto postupu najdete na straně 40 tohoto dokumentu RDR-295 od společnosti Power Integration.

Níže uvedený snímek byl pořízen za stavu bez zátěže na 85 VAC i 230 VAC. Stupnice je nastavena na 10 mV na divizi a jak vidíte, zvlnění je téměř 10 mV pk-pk.

Při vstupu 90 VAC a při plném zatížení lze zvlnění pozorovat kolem 20 mV pk-pk

Při 230 V AC a při plném zatížení se zvlnění napětí měří kolem 30 mV pk-pk, což je nejhorší scénář

To je ono; takto si můžete navrhnout svůj vlastní 12v SMPS obvod. Jakmile pochopíte práci, můžete upravit schéma zapojení 12v SMPS tak, aby vyhovovalo vašim požadavkům na napětí a výkon. Doufám, že jste pochopili výukový program a bavilo vás učit se něco užitečného. Pokud máte nějaké dotazy, nechte je v sekci komentářů nebo použijte naše fóra pro technické diskuse. Potkáme vás znovu s dalším zajímavým designem SMPS, do té doby se odhlásíte….