Dizajn napájacieho obvodu 12V 1a smps na DPS

Každé elektronické zariadenie alebo výrobok vyžaduje na svoju prevádzku spoľahlivý zdroj napájania (PSU). Takmer všetky zariadenia v našej domácnosti, ako napríklad televízia, tlačiareň, hudobný prehrávač atď., Pozostávajú z integrovaného napájacieho zdroja, ktorý prevádza sieťové napätie na zodpovedajúcu úroveň jednosmerného napätia. Najbežnejšie používaným typom napájacieho obvodu je SMPS (Switching Mode Power Supply), tento typ obvodov nájdete ľahko vo svojom 12V adaptéri alebo nabíjačke Mobile / Laptop. V tomto tutoriále sa dozvieme, ako zostaviť 12v SMPS obvodktorý by konvertoval sieťové napájanie na 12V DC s maximálnym prúdovým prúdom 1,25A. Tento obvod možno použiť na napájanie malých záťaží alebo ho možno dokonca prispôsobiť nabíjačke na nabíjanie olovených a lítiových batérií. Pokiaľ tento 12v 15wattový napájací obvod nezodpovedá vašim požiadavkám, môžete skontrolovať rôzne napájacie okruhy s rôznymi hodnotami.

12v obvod SMPS - aspekty návrhu

Pred pokračovaním v návrhu akéhokoľvek druhu napájacieho zdroja je potrebné vykonať analýzu požiadaviek na základe prostredia, v ktorom sa bude náš napájací zdroj používať. Rôzne druhy napájania fungujú v rôznych prostrediach a so špecifickými hranicami vstupu a výstupu.

Špecifikácia vstupu

Začnime vstupom. Prvou vecou, ktorú použije SMPS, je vstupné napájacie napätie, ktoré sa transformuje na užitočnú hodnotu na napájanie záťaže. Pretože je tento dizajn špecifikovaný pre prevod AC-DC, bude na vstupe striedavý prúd (AC). Pre Indiu je vstupný AC k dispozícii s napätím 220 - 230 voltov, pre USA je dimenzovaný na 110 voltov. Existujú aj ďalšie krajiny, ktoré používajú rôzne úrovne napätia. Všeobecne platí, že SMPS pracuje s univerzálnym vstupným napätímrozsah. To znamená, že vstupné napätie sa môže líšiť od 85V AC do 265V AC. SMPS je možné použiť v ktorejkoľvek krajine a mohol by poskytnúť stabilný výstup pri plnom zaťažení, ak je napätie medzi 85 - 265 V str. SMPS by mal tiež normálne fungovať pod frekvenciou 50 Hz a 60 Hz. To je dôvod, prečo sme schopní používať naše nabíjačky telefónov a notebookov v ktorejkoľvek krajine.

Špecifikácia výstupu

Na strane výstupu je len málo záťaží odporových, málo indukčných. V závislosti od zaťaženia môže byť konštrukcia SMPS odlišná. Pre tento SMPS sa záťaž považuje za odporovú. Nie je tu však nič ako odporová záťaž, každá záťaž sa skladá aspoň z nejakého množstva indukčnosti a kapacity; tu sa predpokladá, že indukčnosť a kapacita záťaže sú zanedbateľné.

Výstupná špecifikácia SMPS je vysoko závislá od záťaže, napríklad od toho, koľko napätia a prúdu bude vyžadovať záťaž za všetkých prevádzkových podmienok. Pre tento projekt je SMPS môže poskytnúť 15W výstup. Je to 12V a 1,25A. Cieľové zvlnenie výstupu je vybrané ako menšie ako 30 mV pk-pk pri šírke pásma 2 000 Hz.

Na základe výstupného zaťaženia sa tiež musíme rozhodnúť medzi návrhom SMPS s konštantným napätím alebo SMPS s konštantným prúdom. Konštantné napätie znamená, že napätie naprieč záťažou bude konštantné a prúd sa primerane zmení so zmenami odporu záťaže. Na druhej strane režim s konštantným prúdom umožní, aby bol prúd konštantný, ale zodpovedajúcim spôsobom zmení napätie podľa zmien odporu záťaže. V SMPS sú tiež k dispozícii CV aj CC, ale nemôžu pracovať naraz. Keď v SMPS existujú obe možnosti, musí existovať rozsah, keď SMPS zmení svoju výstupnú operáciu z CV na CC a naopak. Na nabíjanie olovených alebo lítiových batérií sa zvyčajne používajú nabíjačky v režime CC a CV.

Funkcie ochrany vstupu a výstupu

Pre bezpečnejšiu a spoľahlivejšiu prevádzku je možné na SMPS použiť rôzne ochranné obvody. Ochranný obvod chráni SMPS aj pripojenú záťaž. V závislosti na umiestnení môže byť ochranný obvod pripojený cez vstup alebo cez výstup. Najbežnejšou ochranou vstupu sú prepäťová ochrana a filtre EMI. Prepäťová ochrana chráni SMPS pred vstupnými rázmi alebo striedavým prepätím. EMI filter chráni SMPS pred generovaním EMI cez vstupné vedenie. V tomto projekte budú k dispozícii obe funkcie. Výstupné ochrana zahŕňa ochranu proti skratu, ochranu proti prepätiu a cez prúdovou ochranu. Tento dizajn SMPS bude tiež obsahovať všetky tieto ochranné obvody.

Výber IC riadenia napájania

Každý obvod SMPS vyžaduje integrovaný obvod správy napájania, ktorý sa označuje aj ako prepínací integrovaný obvod alebo integrovaný obvod SMPS alebo suchší integrovaný obvod. Zhrňme úvahy o dizajne, aby sme vybrali ideálny IC pre správu napájania, ktorý bude vhodný pre náš dizajn. Naše požiadavky na dizajn sú

15W výstup. 12V 1,25A s vlnením menej ako 30mV pk-pk pri plnom zaťažení.
Univerzálne hodnotenie vstupu.
Vstupná prepäťová ochrana.
Výstupný skrat, ochrana proti prepätiu a nadprúdu.
Prevádzky s konštantným napätím.

Z vyššie uvedených požiadaviek je na výber široká škála integrovaných obvodov, ale pre tento projekt sme vybrali integráciu napájania. Power integration je polovodičová spoločnosť, ktorá má širokú škálu integrovaných obvodov výkonového pohonu v rôznych výkonových rozpätiach. Na základe požiadaviek a dostupnosti sme sa rozhodli použiť TNY268PN z malých radov prepínačov II.

Na vyššie uvedenom obrázku je zobrazený maximálny výkon 15 W. SMPS však urobíme v otvorenom rámci a pre univerzálne vstupné hodnotenie. V takom segmente by TNY268PN mohol poskytovať výkon 15W. Pozrime sa na pinový diagram.

Navrhovanie 12v 1Amp SMPS obvodu

Najlepším spôsobom, ako vytvoriť tento obvod, je použitie softvéru PI expert na integráciu spoločnosti Power integration. Je to vynikajúci softvér na návrh napájacieho zdroja. Obvod je konštruovaný pomocou integrovanej IC. Postup návrhu je vysvetlený nižšie. Alternatívne môžete tiež posúvať nadol video, ktoré to vysvetľuje.

Krok -1: Vyberte prepínač Tiny II a tiež vyberte požadovaný balík. Vybrali sme balíček DIP. Vyberte typ krytu, adaptér alebo otvorený rám. Tu je vybraný Open Frame.

Potom vyberte typ Spätná väzba. Je to nevyhnutné, pretože sa používa topológia Flyback. TL431 je vynikajúcou voľbou pre spätnú väzbu. TL431 je bočníkový regulátor, ktorý poskytuje vynikajúcu prepäťovú ochranu a presné výstupné napätie.

Krok 2: Vyberte rozsah vstupného napätia. Pretože sa bude jednať o univerzálny vstupný SMPS, vstupné napätie je zvolené ako 85-265V AC. Frekvencia linky je 50 Hz.

Krok 3:

Vyberte výstupné napätie, prúd a výkon. Hodnotenie SMPS bude 12V 1,25A. Príkon ukazuje 15W. Prevádzkový režim je tiež zvolený ako CV, čo znamená prevádzkový režim s konštantným napätím. Nakoniec sa všetko urobí v troch jednoduchých krokoch a vygeneruje sa schéma.

Schéma zapojenia a vysvetlenie 12V SMPS

Nižšie uvedený okruh je mierne upravený tak, aby vyhovoval nášmu projektu.

Predtým, ako sa pustíme priamo do stavby prototypovej časti, poďme preskúmať schému zapojenia 12v SMPS a jej fungovanie. Okruh má nasledujúce časti

Ochrana proti prepätiu a poruchám SMPS
AC-DC prevod
PI filter
Obvody vodiča alebo spínací obvod
Ochrana proti blokovaniu podpätia.
Svorkový obvod
Magnetické a galvanické oddelenie
EMI filter
Sekundárny usmerňovač a tlmiaci obvod
Sekcia filtra
Sekcia spätnej väzby.

Ochrana proti prepätiu a poruchám SMPS

Táto časť sa skladá z dvoch komponentov, F1 a RV1. F1 je 1A 250VAC pomalá poistka a RV1 je 7mm 275V MOV (kovový oxidový varistor). Počas vysokonapäťového prepätia (viac ako 275 VAC) došlo k skratu zariadenia MOV a prepáleniu vstupnej poistky. Avšak kvôli funkcii pomalého prepätia poistka odoláva zapínaciemu prúdu cez SMPS.

AC-DC prevod

Táto časť sa riadi diódovým mostíkom. Tieto štyri diódy (vo vnútri DB107) tvoria úplný mostíkový usmerňovač. Diódy sú 1N4006, ale štandardná 1N4007 to zvládne perfektne. V tomto projekte sú tieto štyri diódy nahradené plným mostíkovým usmerňovačom DB107.

PI filter

Rôzne štáty majú rozdielny štandard odmietnutia EMI. Tento dizajn potvrdzuje normu EN61000-Class 3 a PI filter je navrhnutý takým spôsobom, aby znižoval odmietanie EMI v bežnom režime. Táto časť je vytvorená pomocou C1, C2 a L1. C1 a C2 sú kondenzátory 400V 18uF. Je to nepárna hodnota, takže pre túto aplikáciu je vybratých 22uF 400V. L1 je tlmivka v bežnom režime, ktorá prijíma diferenciálny signál EMI na zrušenie oboch.

Obvody vodiča alebo spínací obvod

Je to srdce SMPS. Primárna strana transformátora je ovládaná spínacím obvodom TNY268PN. Spínacia frekvencia je 120-132khz. Vďaka tejto vysokej spínacej frekvencii je možné použiť menšie transformátory. Spínací obvod má dve zložky, U1 a C3. U1 je hlavný ovládač IC TNY268PN. C3 je obtokový kondenzátor, ktorý je potrebný na prácu nášho integrovaného obvodu vodiča.

Ochrana proti blokovaniu podpätia

Ochranu proti podpätiu zaisťuje snímací odpor R1 a R2. Používa sa, keď SMPS prejde do režimu automatického reštartu a sníma sieťové napätie.

Svorkový obvod

D1 a D2 sú svorkový obvod. D1 je dióda TVS a D2 je ultrarýchla obnovovacia dióda. Transformátor pôsobí cez induktor IC TNY268PN ako obrovský induktor. Preto počas vypínacieho cyklu transformátor vytvára vysokonapäťové hroty v dôsledku únikovej indukčnosti transformátora. Tieto vysokofrekvenčné napäťové hroty sú potlačené diódovou svorkou cez transformátor. UF4007 je vybraný z dôvodu ultrarýchleho zotavenia a P6KE200A je vybraný pre prevádzku TVS.

Magnetické a galvanické oddelenie

Transformátor je feromagnetický transformátor, ktorý nielen prevádza vysokonapäťové striedavé napätie na nízkonapäťové striedavé napätie, ale tiež poskytuje galvanické oddelenie.

EMI filter

Filtrovanie EMI sa vykonáva kondenzátorom C4. Zvyšuje imunitu obvodu, aby sa znížilo vysoké rušenie EMI.

Obvod sekundárneho usmerňovača a tlmivky

Výstup z transformátora je usmernený a prevedený na DC pomocou D6, Schottkyho usmerňovacej diódy. Tlmiaci obvod cez D6 poskytuje potlačenie prechodového napätia počas spínacích operácií. Odrušovací obvod pozostáva z jedného odporu a jedného kondenzátora, R3 a C5.

Sekcia filtra

Filtračná časť sa skladá z filtračného kondenzátora C6. Je to kondenzátor s nízkym ESR pre lepšie potlačenie zvlnenia. LC filter tiež využívajúci L2 a C7 poskytuje lepšie potlačenie zvlnenia na výstupe.

Sekcia spätnej väzby

Výstupné napätie je snímané snímačmi U3 TL431 a R6 a R7. Po snímaní vedenia, U2, je optočlen riadený a galvanicky izoluje časť snímajúcu sekundárnu spätnú väzbu s ovládačom na primárnej strane. Optočlen má v sebe tranzistor a LED. Ovládaním LED sa riadi tranzistor. Pretože sa komunikácia uskutočňuje opticky, nemá priame elektrické spojenie, a teda uspokojuje aj galvanické oddelenie spätnoväzbového obvodu.

Teraz, keď dióda LED priamo ovláda tranzistor, poskytuje dostatočné predpätie cez LED diódy optočlenu, takže je možné ovládať tranzistor optočlenu, konkrétnejšie budiaci obvod. Tento riadiaci systém využíva TL431. Pretože bočníkový regulátor má cez svoj referenčný kolík odporový delič, môže ovládať opticky prepojený vodič, ktorý je na ňom pripojený. Pin spätnej väzby má referenčné napätie 2,5V. Preto môže byť TL431 aktívny, iba ak je napätie v deliči dostatočné. V našom prípade bol rozdeľovač napätia nastavený na hodnotu 12V. Preto keď výstup dosiahne 12V, dostane TL431 cez referenčný pin 2,5 V, a tým aktivuje LED diódu optočlenu, ktorá riadi tranzistor optočlenu a nepriamo riadi TNY268PN. Ak napätie na výstupe nie je dostatočné, spínací cyklus sa okamžite preruší.

TNY268PN najskôr aktivuje prvý cyklus prepínania a potom zistí, že je to pin EN. Ak je všetko v poriadku, bude pokračovať v prepínaní, ak nie, skúsi to znova a potom. Táto slučka pokračuje, kým sa všetko nestane normálnym, čím zabráni problémom so skratom alebo prepätím. To je dôvod, prečo sa tomu hovorí flyback topológia, pretože výstupné napätie je privedené späť k vodičovi na snímanie súvisiacich operácií. Skúšobná slučka sa tiež nazýva škytavkový režim prevádzky pri poruchovom stave.

D3 je Schottkyho bariérová dióda. Táto dióda prevádza vysokofrekvenčný striedavý výstup na jednosmerný prúd. Pre spoľahlivú prevádzku je zvolená 3A 60V Schottkyho dióda. R4 a R5 vyberie a vypočíta PI Expert. Vytvára delič napätia a prenáša prúd na LED Optocoupler z TL431.

R6 a R7 je jednoduchý delič napätia vypočítaný podľa vzorca TL431 REF napätie = (Vout x R7) / R6 + R7. Referenčné napätie je 2,5 V a Vout je 12V. Výberom hodnoty R6 23,7k sa R7 stala približne 9,09k.

Výroba DPS pre obvod SMPS 12v 1A

Teraz, keď chápeme, ako fungujú schémy, môžeme pokračovať v budovaní PCB pre naše SMPS. Pretože sa jedná o obvod SMPS, odporúča sa plošný spoj, pretože by sa mohol vyrovnať s problémom šumu a izolácie. Usporiadanie PCB pre vyššie uvedený obvod je k dispozícii na stiahnutie ako Gerber z odkazu

Stiahnite si súbor Gerber pre 15W SMPS obvod

Teraz, keď je náš Dizajn pripravený, je čas nechať si ich vyrobiť pomocou súboru Gerber. Hotové PCB je celkom jednoduché, jednoducho postupujte podľa krokov uvedených nižšie

Krok 1: Choďte na www.pcbgogo.com, zaregistrujte sa, ak ste prvýkrát. Potom na karte Prototyp PCB zadajte rozmery vašej PCB, počet vrstiev a požadovaný počet PCB. Za predpokladu, že DPS je 80 cm × 80 cm, môžete nastaviť rozmery, ako je uvedené nižšie.

Krok 2: Pokračujte kliknutím na tlačidlo Citovať teraz . Budete presmerovaní na stránku, kde môžete v prípade potreby nastaviť niekoľko ďalších parametrov, ako napríklad použitý rozstup koľají atď. Ale väčšinou budú fungovať predvolené hodnoty. Jediná vec, ktorú tu musíme brať do úvahy, je cena a čas. Ako vidíte, čas zostavenia je iba 2 - 3 dni a stojí iba 5 dolárov za náš PSB. Potom môžete zvoliť preferovaný spôsob dopravy na základe vašej požiadavky.

Krok 3: Posledným krokom je nahranie súboru Gerber a pokračovanie v platbe. Pred pokračovaním v platbe PCBGOGO overuje, či je proces plynulý, či je váš súbor Gerber platný. Týmto spôsobom si môžete byť istí, že vaša doska s plošnými spojmi je vhodná pre výrobu a že sa k vám dostane ako zaviazaná.

Montáž DPS

Po objednaní dosky sa ku mne po niekoľkých dňoch dostalo aj keď kuriér v úhľadne označenej dobre zabalenej krabici a ako vždy bola kvalita DPS úžasná. DPS, ktorý som dostal, je uvedený nižšie

Zapol som spájkovaciu tyč a začal som montovať dosku. Pretože sú stopy, podložky, priechody a sieťotlač perfektne správneho tvaru a veľkosti, nemal som problém s zostavením dosky. Moja doska s plošnými spojmi pripevnená k spájkovaciemu zveráku je uvedená nižšie.

Nákup komponentov

Všetky komponenty pre tento obvod 12v 15w SMPS sú obstarané podľa schémy. Kusovník s podrobnosťami nájdete v súbore programu Excel na stiahnutie.

15W SMPS dizajn - kusovník

Takmer všetky komponenty sú ľahko dostupné na použitie z police. Možno narazíte na problém s hľadaním správneho transformátora pre tento projekt. Za normálnych okolností nie je spätný transformátor s prepínaním okruhu SMPS k dispozícii od dodávateľov priamo. Ak potrebujete efektívne výsledky, vo väčšine prípadov musíte navinúť vlastný transformátor. Je však tiež v poriadku použiť podobný spätný transformátor a váš obvod bude stále fungovať. Ideálnu špecifikáciu pre náš transformátor poskytne softvér PI Expert, ktorý sme použili už skôr.

Ďalej je uvedená mechanická a elektrická schéma transformátora získaná od spoločnosti PI Expert.

Ak nenájdete správneho dodávateľa, môžete transformátor zachrániť z 12V adaptéra alebo iných obvodov SMPS. Prípadne si môžete tiež vytvoriť vlastný transformátorový transformátor pomocou nasledujúcich materiálov a pokynov na navíjanie.

Po zakúpení všetkých komponentov by ich zostavenie malo byť ľahké. Pre referenciu môžete použiť súbor Gerber a kusovník a zostaviť dosku s plošnými spojmi. Po dokončení vyzerá moja predná a zadná strana plošných spojov asi takto nižšie

Testuje sa náš 15W obvod SMPS

Teraz, keď je náš okruh pripravený, je čas to roztočiť. Pripojíme dosku k našej sieti Ac cez VARIAC a výstupnú stranu zaťažíme záťažovým strojom a zmeráme zvlnenie napätia, aby sme skontrolovali výkonnosť nášho obvodu. Celé video o postupe testovania nájdete tiež na konci tejto stránky. Na nasledujúcom obrázku je testovaný obvod so vstupným striedavým napätím 230 V str., Pre ktorý dostaneme výstup 12,08 V.

Meranie zvlnenia napätia pomocou osciloskopu

Ak chcete merať zvlnené napätie pomocou osciloskopu, zmeňte vstup rozsahu na AC so ziskom 1x. Potom pripojte elektrolytický kondenzátor nízkej hodnoty a keramický kondenzátor nízkej hodnoty na zachytenie redukcie šumu v dôsledku zapojenia. Ďalšie informácie o tomto postupe nájdete na strane 40 tohto dokumentu RDR-295 od spoločnosti Power Integration.

Nasledujúca snímka bola urobená pri stave bez záťaže na 85 VAC aj 230 VAC. Stupnica je nastavená na 10 mV na divíziu a ako vidíte, zvlnenie je takmer 10 mV pk-pk.

Pri vstupe 90 VAC a pri plnom zaťažení je zvlnenie viditeľné na hodnote približne 20 mV pk-pk

Pri 230 V str. A pri plnom zaťažení sa zvlnenie napätia meria okolo 30 mV pk-pk, čo je najhorší scenár.

Toto je to; takto si môžete navrhnúť svoj vlastný 12v SMPS obvod. Keď pochopíte prácu, môžete zmeniť schému zapojenia 12v SMPS tak, aby vyhovovala vašim požiadavkám na napätie a výkon. Dúfam, že ste pochopili príručku a bavilo vás učiť sa niečo užitočné. Ak máte akékoľvek otázky, nechajte ich v sekcii komentárov alebo použite naše fóra na technické diskusie. Opäť sa stretneme s ďalším zaujímavým dizajnom SMPS, dovtedy sa odhlásite….