12V 1a smps strømforsyningskretsdesign på kretskort

Hver elektronisk enhet eller hvert produkt krever en pålitelig strømforsyningsenhet (PSU) for å betjene den. Nesten alle enheter i hjemmet vårt, som TV, skriver, musikkspiller osv. Består av en innebygd strømforsyningsenhet som konverterer vekselstrømspenningen til et passende likestrømnivå for at de skal kunne fungere. Den mest brukte typen strømforsyningskrets er SMPS (Switching Mode Power Supply), du kan enkelt finne denne typen kretser i 12V-adapteren eller mobil / bærbar lader. I denne opplæringen lærer vi hvordan du bygger en 12v SMPS-kretssom ville konvertere vekselstrøm til 12V DC med en maksimal strømstyrke på 1,25A. Denne kretsen kan brukes til å drive små belastninger eller til og med tilpasses til en lader for å lade blybatterier og litiumbatterier. Hvis denne 12v 15watt strømforsyningskretsen ikke samsvarer med kravet ditt, kan du sjekke forskjellige strømforsyningskretser med forskjellige rangeringer.

12v SMPS Circuit - Designhensyn

Før du fortsetter med noen form for strømforsyningsdesign, må kravanalyse gjøres basert på miljøet der strømforsyningen vår skal brukes. Ulike typer strømforsyning fungerer i forskjellige miljøer og med spesifikke inngangs- og utgangsgrenser.

Inngangsspesifikasjon

La oss starte med innspillene. En inngangsforsyningsspenning er det første som skal brukes av SMPS og vil bli transformert til en nyttig verdi for å mate belastningen. Siden dette designet er spesifisert for AC-DC-konvertering, vil inngangen være vekselstrøm (AC). For India er inngangsstrømmen tilgjengelig i 220-230 volt, for USA er den vurdert til 110 volt. Det er også andre nasjoner som bruker forskjellige spenningsnivåer. Generelt fungerer SMPS med universell inngangsspenningområde. Dette betyr at inngangsspenningen kan variere fra 85V AC til 265V AC. SMPS kan brukes i alle land og kan gi en stabil effekt av full belastning hvis spenningen er mellom 85-265V AC. SMPS skal også fungere normalt under 50Hz og 60Hz frekvens. Dette er grunnen til at vi kan bruke telefon- og bærbare ladere i alle land.

Utgangsspesifikasjon

På utgangssiden er få belastninger motstandsdyktige, få er induktive. Avhengig av belastningen kan konstruksjonen til en SMPS være annerledes. For denne SMPS antas belastningen som en resistiv belastning. Imidlertid er det ingenting som en resistiv belastning, hver last består av i det minste en viss mengde induktans og kapasitans; her antas det at induktansen og kapasitansen til lasten er ubetydelig.

Utgangsspesifikasjonen til en SMPS er svært pålitelig av belastningen, som hvor mye spenning og strøm som kreves av belastning under alle driftsforhold. For dette prosjektet kan SMPS levere 15W-utgang. Det er 12V og 1,25A. Den målrettede utgangsbølgen er valgt som mindre 30mV pk-pk ved 20000 Hz båndbredde.

Basert på utgangsbelastningen, må vi også velge mellom å designe en SMPS med konstant spenning eller konstant strøm. Konstant spenning betyr at spenningen over belastningen vil være konstant, og strømmen vil endres tilsvarende med endringene i lastmotstand. På den annen side vil konstantstrømmodus tillate at strømmen er konstant, men endre spenningen tilsvarende med endringene i lastmotstand. Både CV og CC kan også være tilgjengelig i en SMPS, men de kan ikke fungere på en gang. Når begge alternativene finnes i en SMPS, må det være et område når SMPS vil endre sin utgang fra CV til CC og omvendt. Normalt brukes ladere i CC og CV-modus til å lade blybatterier eller litiumbatterier.

Inngangs- og utgangsbeskyttelsesfunksjoner

Det er forskjellige beskyttelseskretser som kan brukes på SMPS for sikrere og pålitelig drift. Beskyttelseskretsen beskytter både SMPS og tilkoblet belastning. Avhengig av plassering kan beskyttelseskretsen kobles over inngangen eller over utgangen. Den vanligste inngangsbeskyttelsen er Surge Protection og EMI-filtre. Overspenningsbeskyttelse beskytter SMPS mot inngangsstrøm eller overspenning i vekselstrøm. EMI-filter beskytter SMPS fra EMI-generasjon over inngangslinjen. I dette prosjektet vil begge funksjonene være tilgjengelige. Utgangsbeskyttelse inkluderer kortslutningsbeskyttelse, overspenningsbeskyttelse og overstrømsbeskyttelse. Denne SMPS-designen vil også omfatte alle disse beskyttelseskretsene.

Valg av strømstyrings-IC

Hver SMPS-krets krever en strømstyrings-IC, også kjent som bytte-IC eller SMPS IC eller tørrere IC. La oss oppsummere designhensynene for å velge den ideelle Power Management IC som passer for vårt design. Våre designkrav er

15W utgang. 12V 1,25A med mindre enn 30mV pk-pk krusning ved full belastning.
Universal inngangsvurdering.
Inngangsoverspenningsvern.
Utgang kortslutning, overspenning og overstrømbeskyttelse.
Konstant spenningsoperasjoner.

Fra kravene ovenfor er det et bredt spekter av ICer å velge mellom, men for dette prosjektet har vi valgt Power integration. Power integration er et halvlederselskap som har et bredt spekter av IC-drivere for strømdrivere i forskjellige kraftutgangsområder. Basert på kravene og tilgjengeligheten har vi bestemt oss for å bruke TNY268PN fra små switch II-familier.

På bildet ovenfor vises maksimal effekt 15W. Imidlertid vil vi lage SMPS i den åpne rammen og for universell inngangsvurdering. I et slikt segment kan TNY268PN gi 15W utgang. La oss se pin-diagrammet.

Design av 12v 1Amp SMPS Circuit

Den beste måten å bygge kretsen på er å bruke Power integrasjons PI-ekspertprogramvare. Det er utmerket programvare for strømforsyningsdesign. Kretsen er konstruert ved hjelp av Power Integration IC. Designprosedyren er forklart nedenfor, alternativt kan du også bla ned for videoen som forklarer det samme.

Trinn -1: Velg Tiny switch II og velg også ønsket pakke. Vi valgte DIP-pakken. Velg innkapslingstype, adapter eller åpen ramme. Her er Open Frame valgt.

Velg deretter Tilbakemeldingstype. Det er viktig da Flyback-topologi brukes. TL431 er et utmerket valg for tilbakemelding. TL431 er en shuntregulator, og den gir utmerket beskyttelse mot overspenning og nøyaktig utgangsspenning.

Trinn 2: Velg inngangsspenningsområdet. Siden det vil være en universell inngang SMPS, er inngangsspenningen valgt som 85-265V AC. Linjefrekvens er 50 Hz.

Trinn 3:

Velg utgangsspenning, strøm og watt. SMPS-vurderingen vil være 12V 1,25A. Effekten viser 15W. Driftsmodus er også valgt som CV, betyr driftsmodus for konstant spenning. Til slutt gjøres alt i tre enkle trinn, og skjematisk genereres.

12V SMPS kretsdiagram og forklaring

Nedenfor kretsen er litt modifisert for å passe prosjektet vårt.

Før vi går rett inn i å bygge prototypedelen, la oss utforske 12v SMPS-kretsskjemaet og dets drift. Kretsen har følgende seksjoner

Inngangssving og SMPS-feilbeskyttelse
AC-DC konvertering
PI-filter
Driverkrets eller bryterkrets
Beskyttelse mot spenning.
Klemkrets
Magnetikk og galvanisk isolasjon
EMI-filter
Sekundær likeretter og snubberkrets
Filterseksjon
Tilbakemeldingsseksjon.

Inngangssving og SMPS-feilbeskyttelse

Denne delen består av to komponenter, F1 og RV1. F1 er en 1A 250VAC sikring med langsom slag og RV1 er en 7mm 275V MOV (Metal Oxide Varistor). Under en høyspenningsbølge (mer enn 275VAC) ble MOV død kort og blåser inngangssikringen. På grunn av funksjonen for langsom slag tåler sikringen imidlertid innstrømningsstrøm gjennom SMPS.

AC-DC konvertering

Denne delen styres av diodebroen. Disse fire diodene (inne i DB107) lager en full bro likeretter. Diodene er 1N4006, men standard 1N4007 kan gjøre jobben perfekt. I dette prosjektet erstattes disse fire diodene med en full bro likeretter DB107.

PI-filter

Ulike stater har forskjellige EMI-avvisningsstandarder. Denne utformingen bekrefter EN61000-klasse 3-standarden, og PI-filteret er utformet på en slik måte å redusere EMI-avvisning i vanlig modus. Denne delen er opprettet ved hjelp av C1, C2 og L1. C1 og C2 er 400V 18uF kondensatorer. Det er en merkelig verdi, så 22uF 400V er valgt for denne applikasjonen. L1 er en vanlig modus choke som tar differensial EMI signal for å avbryte begge deler.

Driverkrets eller bryterkrets

Det er hjertet til en SMPS. Transformatorens primærside styres av bryterkretsen TNY268PN. Byttefrekvensen er 120-132 kHz. På grunn av denne høye koblingsfrekvensen kan mindre transformatorer brukes. Bryterkretsen har to komponenter, U1 og C3. U1 er hoveddriveren IC TNY268PN. C3 er bypass-kondensatoren som er nødvendig for å fungere på driver IC.

Beskyttelse mot spenning

Beskyttelse mot underspenning er utelukket av sansemotstanden R1 og R2. Den brukes når SMPS går i automatisk omstart-modus og registrerer linjespenningen.

Klemkrets

D1 og D2 er klemkretsen. D1 er TVS-dioden og D2 er en ultra-rask gjenopprettingsdiode. Transformatoren fungerer som en enorm induktor på tvers av driveren IC TNY268PN. Derfor under utkoblingssyklusen skaper transformatoren høyspennings pigger på grunn av transformatorens lekkasjeinduktans. Disse høyfrekvente spenningspiggene undertrykkes av diodeklemmen over transformatoren. UF4007 er valgt på grunn av den ultra-raske gjenopprettingen, og P6KE200A er valgt for TVS-operasjonen.

Magnetikk og galvanisk isolasjon

Transformatoren er en ferromagnetisk transformator, og den konverterer ikke bare høyspenningen til lavspenning, men gir også galvanisk isolasjon.

EMI-filter

EMI-filtrering gjøres av C4 kondensatoren. Det øker kretsens immunitet for å redusere den høye EMI-forstyrrelsen.

Sekundær likeretter og snubberkrets

Utgangen fra transformatoren rettes opp og konverteres til DC ved bruk av D6, en Schottky-likeretterdiode. Snubberkretsen over D6 gir undertrykkelse av spenningen som er forbigående under bytteoperasjoner. Snubberkretsen består av en motstand og en kondensator, R3 og C5.

Filterseksjon

Filterdelen består av en filterkondensator C6. Det er en lav ESR-kondensator for bedre avvisning av krusninger. Et LC-filter som bruker L2 og C7 gir også bedre avvisning av rippel over utgangen.

Tilbakemeldingsseksjon

Utgangsspenningen registreres av U3 TL431 og R6 og R7. Etter å ha registrert linjen, U2, blir optokoblingen styrt og galvanisk isolert den sekundære tilbakemeldingsregistreringsdelen med den primære sidekontrolleren. Optokoblingen har en transistor og en LED inne i den. Ved å kontrollere LED-en styres transistoren. Siden kommunikasjonen utføres optisk, har den ingen direkte elektrisk forbindelse, og tilfredsstiller også den galvaniske isolasjonen på tilbakemeldingskretsen.

Nå som LED-en direkte styrer transistoren, ved å gi tilstrekkelig skjevhet over optokoblings-LED-en, kan man kontrollere optokoblingstransistoren, nærmere bestemt driverkrets. Dette kontrollsystemet brukes av TL431. Da shuntregulatoren har en motstandsdeler over referansepinnen, kan den kontrollere optokoblingsledningen som er koblet over den. Tilbakemeldingspinnen har en referansespenning på 2,5V. Derfor kan TL431 bare være aktiv hvis spenningen over skillelinjen er tilstrekkelig. I vårt tilfelle er spenningsdeleren satt til en verdi på 12V. Derfor, når utgangen når 12V, får TL431 2,5V over referansepinnen og aktiverer dermed optokoblerens LED som styrer transistoren til optokoblingen og indirekte styrer TNY268PN. Hvis spenningen ikke er tilstrekkelig over utgangen, blir koblingssyklusen umiddelbart suspendert.

Først aktiverer TNY268PN den første byttesyklusen, og føl deretter at den er EN-pin. Hvis alt er i orden, vil det fortsette å bytte, hvis ikke, vil det prøve igjen etter noen ganger. Denne sløyfen fortsetter til alt blir normalt, og forhindrer dermed problemer med kortslutning eller overspenning. Dette er grunnen til at det kalles flyback-topologi, siden utgangsspenningen flys tilbake til driveren for å registrere relaterte operasjoner. Prøveløkkelen kalles også en hikke-modus for driftsforhold.

D3 er en Schottky-barrierdiode. Denne dioden konverterer høyfrekvent AC-utgang til en DC. 3A 60V Schottky-diode er valgt for pålitelig drift. R4 og R5 velges og beregnes av PI Expert. Den lager en spenningsdeler og sender strømmen til Optocoupler LED fra TL431.

R6 og R7 er en enkel spenningsdeler beregnet med formelen TL431 REF-spenning = (Vout x R7) / R6 + R7. Referansespenningen er 2,5V og Vout er 12V. Ved å velge verdien på R6 23,7k, ble R7 omtrent 9,09k.

Fabrikasjon av PCB for 12V 1A SMPS-krets

Nå som vi forstår hvordan skjemaene fungerer, kan vi fortsette med å bygge PCB for SMPS. Siden dette er en SMPS-krets, anbefales et PCB, da det kan håndtere støy- og isolasjonsproblemer. PCB-oppsettet for kretsen ovenfor er også tilgjengelig for nedlasting som Gerber fra lenken

Last ned Gerber-fil for 15W SMPS-krets

Nå som Designet vårt er klart, er det på tide å få dem produsert ved hjelp av Gerber-filen. For å få PCB ferdig er ganske enkelt, følg bare trinnene nedenfor

Trinn 1: Gå inn på www.pcbgogo.com, registrer deg hvis dette er første gang. Deretter skriver du inn dimensjonene på PCB, antall lag og antall PCB du trenger i kategorien PCB Prototype. Forutsatt at PCB er 80cm × 80cm, kan du stille inn dimensjonene som vist nedenfor.

Trinn 2: Fortsett ved å klikke på Sitat nå- knappen. Du vil bli ført til en side der du kan angi noen ekstra parametere hvis nødvendig, som materialet som brukes sporavstand osv. Men for det meste vil standardverdiene fungere bra. Det eneste vi må vurdere her er pris og tid. Som du kan se, er byggetiden bare 2-3 dager, og det koster bare $ 5 for PSB. Du kan deretter velge en foretrukket fraktmetode basert på dine krav.

Trinn 3: Det siste trinnet er å laste opp Gerber-filen og fortsette med betalingen. For å sikre at prosessen er jevn, verifiserer PCBGOGO om Gerber-filen din er gyldig før du fortsetter med betalingen. På denne måten kan du være sikker på at PCB-en din er fabrikasjonsvennlig og vil nå deg som engasjert.

Montering av PCB

Etter at brettet var bestilt, nådde det meg etter noen dager, selv om bud i en pent merket, godt pakket eske, og som alltid var kvaliteten på PCB fantastisk. PCB som ble mottatt av meg er vist nedenfor

Jeg skrudde på loddestangen og begynte å montere brettet. Siden Footprints, pads, vias og silkscreen har perfekt form og størrelse, hadde jeg ikke noe problem å montere brettet. Min PCB festet til loddeskruen er vist nedenfor.

Komponenter Anskaffelse

Alle komponentene for denne 12v 15w SMPS-kretsen anskaffes i henhold til skjematisk. Detaljlisten finner du i Excel-filen nedenfor for nedlasting.

15W SMPS Design - Stoffliste

Nesten alle komponentene er lett tilgjengelige for bruk på hyllen. Du kan finne problemer med å finne riktig transformator for dette prosjektet. Normalt for en SMPS-krets er ikke tilbakekoblingstransformator tilgjengelig fra leverandørene direkte, i de fleste tilfeller må du spole din egen transformator hvis du trenger effektive resultater. Det er imidlertid også greit å bruke en lignende flyback-transformator, og kretsen din vil fortsatt fungere. Den ideelle spesifikasjonen for transformatoren vår vil bli gitt av PI Expert-programvaren som vi brukte tidligere.

Mekanisk og elektrisk diagram av transformatoren hentet fra PI Expert er vist nedenfor.

Hvis du ikke finner riktig leverandør, kan du redde en transformator fra en 12V adapter eller andre SMPS-kretser. Alternativt kan du også bygge din egen transformatorkjøp ved hjelp av følgende materialer og viklingsinstruksjoner.

Når alle komponentene er anskaffet, bør det være enkelt å montere dem. Du kan bruke Gerber-filen og BOM til referanse og monterte PCB-kortet. Når du er ferdig ser PCB-forsiden og baksiden ut som dette nedenfor

Testing av 15W SMPS-kretsen

Nå som kretsen vår er klar, er det på tide å ta den for en spinn. Vi vil koble kortet til vekselstrøm via en VARIAC og laste utgangssiden med en lastemaskin og måle rippelspenningen for å kontrollere ytelsen til kretsen vår. Full testprosedyre video kan også bli funnet på slutten av denne siden. Bildet nedenfor viser kretsen som er testet med en inngangsstrøm på 230V AC som vi får en utgang på 12.08V

Måling av ringspenning ved bruk av oscilloskop

For å måle rippelspenningen med oscilloskop, må du endre inngangen til omfanget til AC med en forsterkning på 1x. Koble deretter til en lavverdig elektrolytisk kondensator og en lavverdig keramisk kondensator for å plukke opp støyreduksjoner på grunn av ledninger. Du kan se side 40 i dette RDR-295-dokumentet fra Power Integration for mer informasjon om denne prosedyren.

Øyeblikksbildet nedenfor ble tatt uten belastning på både 85VAC og 230VAC. Skalaen er satt til 10mV per divisjon, og som du ser er krusningen nesten 10mV pk-pk.

Ved 90VAC-inngang og med full belastning, kan rippelen sees på rundt 20mV pk-pk

I 230VAC og ved full belastning blir rippelspenningen målt til rundt 30mV pk-pk, som er det verste tilfellet

Det er det; dette er hvordan du kan designe din egen 12v SMPS-krets. Når du har forstått arbeidet, kan du endre 12V SMPS-kretsskjemaet for å passe til spennings- og strømbehovet ditt. Håper du forsto opplæringen og likte å lære noe nyttig. Hvis du har spørsmål, la dem være i kommentarseksjonen eller bruk forumene våre for tekniske diskusjoner. Møter deg igjen med en annen interessant SMPS-design, til da avlogger…