12V 1a smps strömförsörjningskretsdesign på kretskort

Varje elektronisk enhet eller produkt kräver en pålitlig strömförsörjningsenhet (PSU) för att använda den. Nästan alla enheter i vårt hem, som TV, skrivare, musikspelare etc. består av en inbyggd strömförsörjningsenhet som omvandlar växelspänningen till en lämplig likspänningsnivå för att de ska fungera. Den vanligaste typen av strömförsörjningskrets är SMPS (Switching Mode Power Supply), du kan enkelt hitta den här typen av kretsar i din 12V-adapter eller mobil / bärbar laddare. I den här handledningen lär vi oss hur man bygger en 12V SMPS-kretssom skulle konvertera nätström till 12V DC med en maximal strömstyrka på 1,25A. Denna krets kan användas för att driva små belastningar eller till och med anpassas till en laddare för att ladda blybatterier och litiumbatterier. Om denna 12v 15 watts strömförsörjningskrets inte matchar ditt krav kan du kontrollera olika strömförsörjningskretsar med olika betyg.

12v SMPS-krets - Designöverväganden

Innan du fortsätter med någon form av strömförsörjningsdesign måste kravanalys göras baserat på den miljö där vår strömförsörjning kommer att användas. Olika typer av strömförsörjning fungerar i olika miljöer och med specifika in- och utgångsgränser.

Ingångsspecifikation

Låt oss börja med ingången. En ingångsspänning är det första som kommer att användas av SMPS och kommer att omvandlas till ett användbart värde för att mata belastningen. Eftersom denna design är specificerad för AC-DC-omvandling kommer ingången att vara växelström (AC). För Indien finns ingångsströmmen tillgänglig i 220-230 volt, för USA är den märkt för 110 volt. Det finns också andra nationer som använder olika spänningsnivåer. Generellt fungerar SMPS med universell ingångsspänningräckvidd. Detta betyder att ingångsspänningen kan skilja sig från 85V AC till 265V AC. SMPS kan användas i vilket land som helst och kan ge en stabil effekt av full belastning om spänningen är mellan 85-265V AC. SMPS bör också fungera normalt under 50Hz och 60Hz frekvens också. Detta är anledningen till att vi kan använda våra telefon- och bärbara laddare i vilket land som helst.

Produktspecifikation

På utgångssidan är få belastningar resistiva, få induktiva. Beroende på belastningen kan en SMPS-konstruktion vara annorlunda. För denna SMPS antas belastningen vara en resistiv belastning. Det finns dock ingenting som en resistiv belastning, varje belastning består av åtminstone en viss mängd induktans och kapacitans; här antas det att belastningens induktans och kapacitans är försumbar.

Produktspecifikationen för en SMPS är mycket pålitlig på belastningen, som hur mycket spänning och ström som krävs av belastning under alla driftsförhållanden. För detta projekt kan SMPS ge 15W-utdata. Det är 12V och 1,25A. Den riktade utgående krusningen väljs som mindre 30mV pk-pk vid 20000 Hz bandbredd.

Baserat på uteffekten måste vi också välja mellan att utforma en SMPS med konstant spänning eller konstant ström. Konstant spänning betyder att spänningen över belastningen kommer att vara konstant och strömmen kommer att ändras i enlighet med förändringarna i belastningsmotståndet. Å andra sidan kommer konstant strömläge att tillåta strömmen att vara konstant men ändra spänningen i enlighet med förändringarna i belastningsmotståndet. Både CV och CC kan också vara tillgängliga i en SMPS men de kan inte fungera på en gång. När båda alternativen finns i en SMPS, måste det finnas ett intervall när SMPS kommer att ändra sin utgång från CV till CC och vice versa. Normalt används CC- och CV-laddare för att ladda blybatterier eller litiumbatterier.

Ingångs- och utgångsskyddsfunktioner

Det finns olika skyddskretsar som kan användas på SMPS för säkrare och pålitlig drift. Skyddskretsen skyddar både SMPS och den anslutna belastningen. Beroende på plats kan skyddskretsen anslutas över ingången eller över utgången. Det vanligaste ingångsskyddet är överspänningsskydd och EMI-filter. Överspänningsskydd skyddar SMPS från ingångsspänningar eller AC-överspänning. EMI-filter skyddar SMPS från EMI-generation över ingångsraden. I detta projekt kommer båda funktionerna att finnas tillgängliga. Utgångsskydd inkluderar kortslutningsskydd, överspänningsskydd och överströmsskydd. Denna SMPS-design kommer också att omfatta alla dessa skyddskretsar.

Val av IC för strömhantering

Varje SMPS-krets kräver en strömhanterings-IC, även kallad switch-IC eller SMPS IC eller Drier IC. Låt oss sammanfatta designövervägandena för att välja den perfekta Power Management IC som passar vår design. Våra designkrav är

15W uteffekt. 12V 1,25A med mindre än 30mV pk-pk krusning vid full belastning.
Universal ingångsbetyg.
Ingångsöverspänningsskydd.
Utgång kortslutning, överspänning och överströmsskydd.
Konstant spänningsoperationer.

Från ovanstående krav finns det ett brett utbud av IC: er att välja mellan, men för detta projekt har vi valt Power integration. Power integration är ett halvledarföretag som har ett brett utbud av IC-drivkretsar i olika effektutbud. Baserat på kraven och tillgängligheten har vi beslutat att använda TNY268PN från små switch II-familjer.

I bilden ovan visas den maximala effekten 15W. Vi kommer dock att göra SMPS i den öppna ramen och för den universella ingångsbetyget. I ett sådant segment kan TNY268PN ge 15W-uteffekt. Låt oss se stiftdiagrammet.

Designa 12V 1Amp SMPS-krets

Det bästa sättet att bygga kretsen är att använda Power integrations PI-expertprogramvara. Det är utmärkt programvara för strömförsörjning. Kretsen är konstruerad med Power Integration IC. Nedan förklaras designproceduren, alternativt kan du också bläddra ner för videon som förklarar densamma.

Steg -1: Välj Tiny switch II och välj också önskat paket. Vi valde DIP-paketet. Välj kapslingstyp, adapter eller öppen ram. Här väljs Open Frame.

Välj sedan återkopplingstyp. Det är viktigt eftersom Flyback-topologi används. TL431 är ett utmärkt val för feedback. TL431 är en shuntregulator och ger utmärkt överspänningsskydd och exakt utspänning.

Steg 2: Välj ingångsspänningsområde. Eftersom det kommer att vara en universell ingång SMPS, väljs ingångsspänningen som 85-265V AC. Linjefrekvensen är 50 Hz.

Steg 3:

Välj utspänning, ström och watt. SMPS-betyg kommer att vara 12V 1,25A. Effekten visar 15W. Driftläget är också valt som CV, betyder driftsläge för konstant spänning. Slutligen görs allt i tre enkla steg och schemat skapas.

12V SMPS-kretsschema och förklaring

Nedanstående krets är något modifierad för att passa vårt projekt.

Innan vi går direkt in i byggandet av prototypdelen, låt oss utforska 12V SMPS-kretsschemat och dess funktion. Kretsen har följande avsnitt

Ingångsskydd och SMPS-felskydd
AC-DC-omvandling
PI-filter
Drivkrets eller omkopplingskrets
Låsskydd under spänning.
Klämkrets
Magnetik och galvanisk isolering
EMI-filter
Sekundär likriktare och snubberkrets
Filtersektion
Feedback avsnitt.

Ingångsskydd och SMPS-felskydd

Detta avsnitt består av två komponenter, F1 och RV1. F1 är en 1A 250VAC långsam säkring och RV1 är en 7mm 275V MOV (Metal Oxide Varistor). Under en högspänning (mer än 275VAC) blev MOV död kort och blåser ingångssäkring. Men på grund av den långsamma blåsningsfunktionen tål säkringen inströmningsström genom SMPS.

AC-DC-omvandling

Detta avsnitt styrs av diodbryggan. Dessa fyra dioder (inuti DB107) gör en full brygglikriktare. Dioderna är 1N4006, men standard 1N4007 kan göra jobbet perfekt. I det här projektet ersätts dessa fyra dioder med en full brygglikriktare DB107.

PI-filter

Olika stater har olika EMI-avvisningsstandarder. Denna konstruktion bekräftar EN61000-klass 3-standarden och PI-filtret är utformat på ett sådant sätt att det vanliga EMI-avvisandet minskar. Detta avsnitt skapas med C1, C2 och L1. C1 och C2 är 400V 18uF kondensatorer. Det är ett udda värde så 22uF 400V väljs för denna applikation. L1 är en vanlig choke som tar differentiell EMI-signal för att avbryta båda.

Drivkrets eller kopplingskrets

Det är hjärtat i en SMPS. Transformatorns primära sida styrs av omkopplingskretsen TNY268PN. Växelfrekvensen är 120-132 kHz. På grund av denna höga omkopplingsfrekvens kan mindre transformatorer användas. Omkopplingskretsen har två komponenter, U1 och C3. U1 är huvuddrivrutinen IC TNY268PN. C3 är den förbikopplingskondensator som behövs för att arbeta med vår förar-IC.

Låsskydd under spänning

Utspänningsskydd görs av avkänningsmotståndet R1 och R2. Den används när SMPS går in i autostartläget och känner av nätspänningen.

Klämkrets

D1 och D2 är klämkretsen. D1 är TVS-dioden och D2 är en ultra-snabb återvinningsdiod. Transformatorn fungerar som en enorm induktor över kraftdrivrutinen IC TNY268PN. Därför under omkoppling frånslagen cykel, skapar transformatorn höga spänningsspikar på grund av läckinduktansen hos transformatorn. Dessa högfrekventa spikar undertrycks av diodklämman över transformatorn. UF4007 har valts på grund av den extremt snabba återställningen och P6KE200A har valts för TVS-funktionen.

Magnetik och galvanisk isolering

Transformatorn är en ferromagnetisk transformator och den omvandlar inte bara högspänning växelström till lågspänning växelström utan ger också galvanisk isolering.

EMI-filter

EMI-filtrering görs av C4-kondensatorn. Det ökar kretsens immunitet för att minska den höga EMI-störningen.

Sekundär likriktare och snubberkrets

Utgången från transformatorn korrigeras och omvandlas till DC med D6, en Schottky-likriktardiod. Snubberkretsen över D6 ger dämpning av spänningen som är transient under omkopplingsoperationer. Snubberkretsen består av ett motstånd och en kondensator, R3 och C5.

Filtersektion

Filtersektionen består av en filterkondensator C6. Det är en låg ESR-kondensator för bättre avstötning av krusningar. Ett LC-filter som använder L2 och C7 ger också bättre rippelavstötning över utgången.

Feedback avsnitt

Utspänningen känns av U3 TL431 och R6 och R7. Efter avkänning av linjen U2 styrs optokopplaren och isolerar den sekundära återkopplingsavkänningsdelen galvaniskt med den primära sidostyrenheten. Optokopplaren har en transistor och en LED inuti. Genom att styra lysdioden styrs transistorn. Eftersom kommunikationen sker optiskt har den ingen direkt elektrisk anslutning, vilket uppfyller också den galvaniska isoleringen på återkopplingskretsen.

Nu, eftersom lysdioden direkt styr transistorn, genom att tillhandahålla tillräcklig förspänning över optokopplingslampan, kan man styra optokopplingstransistorn, mer specifikt drivkrets. Detta styrsystem används av TL431. Eftersom shuntregulatorn har en motståndsdelare över sin referensstift, kan den styra optokopplingsledningen som är ansluten över den. Återkopplingsstiftet har en referensspänning på 2,5V. Därför kan TL431 endast vara aktiv om spänningen över delaren är tillräcklig. I vårt fall är spänningsdelaren inställd på ett värde på 12V. När utgången når 12V blir TL431 därför 2,5V över referensstiftet och aktiverar därmed optokopplarens lysdiod som styr optokopplarens transistor och indirekt styr TNY268PN. Om spänningen inte är tillräcklig över utgången avbryts omedelbart cykeln.

Först aktiverar TNY268PN den första växlingscykeln och känner sedan att den är EN-pin. Om allt är okej kommer det att fortsätta växla, om inte, kommer det att försöka igen efter ibland. Denna slinga fortsätter tills allt blir normalt, vilket förhindrar kortslutning eller överspänningsproblem. Det är därför det kallas flyback-topologi, eftersom utspänningen flys tillbaka till föraren för avkänningsrelaterade operationer. Försöksslingan kallas också ett hicka-driftsläge vid felfunktionen.

D3 är en Schottky-barriärdiod. Denna diod omvandlar högfrekvent växelströmsutgång till en likström. 3A 60V Schottky-diod är vald för tillförlitlig drift. R4 och R5 väljs och beräknas av PI Expert. Det skapar en spänningsdelare och överför strömmen till Optocoupler-lysdioden från TL431.

R6 och R7 är en enkel spänningsdelare beräknad med formeln TL431 REF-spänning = (Vout x R7) / R6 + R7. Referensspänningen är 2,5V och Vout är 12V. Genom att välja värdet på R6 23,7k blev R7 ungefär 9,09k.

Tillverkar kretskort för 12v 1A SMPS-krets

Nu när vi förstår hur schemat fungerar kan vi fortsätta med att bygga PCB för vår SMPS. Eftersom detta är en SMPS-krets rekommenderas ett kretskort eftersom det kan hantera problem med buller och isolering. PCB-layouten för ovanstående krets är också tillgänglig för nedladdning som Gerber från länken

Ladda ner Gerber-fil för 15W SMPS-krets

Nu när vår design är klar är det dags att få dem tillverkade med Gerber-filen. För att få PCB gjort är ganska enkelt, följ bara stegen nedan

Steg 1: Gå in på www.pcbgogo.com, registrera dig om det är första gången. På fliken PCB Prototype anger du måtten på din PCB, antalet lager och antalet PCB du behöver. Förutsatt att kretskortet är 80 cm × 80 cm kan du ställa in måtten enligt nedan.

Steg 2: Fortsätt genom att klicka på knappen Citera nu . Du kommer till en sida där du kan ställa in några ytterligare parametrar om det behövs, till exempel det material som används spåravstånd etc. Men vanligtvis fungerar standardvärdena bra. Det enda som vi måste tänka på här är pris och tid. Som du kan se är byggtiden bara 2-3 dagar och det kostar bara 5 USD för vår PSB. Du kan sedan välja en föredragen leveransmetod baserat på ditt krav.

Steg 3: Det sista steget är att ladda upp Gerber-filen och fortsätta med betalningen. För att säkerställa att processen är smidig verifierar PCBGOGO om din Gerber-fil är giltig innan du fortsätter med betalningen. På så sätt kan du vara säker på att din PCB är tillverkningsvänlig och når dig som engagerad.

Montering av kretskortet

Efter att tavlan beställdes nådde den mig efter några dagar, även om kurir i en prydligt märkt välpackad låda och som alltid var PCB-kvaliteten fantastisk. Kretskortet som mottogs av mig visas nedan

Jag slog på min lödstång och började montera brädet. Eftersom Footprints, kuddar, vias och silkscreen har perfekt form och storlek hade jag inga problem att montera kortet. Mitt kretskort fastspänt till lödskruven visas nedan.

Komponenter Inköp

Alla komponenter för denna 12V 15W SMPS-krets anskaffas enligt schemat. Detaljerad BOM hittar du i nedanstående Excel-fil för nedladdning.

15W SMPS-design - materialförteckning

Nästan alla komponenter är tillgängliga för användning från hyllan. Du kan hitta problem med att hitta rätt transformator för detta projekt. Normalt för en SMPS-kretskoppling är inte flyback-transformator tillgänglig direkt från leverantörerna, i de flesta fall måste du spola din egen transformator om du behöver effektiva resultat. Men det är också okej att använda en liknande flyback-transformator och din krets fungerar fortfarande. Den perfekta specifikationen för vår transformator kommer från PI Expert-programvaran som vi använde tidigare.

Nedan visas det mekaniska och elektriska diagrammet för transformatorn från PI Expert.

Om du inte kan hitta rätt leverantör kan du rädda en transformator från en 12V-adapter eller andra SMPS-kretsar. Alternativt kan du också bygga din egen transformatorköp med hjälp av följande material och lindningsinstruktioner.

När alla komponenter har anskaffats bör det vara enkelt att montera dem. Du kan använda Gerber-filen och BOM för referens och monterade PCB-kortet. En gång gjort ser min PCB framsida och baksida ungefär så här ut nedan

Testar vår 15W SMPS-krets

Nu när vår krets är klar är det dags att ta det för en snurr. Vi ansluter kortet till nätströmmen via en VARIAC och laddar utmatningssidan med en lastmaskin och mäter rippelspänningen för att kontrollera kretsens prestanda. Fullständig testprocedurvideo finns också i slutet av denna sida. Bilden nedan visar den testade kretsen med en ingångs växelspänning på 230V AC för vilken vi får en utgång på 12.08V

Mäta rippelspänning med hjälp av oscilloskop

För att mäta rippelspänningen med oscilloskop, ändra ingången till omfång till AC med en förstärkning på 1x. Anslut sedan en lågvärdig elektrolytkondensator och en keramisk kondensator med lågt värde för att plocka upp brusreduceringar på grund av ledningar. Du kan se sidan 40 i detta RDR-295-dokument från Power Integration för mer information om den här proceduren.

Nedanstående ögonblicksbild togs i obelastat skick på både 85VAC och 230VAC. Skalan är inställd på 10mV per division och som du ser är krusningen nästan 10mV pk-pk.

Vid 90VAC-ingång och med full belastning kan krusningen ses vid cirka 20mV pk-pk

I 230VAC och vid full belastning mäts rippelspänningen till cirka 30mV pk-pk vilket är det värsta fallet

Nu räcker det; så kan du designa din egen 12v SMPS-krets. När du väl har förstått arbetet kan du ändra 12V SMPS-kretsschemat för att passa dina spännings- och effektbehov. Hoppas att du förstod handledningen och tyckte om att lära dig något användbart. Om du har några frågor lämnar du dem i kommentarsektionen eller använder våra forum för tekniska diskussioner. Möt dig igen med en annan intressant SMPS-design, fram till dess att du loggar ut….