12V 1a smps strømforsyningskredsløb på pcb

Hvert elektronisk udstyr eller produkt kræver en pålidelig strømforsyningsenhed (PSU) for at betjene det. Næsten alle enheder i vores hjem, såsom tv, printer, musikafspiller osv. Består af en indbygget strømforsyningsenhed, der konverterer vekselstrømsspændingen til et passende jævnstrømsniveau, så de kan fungere. Den mest anvendte type strømforsyningskredsløb er SMPS (Switching Mode Power Supply), du kan nemt finde denne type kredsløb i din 12V adapter eller mobil / bærbar oplader. I denne vejledning lærer vi, hvordan man bygger et 12v SMPS-kredsløbder ville konvertere vekselstrøm til 12V DC med en maksimal strømværdi på 1,25A. Dette kredsløb kan bruges til at drive små belastninger eller endda tilpasses til en oplader til at oplade bly- og lithiumbatterier. Hvis dette 12v 15watt strømforsyningskredsløb ikke svarer til dit krav, kan du kontrollere forskellige strømforsyningskredsløb med forskellige ratings.

12v SMPS-kredsløb - Designovervejelser

Inden du fortsætter med nogen form for strømforsyningsdesign, skal der analyseres krav baseret på det miljø, hvor vores strømforsyning skal bruges. Forskellige slags strømforsyning fungerer i forskellige miljøer og med specifikke input-output-grænser.

Input Specifikation

Lad os starte med input. En indgangsforsyningsspænding er den første ting, der vil blive brugt af SMPS og vil blive omdannet til en nyttig værdi til fødning af belastningen. Da dette design er specificeret til AC-DC-konvertering, vil indgangen være vekselstrøm (AC). For Indien er indgangsstrømmen tilgængelig i 220-230 volt, for USA er den nominel til 110 volt. Der er også andre nationer, der bruger forskellige spændingsniveauer. Generelt fungerer SMPS med universel indgangsspændingrækkevidde. Dette betyder, at indgangsspændingen kan afvige fra 85V AC til 265V AC. SMPS kan bruges i ethvert land og kan give en stabil output af fuld belastning, hvis spændingen er mellem 85-265V AC. SMPS skal også fungere normalt under 50Hz og 60Hz frekvens. Dette er grunden til, at vi er i stand til at bruge vores telefon- og bærbare opladere i ethvert land.

Output Specifikation

På udgangssiden er få belastninger resistive, få er induktive. Afhængig af belastningen kan konstruktionen af en SMPS være forskellig. For denne SMPS antages belastningen som en resistiv belastning. Imidlertid er der intet som en resistiv belastning, hver belastning består i det mindste af en vis mængde induktans og kapacitans; her antages det, at belastningens induktans og kapacitans er ubetydelige.

Outputspecifikationen for en SMPS er meget pålidelig på belastningen, ligesom hvor meget spænding og strøm der kræves af belastning under alle driftsforhold. For dette projekt kunne SMPS levere 15W output. Det er 12V og 1,25A. Den målrettede output-krusning er valgt som mindre 30mV pk-pk ved 20000 Hz båndbredde.

Baseret på outputbelastningen skal vi også vælge mellem designet af en konstant spændings SMPS eller konstant strøm SMPS. Konstant spænding betyder, at spændingen over belastningen vil være konstant, og strømmen vil blive ændret i overensstemmelse hermed med ændringerne i belastningsmodstand. På den anden side tillader konstant strømtilstand, at strømmen er konstant, men ændrer spændingen i overensstemmelse hermed med ændringer i belastningsmodstand. Både CV og CC kan også være tilgængelige i en SMPS, men de kan ikke arbejde på en gang. Når begge muligheder findes i en SMPS, skal der være et interval, når SMPS vil ændre sin outputfunktion fra CV til CC og omvendt. Normalt bruges CC- og CV-opladere til at oplade bly- eller lithiumbatterier.

Funktioner til beskyttelse af input og output

Der er forskellige beskyttelseskredsløb, der kan anvendes på SMPS til sikrere og pålidelig drift. Beskyttelseskredsløbet beskytter SMPS såvel som den tilsluttede belastning. Afhængigt af placeringen kan beskyttelseskredsløbet forbindes på tværs af input eller på tværs af output. Den mest almindelige inputbeskyttelse er Surge Protection og EMI-filtre. Overspændingsbeskyttelse beskytter SMPS mod indgangsspændinger eller AC-overspænding. EMI-filter beskytter SMPS mod EMI-generation på tværs af inputlinjen. I dette projekt vil begge funktioner være tilgængelige. Outputbeskyttelse inkluderer kortslutningsbeskyttelse, overspændingsbeskyttelse og overstrømsbeskyttelse. Dette SMPS-design inkluderer også alle disse beskyttelseskredsløb.

Valg af strømstyrings-IC

Hvert SMPS-kredsløb kræver en strømstyrings-IC, også kendt som switch IC eller SMPS IC eller Drier IC. Lad os sammenfatte designovervejelserne for at vælge den ideelle strømstyrings-IC, der passer til vores design. Vores designkrav er

15W output. 12V 1,25A med mindre end 30mV pk-pk krusning ved fuld belastning.
Universal input-klassificering.
Input overspændingsbeskyttelse.
Output kortslutning, overspænding og overstrømsbeskyttelse.
Konstant spændingsoperationer.

Fra ovenstående krav er der bred vifte af IC'er at vælge imellem, men til dette projekt har vi valgt Power integration. Power integration er et halvlederfirma, der har en bred vifte af power driver IC'er i forskellige effektudgangsområder. Baseret på kravene og tilgængeligheden har vi besluttet at bruge TNY268PN fra små switch II-familier.

I ovenstående billede vises den maksimale effekt 15W. Vi laver dog SMPS i den åbne ramme og til den universelle indgangsklassificering. I et sådant segment kunne TNY268PN levere 15W output. Lad os se pin-diagrammet.

Design af 12v 1Amp SMPS-kredsløb

Den bedste måde at opbygge kredsløbet på er at bruge Power integration's PI-ekspertsoftware. Det er fremragende software til design af strømforsyning. Kredsløbet er konstrueret ved hjælp af Power Integration IC. Nedenfor forklares designproceduren, alternativt kan du også rulle ned for videoen, der forklarer det samme.

Trin -1: Vælg Tiny switch II, og vælg også den ønskede pakke. Vi valgte DIP-pakken. Vælg kapslingstype, adapter eller åben ramme. Her vælges Open Frame.

Vælg derefter Feedback-typen. Det er vigtigt, da Flyback-topologi anvendes. TL431 er et fremragende valg til feedback. TL431 er en shuntregulator, og den giver fremragende overspændingsbeskyttelse og nøjagtig udgangsspænding.

Trin 2: Vælg indgangsspændingsområdet. Da det vil være en universal input SMPS, vælges indgangsspændingen som 85-265V AC. Linjefrekvens er 50 Hz.

Trin 3:

Vælg udgangsspænding, strøm og watt. SMPS-klassificeringen vil være 12V 1,25A. Effekten viser 15W. Driftstilstanden er også valgt som CV, betyder driftstilstand med konstant spænding. Endelig gøres alt i tre nemme trin, og skematisk genereres.

12V SMPS kredsløbsdiagram og forklaring

Nedenstående kredsløb er let modificeret til at passe til vores projekt.

Før vi går direkte ind i opbygningen af prototypedelen, lad os udforske 12v SMPS-kredsløbsdiagrammet og dets funktion. Kredsløbet har følgende afsnit

Inputbølge og SMPS-fejlbeskyttelse
AC-DC konvertering
PI-filter
Driverkredsløb eller Skiftekredsløb
Spændingsbeskyttelse under spænding.
Klemkredsløb
Magnetik og galvanisk isolering
EMI-filter
Sekundær ensretter og snubber kredsløb
Filtersektion
Feedback sektion.

Inputbølge og SMPS-fejlbeskyttelse

Dette afsnit består af 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 højspændingsbølge (mere end 275VAC) blev MOV død kort og blæser indgangssikringen. På grund af den langsomme blæse-funktion modstår sikringen imidlertid indgangsstrøm gennem SMPS.

AC-DC konvertering

Dette afsnit styres af diodebroen. Disse fire dioder (inde i DB107) udgør en fuld bro ensretter. Dioderne er 1N4006, men standard 1N4007 kan udføre jobbet perfekt. I dette projekt udskiftes disse fire dioder med en fuld bro ensretter DB107.

PI-filter

Forskellige stater har forskellige EMI-afvisningsstandarder. Dette design bekræfter EN61000-klasse 3-standarden, og PI-filteret er designet på en sådan måde at reducere den fælles-mode EMI-afvisning. Dette afsnit oprettes ved hjælp af C1, C2 og L1. C1 og C2 er 400V 18uF kondensatorer. Det er en ulige værdi, så 22uF 400V er valgt til denne applikation. L1 er en almindelig choker, der tager differentielt EMI-signal for at annullere begge dele.

Driver kredsløb eller skifte kredsløb

Det er hjertet i en SMPS. Transformatorens primære side styres af koblingskredsløbet TNY268PN. Skiftefrekvensen er 120-132 kHz. På grund af denne høje skiftefrekvens kan mindre transformere bruges. Skiftekredsløbet har to komponenter, U1 og C3. U1 er den vigtigste driver IC TNY268PN. C3 er den bypass-kondensator, der er nødvendig for at arbejde med vores driver IC.

Spændingsbeskyttelse under spænding

Beskyttelse mod spænding under spænding udføres af sensormodstanden R1 og R2. Det bruges, når SMPS går i auto-genstartstilstand og registrerer netspændingen.

Klemkredsløb

D1 og D2 er klemkredsen. D1 er TVS-dioden, og D2 er en ultrahurtig genoprettelsesdiode. Transformatoren fungerer som en enorm induktor på tværs af driveren IC TNY268PN. Derfor skaber transformatoren under frakoblingscyklussen højspændingsspidser på grund af transformatorens lækageinduktans. Disse højfrekvente spændingsspidser undertrykkes af diodeklemmen på tværs af transformeren. UF4007 er valgt på grund af den ultrahurtige gendannelse, og P6KE200A er valgt til TVS-operationen.

Magnetik og galvanisk isolering

Transformatoren er en ferromagnetisk transformer, og den konverterer ikke kun højspændings AC til lavspændings AC, men giver også galvanisk isolering.

EMI-filter

EMI-filtrering udføres af C4 kondensatoren. Det øger kredsløbets immunitet for at reducere den høje EMI-interferens.

Sekundær ensretter og snubber kredsløb

Outputtet fra transformeren er rettet og konverteret til DC ved hjælp af D6, en Schottky-ensretterdiode. Snubber-kredsløbet over D6 tilvejebringer undertrykkelse af spændingens forbigående under skifteoperationer. Snubber-kredsløbet består af en modstand og en kondensator, R3 og C5.

Filtersektion

Filtersektionen består af en filterkondensator C6. Det er en lav ESR-kondensator til bedre afvisning af krusninger. Et LC-filter, der bruger L2 og C7, giver også bedre afvisning af krusninger på tværs af output.

Feedback sektion

Udgangsspændingen registreres af U3 TL431 og R6 og R7. Efter registrering af linjen U2 styres optokobleren og galvanisk isolerer den sekundære feedback-sensordel med den primære sidestyring. Optokobleren har en transistor og en LED inde i den. Ved at styre LED'en styres transistoren. Da kommunikationen udføres optisk, har den ingen direkte elektrisk forbindelse, hvilket også tilfredsstiller den galvaniske isolering på feedback-kredsløbet.

Nu, da LED'en direkte styrer transistoren, ved at tilvejebringe tilstrækkelig forspænding på tværs af optocoupler-LED'en, kan man styre optocoupler-transistoren, mere specifikt driverkredsløb. Dette styresystem er anvendt af TL431. Da shuntregulatoren har en modstandsdeler på tværs af referencestiften, kan den styre den optokoblerdiode, der er forbundet over den. Feedbackstiften har en referencespænding på 2,5V. Derfor kan TL431 kun være aktiv, hvis spændingen over skillelinjen er tilstrækkelig. I vores tilfælde indstilles spændingsdeleren til en værdi på 12V. Derfor, når output når 12V, får TL431 2,5V på tværs af referencestiften og aktiverer således optokoblingens LED, som styrer transistor på optokobleren og indirekte styrer TNY268PN. Hvis spændingen ikke er tilstrækkelig på tværs af udgangen, afbrydes omskiftningscyklussen med det samme.

Først aktiverer TNY268PN den første skiftecyklus og fornemmer derefter, at det er EN-pin. Hvis alt er i orden, fortsætter det skiftet, hvis ikke, vil det prøve igen efter nogle gange. Denne løkke fortsættes, indtil alt bliver normalt, hvilket forhindrer problemer med kortslutning eller overspænding. Dette kaldes flyback-topologi, da udgangsspændingen flyves tilbage til driveren for at registrere relaterede operationer. Prøvesløjfen kaldes også en hikke-funktionstilstand under fejltilstanden.

D3 er en Schottky-barrierdiode. Denne diode konverterer højfrekvent AC-udgang til en DC. 3A 60V Schottky-diode er valgt til pålidelig drift. R4 og R5 vælges og beregnes af PI-eksperten. Det opretter en spændingsdeler og sender strømmen til Optocoupler-LED'en fra TL431.

R6 og R7 er en simpel spændingsdeler beregnet med formlen TL431 REF-spænding = (Vout x R7) / R6 + R7. Referencespændingen er 2,5V og Vout er 12V. Ved at vælge værdien på R6 23,7k blev R7 ca. 9,09k.

Fabrikation af printkort til 12v 1A SMPS-kredsløb

Nu hvor vi forstår, hvordan skemaerne fungerer, kan vi fortsætte med at opbygge printkortet til vores SMPS. Da dette er et SMPS-kredsløb, anbefales et printkort, da det kan håndtere støj- og isolationsproblemer. PCB-layoutet til ovenstående kredsløb kan også downloades som Gerber fra linket

Download Gerber-fil til 15W SMPS-kredsløb

Nu, hvor vores design er klar, er det tid til at få dem fabrikeret ved hjælp af Gerber-filen. For at få printkortet gjort er ret nemt, skal du blot følge nedenstående trin

Trin 1: Gå ind på www.pcbgogo.com, tilmeld dig, hvis det er første gang. Indtast derefter dimensionerne på din PCB, antallet af lag og antallet af PCB, du har brug for, på fanen PCB Prototype. Under forudsætning af, at printkortet er 80 cm × 80 cm, kan du indstille målene som vist nedenfor.

Trin 2: Fortsæt ved at klikke på knappen Citér nu . Du vil blive ført til en side, hvor du kan indstille få yderligere parametre, hvis det kræves, som det anvendte materiale sporafstand osv. Men for det meste fungerer standardværdierne fint. Det eneste, vi skal overveje her, er pris og tid. Som du kan se, er byggetiden kun 2-3 dage, og det koster kun $ 5 for vores PSB. Du kan derefter vælge en foretrukken forsendelsesmetode baseret på dit krav.

Trin 3: Det sidste trin er at uploade Gerber-filen og fortsætte med betalingen. For at sikre, at processen er glat, verificerer PCBGOGO, om din Gerber-fil er gyldig, inden du fortsætter med betalingen. På denne måde kan du være sikker på, at dit print er fabrikationsvenligt og når dig som engageret.

Montering af printkortet

Efter at bestyrelsen blev bestilt, nåede den mig efter nogle dage, selvom kurér i en pænt mærket, godt pakket kasse, og som altid var printkvaliteten fantastisk. PCB'et, der blev modtaget af mig, er vist nedenfor

Jeg tændte min loddestang og begyndte at samle tavlen. Da fodspor, pads, vias og silketryk er perfekt i den rigtige form og størrelse, havde jeg ikke noget problem at samle tavlen. Min PCB fastspændt til loddestikstykket er vist nedenfor.

Indkøb af komponenter

Alle komponenter til dette 12V 15W SMPS-kredsløb anskaffes i henhold til skematisk. Detaljen Stykliste kan findes i nedenstående Excel-fil til download.

15W SMPS Design - Stykliste

Næsten alle komponenter er let tilgængelige til brug fra hylden. Du kan finde problemer med at finde den rigtige transformer til dette projekt. Normalt for en SMPS-kredsløb er flyback-transformer ikke tilgængelig direkte fra leverandørerne, i de fleste tilfælde er du nødt til at vinde din egen transformer, hvis du har brug for effektive resultater. Det er dog også okay at bruge en lignende flyback-transformer, og dit kredsløb fungerer stadig. Den ideelle specifikation for vores transformer leveres af PI Expert-softwaren, som vi brugte tidligere.

Det mekaniske og elektriske diagram over transformeren opnået fra PI Expert er vist nedenfor.

Hvis du ikke kan finde den rigtige leverandør, kan du redde en transformer fra en 12V-adapter eller andre SMPS-kredsløb. Alternativt kan du også oprette dit eget transformatorkøb ved hjælp af følgende materialer og viklingsinstruktioner.

Når alle komponenterne er anskaffet, skal det være let at montere dem. Du kan bruge Gerber-filen og styklisten til reference og samlet printkortet. Når jeg er færdig, ser min PCB forside og bagside sådan ud nedenfor

Test af vores 15W SMPS-kredsløb

Nu hvor vores kredsløb er klar, er det tid til at tage det til et spin. Vi forbinder kortet til vores vekselstrøm via en VARIAC og indlæser udgangssiden med en belastningsmaskine og måler ripplespændingen for at kontrollere ydelsen på vores kredsløb. Fuld testprocedure video kan også findes i slutningen af denne side. Billedet nedenfor viser det kredsløb, der er testet med en indgangsspænding på 230V vekselstrøm, hvor vi får en udgang på 12,08V

Måling af krusningsspænding ved hjælp af oscilloskop

For at måle rippelspændingen med oscilloskop skal du ændre input af rækkevidde til AC med en forstærkning på 1x. Tilslut derefter en lav værdi elektrolytisk kondensator og en lav værdi keramisk kondensator til opsamling af støjreduktioner på grund af ledninger. Du kan se side 40 i dette RDR-295-dokument fra Power Integration for at få flere oplysninger om denne procedure.

Nedenstående øjebliksbillede blev taget under ingen belastning på både 85VAC og 230VAC. Skalaen er indstillet til 10mV pr. Division, og som du kan se, er krusningen næsten 10mV pk-pk.

Ved 90VAC-indgang og med fuld belastning kan krusningen ses ved ca. 20mV pk-pk

I 230VAC og ved fuld belastning måles krusningsspænding til omkring 30mV pk-pk, hvilket er det værste tilfælde

Det er det; Sådan kan du designe dit eget 12V SMPS-kredsløb. Når du har forstået arbejdet, kan du ændre 12V SMPS-kredsløbsdiagrammet, så det passer til dine spændings- og strømbehov. Håber du forstod vejledningen og nød at lære noget nyttigt. Hvis du har spørgsmål, skal du lade dem være i kommentarfeltet eller bruge vores fora til tekniske diskussioner. Mødes igen med et andet interessant SMPS-design, indtil da logger af….