Zasnova napajalnega vezja 12V 1a smps na PCB

Vsaka elektronska naprava ali izdelek zahteva zanesljivo napajalno enoto (PSU), ki jo lahko upravlja. Skoraj vse naprave v našem domu, kot so televizor, tiskalnik, predvajalnik glasbe itd., So sestavljene iz vgrajene napajalne enote, ki pretvori izmenično omrežno napetost v ustrezno raven enosmerne napetosti, da lahko delujejo. Najpogosteje uporabljen tip napajalnega vezja je SMPS (Power Switching Mode), tovrstna vezja lahko enostavno najdete v 12V adapterju ali mobilnem / prenosnem polnilniku. V tej vadnici bomo izvedeli, kako zgraditi 12v SMPS vezjeki bi pretvoril omrežno napajalno napetost v 12V enosmernega toka z največjo tokovno močjo 1,25A. To vezje lahko uporabite za napajanje majhnih obremenitev ali ga celo prilagodite polnilniku za polnjenje svinčevih in litijevih baterij. Če se to 12v 15watt napajalno vezje ne ujema z vašimi zahtevami, lahko preverite različno napajalno vezje z različnimi močmi.

12v SMPS vezje - premisleki pri oblikovanju

Preden začnemo s kakršno koli zasnovo oskrbe z električno energijo, je treba opraviti analizo zahtev glede na okolje, v katerem se bo uporabljalo naše napajanje. Različne vrste napajalnikov delujejo v različnih okoljih in z določenimi vhodno-izhodnimi mejami.

Specifikacija vhoda

Začnimo z vnosom. Vhodna napajalna napetost je prva stvar, ki jo bo SMPS uporabil in bo pretvorjena v uporabno vrednost za napajanje bremena. Ker je ta zasnova določena za pretvorbo AC-DC, bo vhod izmenični tok (AC). Za Indijo je vhodni izmenični tok na voljo v napetostih 220–230 voltov, v ZDA pa 110 voltov. Obstajajo tudi druge države, ki uporabljajo različne ravni napetosti. Na splošno SMPS deluje z univerzalno vhodno napetostjoobseg. To pomeni, da se vhodna napetost lahko razlikuje od 85V AC do 265V AC. SMPS se lahko uporablja v kateri koli državi in lahko zagotavlja stabilno moč polne obremenitve, če je napetost med 85-265V AC. SMPS bi moral normalno delovati tudi pod frekvenco 50 Hz in 60 Hz. To je razlog, zakaj lahko polnilnike za telefone in prenosnike uporabljamo v kateri koli državi.

Specifikacija izhoda

Na izhodni strani je malo obremenitev uporovnih, malo induktivnih. Glede na obremenitev je konstrukcija SMPS lahko različna. Pri tem SMPS je obremenitev predpostavljena kot uporovna obremenitev. Vendar ni nič takega kot uporovna obremenitev, vsaka obremenitev je sestavljena iz vsaj neke mere induktivnosti in kapacitivnosti; tu se domneva, da sta induktivnost in kapacitivnost obremenitve zanemarljivi.

Specifikacija izhoda SMPS je zelo odvisna od obremenitve, na primer od tega, koliko napetosti in toka bo obremenitev zahtevala v vseh delovnih pogojih. Za ta projekt lahko SMPS zagotovi 15W moči. Je 12V in 1,25A. Ciljna izhodna valovitost je izbrana kot manjša od 30 mV pk-pk pri pasovni širini 20000 Hz.

Na podlagi izhodne obremenitve se moramo odločiti tudi med načrtovanjem SMPS s konstantno napetostjo ali SMPS s konstantnim tokom. Stalna napetost pomeni, da bo napetost na obremenitvi konstantna in se bo tok ustrezno spreminjal s spremembami upornosti obremenitve. Po drugi strani pa bo način konstantnega toka omogočil, da bo tok konstanten, vendar bo napetost ustrezno spreminjal s spremembami odpornosti na obremenitev. Prav tako sta CV in CC lahko na voljo v SMPS, vendar ne moreta delovati v enem trenutku. Ko v SMPS obstajata obe možnosti, mora obstajati obseg, ko bo SMPS spremenil svojo izhodno operacijo iz CV v CC in obratno. Običajno se polnilniki v načinu CC in CV uporabljajo za polnjenje svinčevih ali litijevih baterij.

Vhodne in izhodne zaščitne funkcije

Obstajajo različna zaščitna vezja, ki jih lahko SMPS uporabite za varnejše in zanesljivejše delovanje. Zaščitni tokokrog ščiti SMPS in priključeno obremenitev. Glede na lokacijo lahko zaščitni tokokrog priključite na vhod ali na izhod. Najpogostejša vhodna zaščita je prenapetostna zaščita in EMI filtri. Prenapetostna zaščita ščiti SMPS pred vhodnimi prenapetostmi ali prenapetostnimi napetostmi. EMI filter ščiti SMPS pred generiranjem EMI preko vhodne linije. V tem projektu bosta na voljo obe funkciji. Izhodna zaščita obsega zaščito pred kratkim stikom, zaščito pred-napetosti in več sedanje zaščite. Ta zasnova SMPS bo vključevala tudi vsa ta zaščitna vezja.

Izbira IC za upravljanje napajanja

Vsako vezje SMPS zahteva IC za upravljanje napajanja, znano tudi kot preklopna IC ali SMPS IC ali IC sušilnika. Povzemimo premisleke glede oblikovanja, da izberemo idealno IC za upravljanje napajanja, ki bo primerna za naš dizajn. Naše zahteve glede oblikovanja so

15W izhodna moč. 12V 1,25A z manj kot 30mV pk-pk valovanja pri polni obremenitvi.
Univerzalna ocena vnosa.
Vhodna prenapetostna zaščita.
Izhodni kratki stik, zaščita pred napetostjo in pretokom.
Operacije s konstantno napetostjo.

Med zgornjimi zahtevami je na voljo širok nabor IC, vendar smo za ta projekt izbrali Power power. Power integracija je polprevodniško podjetje, ki ima široko paleto IC-jev gonilnikov moči v različnih razponih izhodne moči. Glede na zahteve in razpoložljivost smo se odločili za uporabo TNY268PN iz majhnih družin Switch II.

Na zgornji sliki je prikazana največja moč 15W. Vendar bomo SMPS naredili v odprtem okviru in za univerzalno vhodno oceno. V takem segmentu lahko TNY268PN zagotavlja 15W moči. Poglejmo shemo pinov.

Oblikovanje 12v 1Amp SMPS vezja

Najboljši način za izdelavo vezja je uporaba strokovne programske opreme PI za integracijo Power. Je odlična programska oprema za načrtovanje napajanja. Vezje je zgrajeno s pomočjo IC za integracijo moči. Postopek oblikovanja je razložen spodaj, lahko pa se tudi pomaknete navzdol do videoposnetka, ki to pojasni.

Korak -1: Izberite Drobno stikalo II in izberite želeni paket. Izbrali smo paket DIP. Izberite vrsto ohišja, adapter ali odprti okvir. Tu je izbran Open Frame.

Nato izberite vrsto povratne informacije. Bistveno je, ker se uporablja Flyback topologija. TL431 je odlična izbira za povratne informacije. TL431 je regulator ranžiranja in zagotavlja odlično zaščito pred prenapetostjo in natančno izhodno napetost.

2. korak: izberite območje vhodne napetosti. Ker bo to univerzalni vhodni SMPS, je vhodna napetost izbrana kot 85-265V AC. Linijska frekvenca je 50 Hz.

3. korak:

Izberite izhodno napetost, tok in moč. Ocena SMPS bo 12V 1,25A. Moč kaže 15W. Način delovanja je izbran tudi kot CV, kar pomeni način delovanja s konstantno napetostjo. Na koncu vse naredimo v treh preprostih korakih in generiramo shemo.

12V shema vezja SMPS in razlaga

Spodnje vezje je nekoliko prilagojeno našemu projektu.

Preden gremo naravnost v izdelavo prototipa, raziščimo 12v SMPS vezje in njegovo delovanje. Vezje ima naslednje odseke

Vhodna napetost in zaščita pred napakami SMPS
Pretvorba AC-DC
PI filter
Gonilniško vezje ali preklopno vezje
Zaščita pred blokado pod napetostjo.
Vpenjalno vezje
Magnetika in galvanska izolacija
EMI filter
Sekundarni usmernik in snuber vezje
Oddelek za filtriranje
Oddelek za povratne informacije.

Vhodna napetost in zaščita pred napakami SMPS

Ta odsek je sestavljen iz dveh komponent, F1 in RV1. F1 je 1A 250VAC varovalka za počasno pihanje, RV1 pa je 7mm 275V MOV (Varistor kovinskega oksida). Med visokonapetostnim prenapetostnim udarom (več kot 275VAC) je MOV postal kratek in pregoreval vhodno varovalko. Vendar pa zaradi funkcije počasnega prepiha varovalka prenese vklopni tok skozi SMPS.

Pretvorba AC-DC

Ta odsek ureja diodni most. Te štiri diode (znotraj DB107) tvorijo polni mostični usmernik. Diode so 1N4006, vendar lahko standard 1N4007 to delo odlično opravi. V tem projektu so te štiri diode zamenjane s popolnim mostičnim usmernikom DB107.

PI filter

Različna stanja imajo različen standard zavrnitve EMI. Ta zasnova potrjuje standard EN61000-Class 3, filter PI pa je zasnovan tako, da zmanjšuje zavrnitev EMI v skupnem načinu. Ta odsek je ustvarjen z uporabo C1, C2 in L1. C1 in C2 sta 400V 18uF kondenzatorja. To je čudna vrednost, zato je za to aplikacijo izbrano 22uF 400V. L1 je pogonska dušilka, ki za razliko od EMI signala prekine oba.

Voznikovo vezje ali preklopno vezje

To je srce SMPS. Primarno stran transformatorja krmili stikalno vezje TNY268PN. Preklopna frekvenca je 120-132khz. Zaradi te visoke preklopne frekvence je mogoče uporabiti manjše transformatorje. Preklopno vezje ima dve komponenti, U1 in C3. U1 je glavni gonilnik IC TNY268PN. C3 je obvodni kondenzator, ki je potreben za delovanje našega gonilnika IC.

Zaščita pred blokado pod napetostjo

Zaščito pred blokado pod napetostjo izvaja senzorski upor R1 in R2. Uporablja se, ko SMPS preide v način samodejnega ponovnega zagona in zazna napetost v omrežju.

Vpenjalno vezje

D1 in D2 sta vpenjalno vezje. D1 je dioda TVS, D2 pa ultrahitro obnovitvena dioda. Transformator deluje na velik induktor v gonilniku moči IC TNY268PN. Zato med izklopnim ciklom transformator ustvarja visokonapetostne konice zaradi indukcijske upornosti transformatorja. Te visokofrekvenčne napetostne konice zavira diodna objemka čez transformator. Zaradi izjemno hitrega okrevanja je izbran UF4007, za delovanje TVS pa P6KE200A.

Magnetika in galvanska izolacija

Transformator je feromagnetni transformator in ne le pretvori visokonapetostni izmenični tok v nizkonapetostni izmenični tok, temveč zagotavlja tudi galvansko izolacijo.

EMI filter

EMI filtriranje izvaja kondenzator C4. Poveča odpornost vezja za zmanjšanje motenj EMI.

Sekundarni usmernik in Snubber vezje

Izhod iz transformatorja se popravi in pretvori v enosmerni tok z uporabo D6, usmerjevalne diode Schottky. Snubber vezje na D6 zagotavlja zatiranje prehodne napetosti med preklopnimi operacijami. Snubber vezje je sestavljeno iz enega upora in enega kondenzatorja, R3 in C5.

Oddelek za filtriranje

Filtrski odsek je sestavljen iz filtrirnega kondenzatorja C6. Je kondenzator z nizkim ESR za boljšo zavrnitev valovanja. Tudi LC filter, ki uporablja L2 in C7, zagotavlja boljšo zavrnitev valovanja na izhodu.

Oddelek za povratne informacije

Izhodno napetost zaznavajo U3 TL431 ter R6 in R7. Po zaznavanju črte U2 je optični sklop krmiljen in galvansko izoliran del zaznavanja sekundarne povratne informacije s primarnim stranskim krmilnikom. Optocoupler ima v sebi tranzistor in LED. Z upravljanjem LED je tranzistor krmiljen. Ker komunikacija poteka optično, nima neposredne električne povezave, zato zadošča tudi galvanski izolaciji na povratnem vezju.

Zdaj, ko LED neposredno nadzoruje tranzistor, lahko z zagotavljanjem zadostne pristranskosti čez LED optičnega sklopnika upravljamo tranzistor optičnega sklopnika, natančneje gonilniško vezje. Ta krmilni sistem uporablja TL431. Ker ima regulator premika uporni delilnik preko referenčnega zatiča, lahko krmili optični sklopnik, ki je povezan preko njega. Povratne informacije pin ima referenčno napetost 2.5V. Zato je lahko TL431 aktiven le, če je napetost na delilniku zadostna. V našem primeru je napetostni delilnik nastavljen na vrednost 12V. Ko izhod doseže 12 V, dobi TL431 2,5 V prek referenčnega zatiča in tako aktivira LED optičnega sklopnika, ki nadzoruje tranzistor optičnega sklopnika in posredno krmili TNY268PN. Če napetost na izhodu ne zadostuje, se preklopni cikel takoj ustavi.

Najprej TNY268PN aktivira prvi cikel preklopa in nato zazna, da gre za EN-pin. Če je vse v redu, bo nadaljevalo s preklopom, če ne, bo včasih poskusilo še enkrat. Ta zanka se nadaljuje, dokler se vse ne normalizira, s čimer se preprečijo težave z bližnjicami ali prenapetostjo. Zato se imenuje povratna topologija, saj se izhodna napetost preusmeri nazaj v gonilnik za zaznavanje s tem povezanih operacij. Poskusna zanka se imenuje tudi način kolcanja v primeru okvare.

D3 je Schottkyjeva pregradna dioda. Ta dioda pretvori visokofrekvenčni izmenični izhod v enosmerni tok. 3A 60V Schottky dioda je izbrana za zanesljivo delovanje. R4 in R5 izbere in izračuna PI Expert. Ustvari napetostni delilnik in prenaša tok na optični sklopnik od TL431.

R6 in R7 je preprost delilnik napetosti, izračunan s formulo TL431 REF napetost = (Vout x R7) / R6 + R7. Referenčna napetost je 2,5V, Vout pa 12V. Z izbiro vrednosti R6 23,7k je R7 postal približno 9,09k.

Izdelava tiskanega vezja za 12v 1A SMPS vezje

Zdaj, ko razumemo delovanje shem, lahko nadaljujemo z izdelavo tiskanega vezja za naš SMPS. Ker gre za vezje SMPS, je priporočljiva PCB, saj se lahko spopade s hrupom in izolacijo. Postavitev tiskanega vezja za zgornje vezje je na voljo tudi za prenos kot Gerber s povezave

Prenesite datoteko Gerber za 15W SMPS vezje

Zdaj, ko je naš dizajn pripravljen, je čas, da jih izdelamo z datoteko Gerber. Dokončanje tiskanega vezja je zelo enostavno, preprosto sledite spodnjim korakom

1. korak: Pojdite na www.pcbgogo.com in se prijavite, če ste prvič. Nato na zavihku Prototip PCB vnesite dimenzije PCB, število slojev in število PCB, ki ga potrebujete. Ob predpostavki, da je PCB 80 cm × 80 cm, lahko nastavite mere, kot je prikazano spodaj.

2. korak: Nadaljujte s klikom na gumb Citiraj zdaj . Preusmerjeni boste na stran, kjer boste po potrebi nastavili nekaj dodatnih parametrov, kot je uporabljeni razmik skladbe itd. Toda večinoma bodo privzete vrednosti dobro delovale. Edino, kar moramo tu upoštevati, sta cena in čas. Kot lahko vidite, je čas izdelave le 2-3 dni in za naš PSB stane le 5 USD. Nato lahko izberete želeni način pošiljanja glede na vaše potrebe.

3. korak: Zadnji korak je nalaganje datoteke Gerber in nadaljevanje plačila. Preden nadaljuje s plačilom, PCBGOGO preveri, ali je vaša datoteka Gerber veljavna, da se prepriča, da je postopek nemoten. Tako se lahko prepričate, da je vaš PCB prijazen do izdelave in vas bo sprejel kot predan.

Sestavljanje PCB

Po naročilu plošče je čez nekaj dni prišel do mene, čeprav je kurir v lepo označeni dobro zapakirani škatli in kot vedno bila kakovost PCB-ja izjemna. PCB, ki sem ga prejel, je prikazan spodaj

Vklopil sem spajkalno palico in začel sestavljati ploščo. Ker so Footprints, blazinice, steklenice in sitotisk popolnoma pravilne oblike in velikosti, nisem imel težav pri sestavljanju deske. Moj PCB, pritrjen na spajkalni primež, je prikazan spodaj.

Nabava komponent

Vse komponente za to 12v 15w SMPS vezje so dobavljene v skladu s shemo. Podrobne specifikacije najdete v spodnji datoteki excel za prenos.

15W SMPS Design - Bill of Materials

Skoraj vse komponente so na voljo za uporabo s police. Morda boste našli težave pri iskanju pravega transformatorja za ta projekt. Običajno za vezje SMPS preklopni povratni transformator ni na voljo neposredno pri prodajalcih, v večini primerov morate sami navijati svoj transformator, če potrebujete učinkovite rezultate. Prav tako je v redu, če uporabite podoben povratni transformator in vaše vezje bo še vedno delovalo. Idealne specifikacije za naš transformator bo zagotovila programska oprema PI Expert, ki smo jo uporabili prej.

Mehanski in električni diagram transformatorja, pridobljen pri PI Expert, je prikazan spodaj.

Če ne najdete pravega prodajalca, lahko rešite transformator iz 12V adapterja ali drugih vezij SMPS. Lahko pa tudi sami zgradite svoj transformator z uporabo naslednjih materialov in navodil za navijanje.

Ko so vsi sestavni deli nabavljeni, mora biti njihovo sestavljanje enostavno. Datoteko Gerber in specifikacijo lahko uporabite kot referenco in sestavite ploščo PCB. Ko končam, je sprednja in zadnja stran PCB spodaj videti nekako takole

Testiranje našega 15W SMPS vezja

Zdaj, ko je naše vezje pripravljeno, je čas, da ga zavrtimo. Ploščo bomo preko VARIAC-a priključili na naše omrežje Ac, na izhodno stran pa naložili tovorni stroj in izmerili napetost valovanja, da preverimo delovanje našega vezja. Celoten videoposnetek postopka testiranja najdete tudi na koncu te strani. Spodnja slika prikazuje vezje, preizkušeno z vhodno izmenično napetostjo 230 V AC, za katero dobimo izhod 12,08 V

Merjenje valovite napetosti z osciloskopom

Če želite izmeriti napetost valovanja z osciloskopom, spremenite vhod obsega na AC z ojačanjem 1x. Nato priključite elektrolitski kondenzator majhne vrednosti in keramični kondenzator majhne vrednosti, da zaznate zmanjšanje hrupa zaradi ožičenja. Za več informacij o tem postopku si oglejte stran 40 tega dokumenta RDR-295 iz Power Integration.

Spodnji posnetek je bil posnet v prostem teku tako na 85VAC kot 230VAC. Lestvica je nastavljena na 10mV na delitev in kot vidite je valovanje skoraj 10mV pk-pk.

Pri vhodu 90VAC in s polno obremenitvijo lahko vidimo valovanje pri približno 20mV pk-pk

V 230VAC in pri polni obremenitvi se valovanje napetosti meri na približno 30mV pk-pk, kar je najslabši možni scenarij

To je to; tako lahko oblikujete svoje 12v SMPS vezje. Ko razumete delovanje, lahko spremenite shemo vezja 12v SMPS, da bo ustrezala vašim napetostnim in močnostnim zahtevam. Upam, da ste razumeli vadnico in uživali v učenju česa koristnega. Če imate kakršna koli vprašanja, jih pustite v oddelku za komentarje ali uporabite naše forume za tehnične razprave. Se bomo spet srečali z drugo zanimivo zasnovo SMPS, do takrat pa se odjavimo….