Схема блока питания 12В 1а smps на печатной плате

Для работы любого электронного устройства или продукта требуется надежный блок питания (PSU). Почти все устройства в нашем доме, такие как телевизор, принтер, музыкальный проигрыватель и т. Д., Состоят из встроенного блока питания, который преобразует сетевое напряжение переменного тока в подходящий уровень постоянного напряжения для их работы. Наиболее часто используемым типом цепи питания является SMPS (импульсный источник питания), вы можете легко найти этот тип цепей в своем адаптере 12 В или зарядном устройстве для мобильных устройств / ноутбуков. В этом уроке мы узнаем, как построить схему SMPS на 12 Вкоторый преобразует мощность сети переменного тока в 12 В постоянного тока с максимальным номинальным током 1,25 А. Эту схему можно использовать для питания небольших нагрузок или даже приспособить к зарядному устройству для зарядки свинцово-кислотных и литиевых батарей. Если эта схема блока питания 12 В 15 Вт не соответствует вашим требованиям, вы можете проверить различные схемы блока питания с разными номиналами.

Схема 12 В SMPS - Соображения по проектированию

Прежде чем приступить к проектированию любого источника питания, необходимо провести анализ требований в зависимости от среды, в которой будет использоваться наш источник питания. Различные типы источников питания работают в разных средах и с определенными границами ввода-вывода.

Спецификация входа

Начнем с ввода. Входное напряжение питания - это первое, что будет использоваться SMPS и будет преобразовано в полезное значение для питания нагрузки. Поскольку эта конструкция предназначена для преобразования переменного тока в постоянный, на входе будет переменный ток (AC). Для Индии входной переменный ток составляет 220–230 вольт, для США он рассчитан на 110 вольт. Есть и другие страны, которые используют другие уровни напряжения. Как правило, SMPS работает с универсальным входным напряжением.спектр. Это означает, что входное напряжение может отличаться от 85 до 265 В переменного тока. SMPS может использоваться в любой стране и может обеспечить стабильную выходную мощность при полной нагрузке, если напряжение находится в пределах 85-265 В переменного тока. SMPS также должен нормально работать при частотах 50 Гц и 60 Гц. По этой причине мы можем использовать зарядные устройства для телефонов и ноутбуков в любой стране.

Спецификация выхода

На выходной стороне мало нагрузок резистивных, мало индуктивных. В зависимости от нагрузки конструкция ИИП может быть разной. Для этого ИИП предполагается, что нагрузка является резистивной. Однако нет ничего лучше резистивной нагрузки, каждая нагрузка состоит, по крайней мере, из некоторого количества индуктивности и емкости; здесь предполагается, что индуктивность и емкость нагрузки незначительны.

Выходные характеристики ИИП сильно зависят от нагрузки, например, сколько напряжения и тока потребуются нагрузке во всех рабочих условиях. Для этого проекта SMPS может обеспечить выходную мощность 15 Вт. Это 12 В и 1,25 А. Целевой уровень колебаний выбирается как меньше на 30 мВ Pk-Pk в полосе пропускания 20000 Гц.

В зависимости от выходной нагрузки мы также должны выбрать между проектированием ИИП постоянного напряжения или ИИП постоянного тока. Постоянное напряжение означает, что напряжение на нагрузке будет постоянным, а ток будет изменяться в соответствии с изменениями сопротивления нагрузки. С другой стороны, режим постоянного тока позволяет току быть постоянным, но изменяет напряжение соответственно с изменениями сопротивления нагрузки. Кроме того, в SMPS могут быть доступны как CV, так и CC, но они не могут работать одновременно. Когда в SMPS существуют обе опции, должен быть диапазон, в котором SMPS изменит свою выходную операцию с CV на CC и наоборот. Обычно зарядные устройства режима CC и CV используются для зарядки свинцово-кислотных или литиевых батарей.

Функции защиты входа и выхода

Существуют различные схемы защиты, которые можно использовать в SMPS для более безопасной и надежной работы. Схема защиты защищает SMPS, а также подключенную нагрузку. В зависимости от расположения схема защиты может быть подключена к входу или выходу. Наиболее распространенная защита входа - это защита от перенапряжения и фильтры электромагнитных помех. Защита от перенапряжения защищает ИИП от скачков напряжения на входе или перенапряжения переменного тока. Фильтр EMI защищает SMPS от генерации EMI на входной линии. В этом проекте будут доступны обе функции. Выходная защита включает защиту от короткого замыкания, защита от перенапряжения и перегрузки по току защиты. Эта конструкция SMPS также будет включать все эти схемы защиты.

Выбор микросхемы управления питанием

Для каждой цепи SMPS требуется ИС управления питанием, также известная как ИС переключения, ИС SMPS или ИС осушителя. Подведем итоги проектных соображений, чтобы выбрать идеальную ИС управления питанием, которая будет подходить для нашей конструкции. Наши требования к дизайну:

1. Выход 15 Вт. 12 В 1,25 А с пульсацией пик-пик менее 30 мВ при полной нагрузке.
2. Универсальный входной рейтинг.
3. Защита от перенапряжения на входе.
4. Выходное короткое замыкание, защита от перенапряжения и перегрузки по току.
5. Работа с постоянным напряжением.

Из вышеперечисленных требований есть широкий выбор ИС, но для этого проекта мы выбрали интеграцию питания. Power Integration - это компания, производящая полупроводники, у которой есть широкий спектр микросхем драйверов питания в различных диапазонах выходной мощности. Исходя из требований и доступности, мы решили использовать TNY268PN из семейств крошечных коммутаторов II.

На изображении выше показана максимальная мощность 15 Вт. Однако мы будем делать ИИП в открытом корпусе и для универсального входного рейтинга. В таком сегменте TNY268PN может обеспечить выходную мощность 15 Вт. Посмотрим на схему контактов.

Разработка схемы ИИП на 12 В, 1 А

Лучший способ построить схему - использовать экспертное программное обеспечение PI Power integration. Это отличное программное обеспечение для проектирования источников питания. Схема построена с использованием интегральной схемы питания. Процедура проектирования объясняется ниже, или вы также можете прокрутить вниз, чтобы увидеть видео, объясняющее то же самое.

Шаг -1: Выберите Tiny Switch II, а также выберите желаемый пакет. Мы выбрали пакет DIP. Выберите тип корпуса, адаптер или открытую раму. Здесь выбран Open Frame.

Затем выберите тип обратной связи. Это важно, поскольку используется топология Flyback. TL431 - отличный выбор для обратной связи. TL431 - это шунтирующий стабилизатор, обеспечивающий отличную защиту от перенапряжения и точное выходное напряжение.

Шаг 2: Выберите диапазон входного напряжения. Поскольку это будет универсальный входной ИИП, входное напряжение выбрано 85-265В переменного тока. Частота сети 50 Гц.

Шаг 3:

Выберите выходное напряжение, ток и мощность. Номинал SMPS будет 12 В 1,25 А. Мощность показывает 15 Вт. Рабочий режим также выбран как CV, что означает режим работы с постоянным напряжением. Наконец, все делается за три простых шага, и схема создается.

Принципиальная схема и объяснение 12 В SMPS

Схема ниже немного изменена в соответствии с нашим проектом.

Прежде чем приступить к созданию прототипа, давайте рассмотрим принципиальную схему ИИП на 12 В и его работу. Схема состоит из следующих участков

1. Защита от импульсных перенапряжений и отказов SMPS
2. Преобразование AC-DC
3. PI фильтр
4. Схема драйвера или схема переключения
5. Защита от пониженного напряжения.
6. Схема зажима
7. Магниты и гальваническая развязка
8. EMI фильтр
9. Вторичный выпрямитель и демпферная цепь
10. Раздел фильтра
11. Раздел обратной связи.

Защита от импульсных перенапряжений и отказов SMPS

Этот раздел состоит из двух компонентов: F1 и RV1. F1 - это плавкий предохранитель с задержкой срабатывания 1 А, 250 В переменного тока, а RV1 - это 7-миллиметровый варистор на 275 В (металлооксидный варистор). Во время скачка высокого напряжения (более 275 В переменного тока) MOV резко замыкается и перегорает входной предохранитель. Однако благодаря функции медленного срабатывания предохранитель выдерживает пусковой ток через ИИП.

Преобразование AC-DC

Этот участок управляется диодным мостом. Эти четыре диода (внутри DB107) образуют полный мостовой выпрямитель. Диоды - 1N4006, но стандартный 1N4007 справится с этой задачей отлично. В этом проекте эти четыре диода заменены полным мостовым выпрямителем DB107.

PI фильтр

В разных штатах есть разные стандарты отклонения EMI. Эта конструкция соответствует стандарту EN61000-Class 3, а фильтр PI разработан таким образом, чтобы уменьшить подавление синфазных электромагнитных помех. Этот раздел создается с использованием C1, C2 и L1. C1 и C2 - конденсаторы 400 В 18 мкФ. Это нечетное значение, поэтому для этого приложения выбрано 22 мкФ 400 В. L1 - это синфазный дроссель, который принимает дифференциальный сигнал электромагнитных помех для устранения обоих.

Схема драйвера или схема переключения

Это сердце SMPS. Первичная обмотка трансформатора управляется коммутационной схемой TNY268PN. Частота переключения 120-132 кГц. Из-за этой высокой частоты переключения можно использовать трансформаторы меньшего размера. Схема переключения состоит из двух компонентов: U1 и C3. U1 - это основная микросхема драйвера TNY268PN. C3 - это байпасный конденсатор, который необходим для работы нашей микросхемы драйвера.

Защита от пониженного напряжения

Защита от блокировки при пониженном напряжении обеспечивается резисторами R1 и R2. Он используется, когда SMPS переходит в режим автоматического перезапуска и определяет линейное напряжение.

Схема зажима

D1 и D2 - цепь зажима. D1 - диод TVS, а D2 - диод сверхбыстрого восстановления. Трансформатор действует как огромная катушка индуктивности на интегральной схеме драйвера питания TNY268PN. Поэтому во время отключения трансформатор создает выбросы высокого напряжения из-за индуктивности рассеяния трансформатора. Эти высокочастотные всплески напряжения подавляются диодным зажимом на трансформаторе. UF4007 выбран из-за сверхбыстрого восстановления, а P6KE200A выбран для работы TVS.

Магниты и гальваническая развязка

Трансформатор представляет собой ферромагнитный трансформатор, который не только преобразует переменный ток высокого напряжения в переменный ток низкого напряжения, но также обеспечивает гальваническую развязку.

EMI фильтр

Фильтрация электромагнитных помех выполняется конденсатором C4. Это увеличивает невосприимчивость схемы, чтобы уменьшить высокие помехи EMI.

Вторичный выпрямитель и демпферная цепь

Выходной сигнал трансформатора выпрямляется и преобразуется в постоянный ток с помощью выпрямительного диода Шоттки D6. Демпферная цепь на D6 обеспечивает подавление переходных процессов напряжения во время операций переключения. Демпферная цепь состоит из одного резистора и одного конденсатора, R3 и C5.

Раздел фильтра

Секция фильтра состоит из фильтрующего конденсатора C6. Это конденсатор с низким ESR для лучшего подавления пульсаций. Кроме того, LC-фильтр, использующий L2 и C7, обеспечивает лучшее подавление пульсаций на выходе.

Раздел обратной связи

Выходное напряжение измеряется U3 TL431 и R6 и R7. После измерения линии U2 оптопара управляется и гальванически изолирует вторичный датчик обратной связи с контроллером первичной стороны. Оптопара имеет внутри транзистор и светодиод. Управляя светодиодом, можно управлять транзистором. Поскольку связь осуществляется оптически, она не имеет прямого электрического соединения, что обеспечивает гальваническую развязку цепи обратной связи.

Теперь, когда светодиод напрямую управляет транзистором, обеспечивая достаточное смещение через светодиод оптопары, можно управлять транзистором оптопары, а точнее схемой драйвера. Эта система управления используется по TL431.As регулятор шунта имеет резистор делитель через его опорный штифт, он может контролировать оптрон светодиод, который подключен через него. Контактная обратная связь имеет опорное напряжение 2.5V. Следовательно, TL431 может быть активен только при достаточном напряжении на делителе. В нашем случае делитель напряжения выставлен на значение 12 В.. Следовательно, когда выход достигает 12 В, TL431 получает 2,5 В через опорный вывод и, таким образом, активирует светодиод оптопары, который управляет транзистором оптопары и косвенно управляет TNY268PN. Если на выходе недостаточно напряжения, цикл переключения немедленно приостанавливается.

Сначала TNY268PN активирует первый цикл переключения, а затем определяет свой вывод EN. Если все в порядке, он продолжит переключение, если нет, он будет пытаться еще раз через некоторое время. Этот цикл продолжается до тех пор, пока все не нормализуется, что предотвращает проблемы с коротким замыканием или перенапряжением. Вот почему это называется обратноходовой топологией, поскольку выходное напряжение возвращается к драйверу для определения связанных операций. Кроме того, цикл попыток называется режимом икоты при отказе.

D3 представляет собой диод с барьером Шоттки. Этот диод преобразует высокочастотный выход переменного тока в постоянный. Диод Шоттки 3A 60V выбран для надежной работы. R4 и R5 выбираются и рассчитываются PI Expert. Он создает делитель напряжения и передает ток на светодиод оптопары от TL431.

R6 и R7 - это простой делитель напряжения, рассчитываемый по формуле TL431 REF Voltage = (Vout x R7) / R6 + R7. Опорное напряжение 2.5V и Vout является 12V. Выбрав значение R6 23,7k, R7 стал примерно 9,09k.

Изготовление печатной платы для цепи SMPS 12 В, 1 А

Теперь, когда мы понимаем, как работают схемы, мы можем приступить к созданию печатной платы для нашего SMPS. Поскольку это схема SMPS, рекомендуется использовать печатную плату, так как она может решить проблему шума и изоляции. Макет печатной платы для указанной выше схемы также доступен для загрузки как Gerber по ссылке

• Скачать файл Gerber для схемы SMPS 15 Вт

Теперь, когда наш дизайн готов, пришло время изготовить их с помощью файла Gerber. Сделать печатную плату довольно просто, просто выполните следующие действия.

Шаг 1. Зайдите на сайт www.pcbgogo.com, зарегистрируйтесь, если вы впервые. Затем на вкладке прототипа печатной платы введите размеры вашей печатной платы, количество слоев и количество требуемых печатных плат. Предполагая, что размер печатной платы составляет 80 см × 80 см, вы можете установить размеры, как показано ниже.

Шаг 2: Продолжите, нажав кнопку Цитировать сейчас . Вы попадете на страницу, где при необходимости установите несколько дополнительных параметров, например, используемый материал, интервал дорожек и т. Д. Но в большинстве случаев значения по умолчанию будут работать нормально. Единственное, что мы должны здесь учитывать, - это цена и время. Как видите, время сборки составляет всего 2-3 дня, а для нашего PSB это всего лишь 5 долларов. Затем вы можете выбрать предпочтительный способ доставки в зависимости от ваших требований.

Шаг 3: Последний шаг - загрузить файл Gerber и продолжить оплату. Чтобы убедиться, что процесс проходит гладко, PCBGOGO проверяет, действителен ли ваш файл Gerber, прежде чем продолжить оплату. Таким образом, вы можете быть уверены, что ваша печатная плата удобна для изготовления и будет доставлена ​​вам в установленном порядке.

Сборка печатной платы

После того, как плата была заказана, она пришла ко мне через несколько дней, хотя курьер доставил ее в аккуратно помеченную, хорошо упакованную коробку, и, как всегда, качество печатной платы было потрясающим. Печатная плата, которую я получил, показана ниже.

Я включил паяльник и приступил к сборке платы. Поскольку посадочные места, контактные площадки, переходные отверстия и шелкография идеально подходят по форме и размеру, у меня не было проблем со сборкой платы. Моя печатная плата, прикрепленная к тискам для пайки, показана ниже.

Компоненты закупки

Все компоненты для этой цепи SMPS 12 В 15 Вт закупаются в соответствии со схемой. Подробную спецификацию можно найти в приведенном ниже файле Excel для загрузки.

• Конструкция SMPS 15 Вт - Спецификация

Почти все компоненты доступны для использования в готовом виде. У вас могут возникнуть проблемы с поиском подходящего трансформатора для этого проекта. Обычно обратный трансформатор для коммутации цепи SMPS не доступен напрямую от поставщиков, в большинстве случаев вам придется наматывать собственный трансформатор, если вам нужны эффективные результаты. Однако также можно использовать аналогичный обратный трансформатор, и ваша схема все равно будет работать. Идеальная спецификация для нашего трансформатора будет обеспечена программным обеспечением PI Expert, которое мы использовали ранее.

Механическая и электрическая схема трансформатора, полученная от PI Expert, показана ниже.

Если вы не можете найти подходящего поставщика, вы можете восстановить трансформатор от адаптера 12 В или других цепей SMPS. В качестве альтернативы вы также можете купить трансформатор самостоятельно, используя следующие материалы и инструкции по намотке.

Как только все компоненты будут закуплены, их сборка должна быть легкой. Вы можете использовать файл Gerber и спецификацию для справки и собрать плату PCB. После этого передняя и задняя стороны моей печатной платы выглядят примерно так, как показано ниже.

Тестирование нашей схемы SMPS 15 Вт

Теперь, когда наша схема готова, пришло время покрутить ее. Мы подключим плату к нашей сети переменного тока через VARIAC, загрузим на выходную сторону нагрузочную машину и измерим пульсирующее напряжение, чтобы проверить работоспособность нашей схемы. Полное видео процедуры тестирования также можно найти в конце этой страницы. На изображении ниже показана схема, испытанная с входным напряжением переменного тока 230 В переменного тока, для которого мы получаем выходное напряжение 12,08 В.

Измерение пульсаций напряжения с помощью осциллографа

Чтобы измерить пульсирующее напряжение с помощью осциллографа, измените вход осциллографа на переменный ток с коэффициентом усиления 1x. Затем подключите электролитический конденсатор с низким энергопотреблением и керамический конденсатор с низким энергопотреблением для снижения шума из-за проводки. Вы можете обратиться к странице 40 этого документа RDR-295 от Power Integration для получения дополнительной информации об этой процедуре.

Приведенный ниже снимок был сделан при отсутствии нагрузки при напряжении 85 и 230 В переменного тока. Шкала установлена ​​на 10 мВ на деление, и, как вы можете видеть, пульсация составляет почти 10 мВ пик-пик.

При входном напряжении 90 В переменного тока и полной нагрузке пульсации можно увидеть на уровне около 20 мВ пик-пик.

При 230 В переменного тока и при полной нагрузке пульсации напряжения измеряются на уровне около 30 мВ пик-пик, что является наихудшим сценарием.

Вот и все; это то, как вы можете создать свой собственный 12v SMPS схему. После того, как вы поймете принцип работы, вы можете изменить принципиальную схему ИИП на 12 В в соответствии с вашими требованиями к напряжению и питанию. Надеюсь, вы поняли руководство и получили удовольствие от изучения чего-то полезного. Если у вас есть какие-либо вопросы, оставьте их в разделе комментариев или воспользуйтесь нашим форумом для технических обсуждений. Увидимся снова с еще одним интересным дизайном SMPS, а пока подпишусь….