Projekt obwodu zasilania 12V 1A SMPS: 4 kroki

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:29

Cześć ludzie!

Każde urządzenie lub produkt elektroniczny wymaga niezawodnego zasilacza (PSU) do jego obsługi. Prawie wszystkie urządzenia w naszym domu, takie jak telewizor, drukarka, odtwarzacz muzyki itp., składają się z wbudowanego zasilacza, który zamienia napięcie sieciowe AC na odpowiedni poziom napięcia stałego, aby mogły działać. Najczęściej używanym typem obwodu zasilania jest SMPS (zasilanie w trybie przełączania), można łatwo znaleźć ten typ obwodów w zasilaczu 12 V lub ładowarce mobilnej/laptopowej. W tym samouczku dowiemy się, jak zbudować obwód SMPS 12 V, który konwertowałby zasilanie sieciowe AC na 12 V DC o maksymalnym prądzie znamionowym 1,25 A. Obwód ten może być używany do zasilania małych obciążeń lub nawet być przystosowany do ładowarki do ładowania akumulatorów kwasowo-ołowiowych i litowych. Jeśli ten obwód zasilania 12 V 15 W nie spełnia Twoich wymagań, możesz sprawdzić różne obwody zasilania o różnych ocenach.

Krok 1: Obwód zasilacza impulsowego 12V - rozważania projektowe

Przed przystąpieniem do projektowania dowolnego rodzaju zasilacza należy przeprowadzić analizę wymagań w oparciu o środowisko, w którym nasz zasilacz będzie używany. Różne rodzaje zasilaczy działają w różnych środowiskach i przy określonych granicach wejścia-wyjścia.

Specyfikacja wejścia:

Zacznijmy od danych wejściowych. Wejściowe napięcie zasilania jest pierwszą rzeczą, która zostanie wykorzystana przez zasilacz impulsowy i zostanie przekształcona w użyteczną wartość do zasilania obciążenia. Ponieważ ten projekt jest określony dla konwersji AC-DC, wejście będzie prądem przemiennym (AC). W Indiach napięcie wejściowe AC jest dostępne w napięciu 220-230 woltów, a w USA na 110 woltów. Są też inne narody, które stosują różne poziomy napięcia. Generalnie SMPS działa z uniwersalnym zakresem napięcia wejściowego. Oznacza to, że napięcie wejściowe może różnić się od 85 V AC do 265 V AC. SMPS może być używany w każdym kraju i może zapewnić stabilne wyjście przy pełnym obciążeniu, jeśli napięcie wynosi od 85 do 265 V AC. Zasilacz impulsowy powinien również normalnie funkcjonować przy częstotliwościach 50 Hz i 60 Hz. Dzięki temu możemy korzystać z naszych ładowarek do telefonów i laptopów w każdym kraju.

Specyfikacja wyjściowa:

Po stronie wyjściowej niewiele obciążeń jest rezystancyjnych, niewiele indukcyjnych. W zależności od obciążenia konstrukcja SMPS może być różna. Dla tego zasilacza impulsowego obciążenie jest przyjmowane jako obciążenie rezystancyjne. Jednak nie ma to jak obciążenie rezystancyjne, każde obciążenie składa się przynajmniej z pewnej ilości indukcyjności i pojemności; tutaj zakłada się, że indukcyjność i pojemność obciążenia są pomijalne.

Specyfikacja wyjściowa zasilacza SMPS jest wysoce zależna od obciążenia, na przykład od tego, ile napięcia i prądu będzie wymagane przez obciążenie we wszystkich warunkach pracy. W przypadku tego projektu zasilacz impulsowy może zapewnić moc wyjściową 15 W. Jest to 12V i 1,25A. Docelowe tętnienie wyjściowe jest wybierane jako mniejsze od 30mV pk-pk przy szerokości pasma 20000 Hz.

Krok 2: Wybór układu zarządzania energią IC

Każdy obwód SMPS wymaga układu zarządzania energią, znanego również jako układ przełączania IC lub SMPS IC lub Dryer IC. Podsumujmy rozważania projektowe, aby wybrać idealny układ scalony zarządzania energią, który będzie odpowiedni dla naszego projektu. Nasze wymagania projektowe to:

1. Moc wyjściowa 15W. 12 V 1,25 A przy tętnieniach pk-pk poniżej 30 mV przy pełnym obciążeniu.
2. Uniwersalna ocena wejścia.
3. Ochrona przeciwprzepięciowa wejścia.
4. Wyjście zabezpieczenie przed zwarciem, przepięciem i przetężeniem.
5. Operacje przy stałym napięciu.

Spośród powyższych wymagań do wyboru jest szeroka gama układów scalonych, ale dla tego projektu wybraliśmy integrację zasilania. Power Integration to firma zajmująca się półprzewodnikami, która oferuje szeroką gamę układów scalonych sterowników mocy w różnych zakresach mocy wyjściowej. W oparciu o wymagania i dostępność zdecydowaliśmy się na użycie TNY268PN z rodziny małych przełączników II.

Na powyższym obrazku pokazana jest maksymalna moc 15W. Zrobimy jednak SMPS w otwartej ramce i dla uniwersalnej oceny wejściowej. W takim segmencie TNY268PN może zapewnić moc 15W. Zobaczmy schemat pinów.

Krok 3: Schemat obwodu zasilacza impulsowego 12 V i wyjaśnienie

Zanim przejdziemy od razu do budowy części prototypowej, przyjrzyjmy się schematowi obwodu 12V SMPS i jego działaniu. Obwód ma następujące sekcje:

1. Ochrona przed przepięciami wejściowymi i błędami SMPS
2. Konwersja AC-DC
3. Filtr PI
4. Obwód sterownika lub obwód przełączający
5. Zabezpieczenie podnapięciowe.
6. Obwód zaciskowy
7. Izolacja magnetyczna i galwaniczna
8. Filtr EMI
9. Prostownik wtórny i obwód tłumiący
10. Sekcja filtrów

Ochrona przed przepięciami wejściowymi i błędami SMPS

Ta sekcja składa się z dwóch komponentów, F1 i RV1. F1 to bezpiecznik zwłoczny 1A 250VAC, a RV1 to 7mm 275V MOV (Warystor z tlenku metalu). Podczas przepięcia wysokiego napięcia (ponad 275 VAC) MOV uległ zwarciu i przepalił bezpiecznik wejściowy. Jednak ze względu na funkcję wolnego przepalania bezpiecznik wytrzymuje prąd rozruchowy przez zasilacz impulsowy.

Konwersja AC-DC

Ta sekcja jest regulowana przez mostek diodowy. Te cztery diody (wewnątrz DB107) tworzą pełny prostownik mostkowy. Diody to 1N4006, ale standardowy 1N4007 może wykonać to zadanie doskonale. W tym projekcie te cztery diody zostały zastąpione pełnym mostkiem prostowniczym DB107.

Filtr PI

Różne stany mają różne standardy odrzucania EMI. Ten projekt potwierdza normę EN61000-Class 3, a filtr PI został zaprojektowany w taki sposób, aby zmniejszyć tłumienie zakłóceń EMI w trybie wspólnym. Ta sekcja jest tworzona przy użyciu C1, C2 i L1. C1 i C2 to kondensatory 400V 18uF. Jest to wartość nieparzysta, więc dla tej aplikacji wybrano 22uF 400V. L1 to dławik trybu wspólnego, który pobiera różnicowy sygnał EMI, aby anulować oba.

Obwód sterownika lub obwód przełączający

To serce zasilacza impulsowego. Stroną pierwotną transformatora steruje obwód przełączający TNY268PN. Częstotliwość przełączania wynosi 120-132 kHz. Ze względu na tę wysoką częstotliwość przełączania można stosować mniejsze transformatory. Obwód przełączający składa się z dwóch elementów, U1 i C3. U1 jest głównym sterownikiem IC TNY268PN. C3 to kondensator obejściowy, który jest potrzebny do pracy naszego układu scalonego sterownika.

Zabezpieczenie podnapięciowe blokady

Zabezpieczenie podnapięciowe jest realizowane za pomocą rezystora czujnika R1 i R2. Jest używany, gdy SMPS przechodzi w tryb automatycznego restartu i wykrywa napięcie sieciowe.

Obwód zaciskowy

D1 i D2 to obwód zaciskowy. D1 to dioda TVS, a D2 to ultraszybka dioda odzysku. Transformator działa jak ogromna cewka indukcyjna w układzie scalonym sterownika mocy TNY268PN. Dlatego podczas wyłączania transformator wytwarza skoki wysokiego napięcia z powodu indukcyjności rozproszenia transformatora. Te skoki napięcia o wysokiej częstotliwości są tłumione przez zacisk diodowy na transformatorze. Wybrano UF4007 ze względu na ultraszybkie przywracanie, a P6KE200A wybrano do działania TVS.

Izolacja magnetyczna i galwaniczna

Transformator jest transformatorem ferromagnetycznym i nie tylko przekształca prąd przemienny wysokiego napięcia na prąd przemienny niskiego napięcia, ale także zapewnia izolację galwaniczną.

Filtr EMI

Filtrowanie EMI jest realizowane przez kondensator C4. Zwiększa odporność obwodu, aby zredukować wysokie zakłócenia EMI.

Wtórny prostownik i obwód tłumiący

Wyjście z transformatora jest prostowane i konwertowane na prąd stały za pomocą diody prostowniczej Schottky'ego D6. Obwód tłumiący na D6 zapewnia tłumienie przejściowego napięcia podczas operacji przełączania. Obwód tłumiący składa się z jednego rezystora i jednego kondensatora R3 i C5.

Sekcja filtrów

Sekcja filtra składa się z kondensatora filtrującego C6. Jest to kondensator Low ESR dla lepszego tłumienia tętnień. Ponadto filtr LC wykorzystujący L2 i C7 zapewnia lepsze tłumienie tętnień na wyjściu.

Krok 4: Produkcja PCB

Możesz narysować schemat PCB za pomocą dowolnego oprogramowania według własnego uznania i wysłać go do wybranego producenta PCB. Mam gotowego Gerbera, mogę się nim podzielić.

Polecam LIONCIRCUITS, ponieważ mają tanie usługi produkcji prototypów, co jest naprawdę dobre dla ludzi takich jak my, entuzjaści majsterkowania. Mają zautomatyzowaną platformę internetową, na której możesz przesłać swoje pliki Gerber i złożyć zamówienie online. Wysyłka na terenie Indii jest bezpłatna.