12 V 1a SMPS maitinimo grandinės konstrukcija ant PCB

Kiekvienam elektroniniam prietaisui ar gaminiui reikalingas patikimas maitinimo blokas (PSU). Beveik visi mūsų namuose esantys prietaisai, tokie kaip televizorius, spausdintuvas, muzikos grotuvas ir kt., Susideda iš jame įmontuoto maitinimo bloko, kuris paverčia kintamosios srovės tinklo įtampą tinkamu nuolatinės įtampos lygiu, kad jie galėtų veikti. Dažniausiai naudojamas maitinimo grandinės tipas yra SMPS (perjungimo režimo maitinimo šaltinis). Tokio tipo grandines galite lengvai rasti savo 12 V adapteryje arba mobiliojo / nešiojamojo kompiuterio įkroviklyje. Šioje pamokoje sužinosime, kaip sukurti 12v SMPS grandinętai paverstų kintamosios srovės maitinimą į 12 V nuolatinę įtampą, o maksimali srovė būtų 1,25 A. Ši grandinė gali būti naudojama mažoms apkrovoms maitinti arba netgi pritaikyta įkrovikliui, kad galėtumėte įkrauti švino rūgšties ir ličio baterijas. Jei ši 12v 15 vatų maitinimo grandinė neatitinka jūsų reikalavimo, galite patikrinti įvairias maitinimo grandines su skirtingais reitingais.

12v SMPS grandinė - projektavimo aspektai

Prieš pradedant bet kokį maitinimo šaltinio projektavimą, reikia atlikti reikalavimo analizę, atsižvelgiant į aplinką, kurioje bus naudojamas mūsų maitinimo šaltinis. Įvairių tipų maitinimas veikia skirtingose aplinkose ir su tam tikromis įvesties-išvesties ribomis.

Įvesties specifikacija

Pradėkime nuo įvesties. Įvesties maitinimo įtampa yra pirmas dalykas, kurį naudos SMPS ir kuris bus paverstas naudinga verte apkrovai tiekti. Kadangi ši konstrukcija yra skirta kintamosios ir nuolatinės srovės keitimui, įvestis bus kintama srovė (AC). Indijoje įėjimo kintamosios srovės įtampa yra 220–230 voltų, JAV - 110 voltų. Taip pat yra ir kitų tautų, naudojančių skirtingus įtampos lygius. Paprastai SMPS veikia su universalia įėjimo įtampadiapazonas. Tai reiškia, kad įėjimo įtampa gali skirtis nuo 85 V iki 265 V AC. SMPS gali būti naudojamas bet kurioje šalyje ir galėtų užtikrinti stabilų visos apkrovos išėjimą, jei įtampa yra tarp 85–265 V kintamosios srovės. SMPS taip pat turėtų normaliai veikti esant 50Hz ir 60Hz dažniui. Tai yra priežastis, kodėl mes galime naudoti savo telefono ir nešiojamojo kompiuterio įkroviklius bet kurioje šalyje.

Išvesties specifikacija

Išvesties pusėje kelios apkrovos yra varžinės, nedaug - indukcinės. Priklausomai nuo apkrovos, SMPS konstrukcija gali būti skirtinga. Šiam SMPS apkrova laikoma varžine apkrova. Tačiau nėra nieko panašaus į varžinę apkrovą, kiekvieną apkrovą sudaro bent tam tikras induktyvumo ir talpos kiekis; čia daroma prielaida, kad apkrovos induktyvumas ir talpa yra nereikšmingi.

SMPS išvesties specifikacija labai priklauso nuo apkrovos, pvz., Kiek įtampos ir srovės reikės apkrovai visomis veikimo sąlygomis. Šiam projektui SMPS galėtų suteikti 15 W galią. Tai yra 12 V ir 1,25 A. Tikslinė išėjimo bangelė parenkama kaip 30 mV pk-pk esant 20000 Hz pralaidumui.

Atsižvelgdami į išėjimo apkrovą, mes taip pat turime nuspręsti, ar sukurti pastovios įtampos SMPS, ar nuolatinės srovės SMPS. Nuolatinė įtampa reiškia, kad įtampa visoje apkrovoje bus pastovi, o srovė bus atitinkamai pakeista keičiantis atsparumui apkrovai. Kita vertus, pastovus srovės režimas leis srovei būti pastoviai, tačiau keisdamas įtampą, atitinkamai pakeis įtampą. Taip pat tiek CV, tiek CC gali būti prieinami SMPS, tačiau jie negali veikti vienu metu. Kai SMPS egzistuoja abi parinktys, turi būti nustatytas intervalas, kada SMPS pakeis išvesties operaciją iš CV į CC ir atvirkščiai. Paprastai švino rūgšties arba ličio baterijoms krauti naudojami CC ir CV režimo įkrovikliai.

Įvesties ir išvesties apsaugos ypatybės

SMPS sistemoje galima naudoti įvairias apsaugos grandines saugesnėms ir patikimesnėms operacijoms. Apsaugos grandinė apsaugo SMPS, taip pat prijungtą apkrovą. Priklausomai nuo vietos, apsaugos grandinę galima prijungti per įvestį arba išėjimą. Dažniausia įvesties apsauga yra apsauga nuo viršįtampių ir EMI filtrai. Apsauga nuo viršįtampių apsaugo SMPS nuo įėjimo viršįtampių ar kintamosios srovės viršįtampio. EMI filtras apsaugo SMPS nuo EMI generavimo visoje įvesties linijoje. Šiame projekte bus galima naudoti abi funkcijas. Išėjimo apsauga apima trumpo jungimo apsauga, apsauga nuo viršįtampio ir per dabartinę apsauga. Šis SMPS dizainas taip pat apims visas šias apsaugos grandines.

Maitinimo valdymo IC pasirinkimas

Kiekvienai SMPS grandinei reikalingas maitinimo valdymo IC, taip pat žinomas kaip perjungimo IC arba SMPS IC arba Drier IC. Apibendrinkime dizaino sumetimus, kad pasirinktume idealų energijos valdymo IC, kuris bus tinkamas mūsų dizainui. Mūsų projektavimo reikalavimai yra

15W galia. 12 V 1,25A, esant mažiau nei 30 mV pk-pk bangavimui, esant pilnai apkrovai.
Universalus įvesties įvertinimas.
Įvesties apsauga nuo viršįtampių.
Išėjimo trumpasis jungimas, viršįtampa ir apsauga nuo srovės.
Nuolatinės įtampos operacijos.

Iš aukščiau nurodytų reikalavimų galima rinktis iš daugybės IC, tačiau šiam projektui pasirinkome „ Power“ integraciją. Maitinimo integracija yra puslaidininkių kompanija, turinti platų galios valdiklių IC spektrą įvairiuose galios diapazonuose. Atsižvelgdami į reikalavimus ir prieinamumą, mes nusprendėme naudoti TNY268PN iš mažų II jungiklių šeimų.

Aukščiau pateiktame paveikslėlyje parodyta maksimali galia 15W. Tačiau mes padarysime SMPS atvirame rėme ir visuotiniam įvesties reitingui. Tokiame segmente TNY268PN galėtų suteikti 15 W galingumą. Pažiūrėkime kaiščių schemą.

12v 1Amp SMPS grandinės projektavimas

Geriausias būdas sukurti grandinę yra naudoti „Power Integration“ PI ekspertų programinę įrangą. Tai puiki maitinimo šaltinio projektavimo programinė įranga. Grandinė sukonstruota naudojant maitinimo integravimo IC. Projektavimo procedūra yra paaiškinta žemiau, taip pat galite slinkti žemyn, kad pamatytumėte tą patį vaizdo įrašą.

-1 žingsnis: Pasirinkite „ Tiny“ jungiklį II ir norimą paketą. Mes pasirinkome DIP paketą. Pasirinkite „Enclosure“ tipą, „Adapter“ arba „Open Frame“. Čia pasirenkamas „Open Frame“.

Tada pasirinkite atsiliepimų tipą. Tai būtina, nes naudojama „ Flyback“ topologija. TL431 yra puikus atsiliepimų pasirinkimas. TL431 yra šunto reguliatorius ir užtikrins puikią apsaugą nuo viršįtampio ir tikslią išėjimo įtampą.

2 žingsnis: Pasirinkite įėjimo įtampos diapazoną. Kadangi tai bus universali įvesties SMPS, įėjimo įtampa pasirenkama kaip 85-265V AC. Linijos dažnis yra 50 Hz.

3 žingsnis:

Pasirinkite išėjimo įtampą, srovę ir galią. SMPS reitingas bus 12V 1,25A. Galia rodo 15 W. Veikimo režimas taip pat pasirenkamas kaip CV, tai reiškia pastovios įtampos veikimo režimą. Galiausiai viskas atliekama trimis paprastais žingsniais ir sukuriama schema.

12 V SMPS grandinės schema ir paaiškinimas

Žemiau esanti grandinė yra šiek tiek pakeista, kad atitiktų mūsų projektą.

Prieš pradėdami tiesiai kurti prototipo dalį, panagrinėkime 12v SMPS grandinės schemą ir jos veikimą. Grandinėje yra šie skyriai

Įvesties viršįtampio ir SMPS apsauga nuo gedimų
AC-DC konversija
PI filtras
Vairuotojo grandinė arba perjungimo grandinė
Apsauga nuo per mažos įtampos blokavimo
Spaustuko grandinė
Magnetika ir galvaninė izoliacija
EMI filtras
Antrinis lygintuvas ir „snubber“ grandinė
Filtro skyrius
Atsiliepimų skiltis.

Įvesties viršįtampio ir SMPS apsauga nuo gedimų

Šį skyrių sudaro du komponentai - F1 ir RV1. F1 yra 1A 250VAC lėtas saugiklis, o RV1 yra 7mm 275V MOV (metalo oksido varistorius). Aukštos įtampos šuolio metu (daugiau nei 275 VAC) MOV trumpam sustojo ir išpūtė įvesties saugiklį. Tačiau dėl lėto pūtimo funkcijos saugiklis atlaiko įsiurbimo srovę per SMPS.

AC-DC konversija

Šią atkarpą reguliuoja diodų tiltas. Šie keturi diodai (DB107 viduje) sukuria viso tilto lygintuvą. Diodai yra 1N4006, tačiau standartinis 1N4007 gali puikiai atlikti šį darbą. Šiame projekte šie keturi diodai yra pakeisti viso tilto lygintuvu DB107.

PI filtras

Skirtingose valstybėse skiriasi EMI atmetimo standartas. Ši konstrukcija patvirtina EN61000 3 klasės standartą, o PI filtras sukurtas taip, kad sumažintų įprasto režimo EMI atmetimą. Šis skyrius sukurtas naudojant C1, C2 ir L1. C1 ir C2 yra 400 V 18uF kondensatoriai. Tai nelyginė vertė, todėl šiai programai pasirinktas 22uF 400V. L1 yra įprasto režimo droselis, kuriam reikia diferencinio EMI signalo, kad būtų atšaukti abu.

Vairuotojo grandinė arba perjungimo grandinė

Tai SMPS širdis. Transformatoriaus pagrindinę pusę valdo perjungimo grandinė TNY268PN. Perjungimo dažnis yra 120-132 khz. Dėl šio aukšto perjungimo dažnio galima naudoti mažesnius transformatorius. Perjungimo grandinę sudaro du komponentai - U1 ir C3. U1 yra pagrindinis IC TNY268PN variklis. C3 yra apeinamasis kondensatorius, reikalingas mūsų vairuotojo IC darbui.

Apsauga nuo per mažos įtampos

Apsaugą nuo nepakankamos įtampos padaro jutimo rezistoriai R1 ir R2. Jis naudojamas, kai SMPS pereina į automatinio paleidimo režimą ir pajunta linijos įtampą.

Spaustuko grandinė

D1 ir D2 yra spaustuko grandinė. D1 yra TVS diodas, o D2 - ypač greitas atkūrimo diodas. Transformatorius veikia didžiulį induktorių per maitinimo šaltinį IC TNY268PN. Todėl per išjungimo ciklą transformatorius sukuria aukštos įtampos šuolius dėl transformatoriaus nuotėkio induktyvumo. Šiuos aukšto dažnio įtampos šuolius slopina transformatoriaus diodų spaustukas. UF4007 yra pasirinktas dėl ypač greito atkūrimo, o P6KE200A - TVS operacijai.

Magnetika ir galvaninė izoliacija

Transformatorius yra feromagnetinis transformatorius ir jis ne tik paverčia aukštos įtampos kintamąja srove į žemos įtampos kintamąja srove, bet ir užtikrina galvaninę izoliaciją.

EMI filtras

EMI filtravimą atlieka C4 kondensatorius. Tai padidina grandinės atsparumą, kad sumažintų didelius EMI trukdžius.

Antrinio lygintuvo ir „Snubber“ grandinė

Transformatoriaus išvestis ištaisoma ir paverčiama nuolatine nuolatine srove naudojant D6 - Schottky lygintuvo diodą. D6 įtampos grandinė slopina pereinamąją įtampą perjungimo operacijų metu. Snuberio grandinę sudaro vienas rezistorius ir vienas kondensatorius R3 ir C5.

Filtro skyrius

Filtro sekciją sudaro filtro kondensatorius C6. Tai mažo ESR kondensatorius, leidžiantis geriau atmesti pulsaciją. Be to, LC filtras, naudojant L2 ir C7, užtikrina geresnį pulsacijos atmetimą išvestyje.

Atsiliepimų skiltis

Išėjimo įtampą nustato U3 TL431 ir R6 ir R7. Pajutęs liniją U2, optinis jungiklis yra valdomas ir galvaniškai izoliuojantis antrinio grįžtamojo ryšio jutimo dalį pirminiu šoniniu valdikliu. „Optocoupler“ viduje yra tranzistorius ir šviesos diodas. Valdant šviesos diodą, tranzistorius valdomas. Kadangi ryšys vykdomas optiškai, jis neturi tiesioginio elektros jungties, todėl patenkina ir galvaninę izoliaciją grįžtamojo ryšio grandinėje.

Dabar, kai šviesos diodas tiesiogiai valdo tranzistorių, užtikrindamas pakankamą šališkumą visame optrono LED, galima valdyti optrono tranzistorių, tiksliau - tvarkyklės grandinę. Šią valdymo sistemą naudoja TL431. Kadangi šunto reguliatorius turi rezistoriaus daliklį per savo atskaitos kaištį, jis gali valdyti optoros jungties laidą, kuris yra sujungtas per jį. Grįžtamasis ryšys kaištis turi atskaitos įtampa 2.5V. Todėl TL431 gali būti aktyvus tik tuo atveju, jei įtampa per daliklį yra pakankama. Mūsų atveju įtampos daliklis nustatytas į 12 V vertę. Todėl, kai išėjimas pasiekia 12 V, TL431 gauna 2,5 V per atskaitos kaištį ir taip įjungia optrono LED, kuris valdo optrono tranzistorių ir netiesiogiai valdo TNY268PN. Jei išėjime nepakanka įtampos, perjungimo ciklas nedelsiant sustabdomas.

Pirma, TNY268PN suaktyvina pirmąjį perjungimo ciklą ir tada nujaučia, kad jis yra EN. Jei viskas gerai, jis tęs perjungimą, jei ne, kartais bandys dar kartą. Ši kilpa tęsiama tol, kol viskas tampa normali, taip užkertant kelią trumpojo jungimo ar viršįtampio problemoms. Štai kodėl ji vadinama „flyback“ topologija, nes išėjimo įtampa grįžta į vairuotoją, kad jis galėtų nustatyti susijusias operacijas. Be to, bandymo ciklas vadinamas žagsėjimo režimu gedimo sąlygomis.

D3 yra Schottky barjerinis diodas. Šis diodas konvertuoja aukšto dažnio kintamosios srovės išėjimą į nuolatinę. Patikimam veikimui parenkamas 3A 60 V „Schottky“ diodas. R4 ir R5 parenka ir apskaičiuoja PI ekspertas. Jis sukuria įtampos daliklį ir perduoda srovę į „Optocoupler“ šviesos diodą iš TL431.

R6 ir R7 yra paprastas įtampos daliklis, apskaičiuotas pagal formulę TL431 REF įtampa = (Vout x R7) / R6 + R7. Etaloninė įtampa yra 2,5 V, o Vout - 12 V. Pasirinkus R6 23,7k vertę, R7 apytiksliai tapo 9,09k.

Gamyba PCB 12v 1A SMPS grandinei

Dabar, kai suprantame, kaip veikia schemos, galime tęsti savo SMPS PCB kūrimą. Kadangi tai yra SMPS grandinė, rekomenduojama naudoti plokštę, nes ji gali išspręsti triukšmo ir izoliacijos problemas. Minėtos grandinės PCB išdėstymą taip pat galima atsisiųsti kaip nuorodą „Gerber“

Atsisiųskite „Gerber“ failą 15 W SMPS grandinei

Dabar, kai mūsų dizainas yra paruoštas, laikas juos pagaminti naudojant „Gerber“ failą. Norėdami padaryti PCB yra gana lengva, tiesiog atlikite toliau nurodytus veiksmus

1 žingsnis: Eikite į www.pcbgogo.com, užsiregistruokite, jei tai jūsų pirmas kartas. Tada skirtuke PCB Prototype įveskite savo PCB matmenis, sluoksnių skaičių ir reikalingą PCB skaičių. Darant prielaidą, kad PCB yra 80 cm × 80 cm, matmenis galite nustatyti taip, kaip parodyta žemiau.

2 žingsnis: tęskite spustelėdami mygtuką „ Pasiūlyti dabar “. Būsite nukreipti į puslapį, kuriame prireikus nustatysite keletą papildomų parametrų, pvz., Naudojamos medžiagos takų tarpai ir pan. Tačiau dažniausiai numatytosios vertės veiks gerai. Vienintelis dalykas, į kurį turime atsižvelgti, yra kaina ir laikas. Kaip matote, pastatymo laikas yra tik 2-3 dienos, o mūsų PSB jis kainuoja tik 5 USD. Tada galite pasirinkti pageidaujamą pristatymo būdą pagal savo reikalavimus.

3 žingsnis: Paskutinis žingsnis yra įkelti „Gerber“ failą ir tęsti mokėjimą. Norėdami įsitikinti, kad procesas vyksta sklandžiai, prieš tęsdamas mokėjimą, PCBGOGO patikrina, ar jūsų „Gerber“ failas galioja. Tokiu būdu galite būti tikri, kad jūsų PCB yra draugiškas gamybai ir pasieks jus kaip įsipareigojusį.

PCB surinkimas

Užsakius lentą, ji mane pasiekė po kelių dienų, nors kurjeris tvarkingai paženklintoje, gerai supakuotoje dėžutėje ir kaip visada PCB kokybė buvo nuostabi. Mano gautas PCB parodytas žemiau

Aš įjungiau litavimo strypą ir pradėjau montuoti lentą. Kadangi pėdsakai, įklotai, vijokliai ir šilkografija yra tinkamos formos ir dydžio, neturėjau jokių problemų surenkant lentą. Mano PCB, pritvirtintas prie litavimo vice, parodytas žemiau.

Komponentų pirkimas

Visi šios 12v 15w SMPS grandinės komponentai yra perkami pagal schemą. Išsamią BOM galite rasti žemiau esančiame „Excel“ faile, kurį galite atsisiųsti.

15W SMPS dizainas - medžiagų žiniaraštis

Beveik visus komponentus galima lengvai naudoti lentynoje. Gali kilti problemų ieškant tinkamo šio projekto transformatoriaus. Paprastai SMPS grandinės perjungimo grįžtamojo transformatoriaus tiesiogiai iš pardavėjų nėra, daugeliu atvejų, jei reikia efektyvių rezultatų, turite susukti savo transformatorių. Tačiau taip pat gerai naudoti panašų grįžtamąjį transformatorių ir jūsų grandinė vis tiek veiks. Idealias mūsų transformatoriaus specifikacijas pateiks „PI Expert“ programinė įranga, kurią naudojome anksčiau.

Žemiau parodyta transformatoriaus, gauto iš PI Expert, mechaninė ir elektrinė schema.

Jei nepavyksta rasti tinkamo pardavėjo, galite išgelbėti transformatorių iš 12 V adapterio ar kitų SMPS grandinių. Arba galite sukurti savo transformatorių, naudodamiesi šiomis medžiagomis ir vyniojimo instrukcijomis.

Įsigijus visus komponentus, juos surinkti turėtų būti lengva. Norėdami naudoti nuorodą ir surinkti PCB plokštę, galite naudoti „Gerber“ failą ir BOM. Kai atliksite, mano PCB priekinė ir galinė pusė atrodo maždaug taip žemiau

Testuojama mūsų 15 W SMPS grandinė

Dabar, kai mūsų grandinė yra paruošta, atėjo laikas ją pasukti. Mes prijungsime plokštę prie mūsų kintamosios srovės tinklo per VARIAC ir pakrausime išėjimo pusę apkrovos mašina ir išmatuosime pulsacijos įtampą, kad patikrintume savo grandinės veikimą. Visą vaizdo įrašą apie bandymo procedūrą taip pat galite rasti šio puslapio pabaigoje. Žemiau pateiktame paveikslėlyje parodyta grandinė, išbandyta esant 230 V kintamosios įtampos kintamajai srovei, kuriai mes gauname 12,08 V išėjimą

Ripelio įtampos matavimas naudojant osciloskopą

Norėdami išmatuoti pulsacijos įtampą osciloskopu, pakeiskite taikymo srities įvestį į kintamosios srovės stiprinimą 1x. Tada prijunkite mažos vertės elektrolitinį kondensatorių ir mažos vertės keraminį kondensatorių, kad paimtumėte triukšmo sumažėjimą dėl laidų. Daugiau informacijos apie šią procedūrą galite rasti šio „Power Integration“ RDR-295 dokumento 40 puslapyje.

Žemiau pateiktas momentinis vaizdas buvo padarytas be apkrovos ir 85 V, ir 230 V įtampos. Skalė yra nustatyta 10mV vienam padalijimui, ir, kaip matote, bangavimas yra beveik 10mV pk-pk.

Esant 90 VAC įtampai ir esant visai apkrovai, pulsacija gali būti matoma esant maždaug 20mV pk-pk

Esant 230 V AC ir esant visai apkrovai, pulsacijos įtampa matuojama esant maždaug 30 mV pk-pk, o tai yra blogiausias scenarijus

Viskas; taip galite susikurti savo 12v SMPS grandinę. Supratę darbą, galite pakeisti 12v SMPS schemą, kad atitiktų jūsų įtampos ir galios reikalavimus. Tikiuosi, kad supratote pamoką ir jums patiko išmokti ką nors naudingo. Jei turite klausimų, palikite juos komentarų skiltyje arba naudokitės mūsų forumais techninėms diskusijoms. Vėl susitiksime su dar vienu įdomiu SMPS dizainu, iki tol pasirašysiu….