12V 1a smps áramellátási áramkör kialakítása a NYÁK-on

Minden elektronikus eszköz vagy termék működtetéséhez megbízható tápegységre (PSU) van szükség. Az otthonunk szinte minden eszköze, például a tévé, nyomtató, zenelejátszó stb., Egy beépített tápegységből áll, amely a váltóáramú hálózati feszültséget megfelelő működési szintre alakítja. A leggyakrabban használt áramellátási áramkör típusa az SMPS (Switching Mode Power Supply). Ezt a típusú áramkört könnyen megtalálhatja 12 V-os adapterében vagy mobil / laptop töltőjében. Ebben az oktatóanyagban megtudhatjuk, hogyan kell felépíteni egy 12v-os SMPS áramkörtamellyel a váltóáramú hálózati feszültség 12 V DC-re alakulna át, maximális áramértéke 1,25A. Ez az áramkör használható kis terhelések táplálására, vagy akár töltőként is átalakítható ólom-sav és lítium akkumulátorok feltöltésére. Ha ez a 12 V-os 15 W-os áramellátási áramkör nem felel meg az Ön követelményeinek, ellenőrizheti a különböző tápegység-áramköröket különböző névleges értékekkel.

12v SMPS áramkör - tervezési szempontok

Mielőtt bármilyen típusú tápegységet megterveznénk, szükségletelemzést kell végezni a tápellátásunk környezete alapján. Különböző típusú tápegységek működnek különböző környezetekben és meghatározott bemeneti-kimeneti határokkal.

Bemeneti specifikáció

Kezdjük a bemenettel. A bemeneti tápfeszültség az első dolog, amelyet az SMPS használni fog, és hasznos értékgé alakul át a terhelés táplálásához. Mivel ez a kialakítás AC-DC átalakításra van meghatározva, a bemenet váltakozó áramú (AC) lesz. Indiában a váltóáramú bemenet 220-230 voltos, az Egyesült Államok esetében pedig 110 voltos. Vannak más nemzetek is, amelyek különböző feszültségszinteket használnak. Általában az SMPS univerzális bemeneti feszültséggel működikhatótávolság. Ez azt jelenti, hogy a bemeneti feszültség a 85 V és a 265 V közötti tartományban változhat. Az SMPS bármely országban használható, és stabil teljes teljesítményű kimenetet nyújthat, ha a feszültség 85-265V AC között van. Az SMPS-nek normálisan kell működnie 50Hz és 60Hz frekvencia alatt is. Ez az oka annak, hogy bármely országban használhatjuk telefonos és laptopos töltőinket.

Kimeneti specifikáció

A kimeneti oldalon kevés terhelés ellenáll, kevés induktív. A terheléstől függően az SMPS felépítése különböző lehet. Ehhez az SMPS-hez a terhelést rezisztív terhelésként feltételezzük. Nincs azonban semmi olyan, mint egy rezisztív terhelés, minden egyes terhelés legalább valamilyen mennyiségű induktivitásból és kapacitásból áll; itt feltételezzük, hogy a terhelés induktivitása és kapacitása elhanyagolható.

Az SMPS kimeneti specifikációja nagymértékben függ a terheléstől, például attól, hogy mekkora feszültségre és áramra lesz szükség a terheléshez minden működési körülmény között. Ehhez a projekthez az SMPS 15 W-os kimenetet tudna biztosítani. 12V és 1,25A. A célzott kimeneti hullámzást úgy választják meg, hogy kevesebb legyen a 30 mV pk-pk 20000 Hz sávszélesség mellett.

A kimeneti terhelés alapján döntenünk kell az állandó feszültségű SMPS vagy az állandó áramú SMPS megtervezése között is. Az állandó feszültség azt jelenti, hogy a terhelésen a feszültség állandó lesz, és az áram ennek megfelelően megváltozik a terhelés ellenállásának változásával. Másrészt az állandó áram mód lehetővé teszi az áram állandó állapotát, de ennek megfelelően megváltoztatja a feszültséget a terhelési ellenállás változásával. Továbbá mind a CV, mind a CC elérhető lehet SMPS-ben, de nem működhetnek egyszerre. Ha mindkét lehetőség létezik egy SMPS-ben, akkor meg kell adni egy tartományt, amikor az SMPS megváltoztatja kimeneti működését CV-ről CC-re és fordítva. Normál esetben CC és CV módú töltőket használnak ólom savas vagy lítium akkumulátorok töltésére.

Bemeneti és kimeneti védelmi funkciók

Különböző védelmi áramkörök használhatók az SMPS-en a biztonságosabb és megbízhatóbb működés érdekében. A védelmi áramkör védi az SMPS-t és a csatlakoztatott terhelést. A helytől függően a védelmi áramkör csatlakoztatható a bemeneten vagy a kimeneten keresztül. A leggyakoribb bemeneti védelem a túlfeszültség-védelem és az EMI-szűrők. A túlfeszültség-védelem megvédi az SMPS-t a bemeneti túlfeszültségektől vagy az AC túlfeszültségtől. Az EMI szűrő megvédi az SMPS-t az EMI generálásától a beviteli vonalon keresztül. Ebben a projektben mindkét funkció elérhető lesz. A kimeneti védelem magában foglalja a rövidzárlat elleni védelmet, a túlfeszültség elleni védelmet és a túláram elleni védelmet. Ez az SMPS kialakítás magában foglalja ezeket a védelmi áramköröket is.

Az energiagazdálkodási IC kiválasztása

Minden SMPS áramkörhez szükséges egy energiagazdálkodási IC, más néven kapcsoló IC vagy SMPS IC vagy szárító IC. Összegezzük a tervezési szempontokat, hogy kiválasszuk az ideális energiagazdálkodási IC-t, amely alkalmas lesz a tervezésünkre. Tervezési követelményeink megfelelnek

1. 15W kimenet. 12V 1,25A kevesebb, mint 30mV pk-pk hullámzás teljes terhelés mellett.
2. Univerzális bemeneti besorolás.
3. Bemeneti túlfeszültség-védelem.
4. Kimeneti rövidzárlat, túlfeszültség és túláramvédelem.
5. Állandó feszültségű műveletek.

A fenti követelmények közül az IC-k széles skálája közül választhatunk, de ehhez a projekthez a Power integrációt választottuk. Az energiaintegráció egy félvezető vállalat, amely az áramvezérlő IC-k széles skálájával rendelkezik, különböző teljesítmény-tartományokban. A követelmények és a rendelkezésre állás alapján úgy döntöttünk, hogy apró, II. Kapcsolócsaládokból származó TNY268PN- t használjuk.

A fenti képen a maximális teljesítmény 15W látható. Az SMPS-t azonban nyitott keretben és az univerzális bemeneti besoroláshoz készítjük. Egy ilyen szegmensben a TNY268PN 15 W-os kimenetet tudna biztosítani. Lássuk a tűdiagramot.

A 12v 1Amp SMPS áramkör megtervezése

Az áramkör felépítésének legjobb módja a Power Integráció PI szakértői szoftverének használata. Kiváló tápegység-tervező szoftver. Az áramkört az Energiaintegrációs IC használatával állítják össze. A tervezési eljárást az alábbiakban ismertetjük, alternatív megoldásként lefelé is görgethet az ugyanezt magyarázó videóhoz.

-1. Lépés: Válassza ki a Tiny kapcsolót II, és válassza ki a kívánt csomagot is. Kiválasztottuk a DIP csomagot. Válassza ki a Ház típusát, az Adaptert vagy a Nyitott keretet. Itt a Keret megnyitása van kiválasztva.

Ezután válassza ki a Visszajelzés típusát. Lényeges, mivel a Flyback topológiát használják. A TL431 kiváló választás a visszajelzéshez. A TL431 egy söntszabályozó, amely kiváló túlfeszültség-védelmet és pontos kimeneti feszültséget biztosít.

2. lépés: Válassza ki a bemeneti feszültségtartományt. Mivel univerzális bemeneti SMPS lesz, a bemeneti feszültség 85-265V AC. A vonal frekvenciája 50 Hz.

3. lépés:

Válassza ki a kimeneti feszültséget, áramot és teljesítményt. Az SMPS besorolás 12V 1,25A lesz. A teljesítmény 15 W-ot mutat. Az üzemmódot CV-ként is kiválasztják, állandó feszültségű üzemmódot jelent. Végül mindent három egyszerű lépésben végeznek, és a séma elkészül.

12 V-os SMPS áramkör diagram és magyarázat

Az alábbi áramkör kissé módosított, hogy megfeleljen a projektünknek.

Mielőtt egyenesen belekezdenénk a prototípus felépítésébe, vizsgáljuk meg a 12v SMPS kapcsolási rajzát és működését. Az áramkör a következő szakaszokkal rendelkezik

1. Bemeneti túlfeszültség és SMPS hibavédelem
2. AC-DC átalakítás
3. PI szűrő
4. Vezérlő áramkör vagy kapcsoló áramkör
5. Feszültség alatti reteszelés elleni védelem.
6. Bilincs áramkör
7. Mágnes és galvánszigetelés
8. EMI szűrő
9. Másodlagos egyenirányító és snubber áramkör
10. Szűrő szakasz
11. Visszajelzés szakasz.

Bemeneti túlfeszültség és SMPS hibavédelem

Ez a szakasz két komponensből áll, az F1 és az RV1. Az F1 egy 1A 250VAC lassú biztosíték, az RV1 pedig egy 7mm 275V MOV (Metal Oxid Varistor). Nagyfeszültség (több mint 275 VAC) túlfeszültség alatt a MOV rövidre záródott, és lefújja a bemeneti biztosítékot. A lassú fújás miatt azonban a biztosíték ellenáll az SMPS-en keresztüli bekapcsolási áramnak.

AC-DC átalakítás

Ezt a szakaszt a diódahíd szabályozza. Ez a négy dióda (a DB107 belsejében) teljes hidas egyenirányítót készít. A diódák 1N4006, de az 1N4007 szabvány tökéletesen el tudja látni a munkát. Ebben a projektben ezt a négy diódát egy teljes hidas egyenirányítóval, a DB107 helyettesítik.

PI szűrő

A különböző állapotok eltérő EMI-elutasítási standardokkal rendelkeznek. Ez a kialakítás megerősíti az EN61000 3. osztályú szabványt, és a PI szűrőt úgy tervezték, hogy csökkentse a közös módú EMI elutasítást. Ez a szakasz a C1, C2 és L1 használatával jön létre. A C1 és C2 400 V 18uF kondenzátorok. Ez páratlan érték, ezért 22uF 400V van kiválasztva ehhez az alkalmazáshoz. Az L1 egy általános módú fojtótekercs, amely differenciális EMI jelet igényel mindkettő törléséhez.

Vezérlő áramkör vagy kapcsoló áramkör

Ez az SMPS szíve. A transzformátor elsődleges oldalát a TNY268PN kapcsoló áramkör vezérli. A kapcsolási frekvencia 120-132 khz. Ennek a magas kapcsolási frekvenciának köszönhetően kisebb transzformátorok is használhatók. A kapcsoló áramkör két komponensű, az U1 és a C3. Az U1 a fő meghajtó IC TNY268PN. A C3 a bypass kondenzátor, amely az illesztőprogram IC működéséhez szükséges.

Feszültség alatti reteszelés elleni védelem

A feszültség alatti reteszelést az R1 és R2 érzékelő ellenállás végzi. Akkor használják, amikor az SMPS automatikus újraindítási módba lép, és érzékeli a hálózati feszültséget.

Bilincs áramkör

D1 és D2 a szorító áramkör. D1 a TVS dióda, a D2 pedig egy rendkívül gyors helyreállítási dióda. A transzformátor hatalmas induktivitást fejt ki a TNY268PN IC meghajtón. Ezért során kikapcsolásával-ciklus, a transzformátor teremt magas feszültség tüskék miatt a szórt induktivitás a transzformátor. Ezeket a nagyfrekvenciás feszültség-csúcsokat a dióda bilincs elnyomja a transzformátoron. Az UF4007 kiválasztása a rendkívül gyors helyreállítás miatt történik, a P6KE200A kiválasztása pedig a TVS működéséhez.

Mágnes és galvánszigetelés

A transzformátor ferromágneses transzformátor, és nemcsak átalakítja a nagyfeszültségű váltakozó áramot alacsony feszültségű váltakozó áramúvá, hanem galvánikus szigetelést is biztosít.

EMI szűrő

Az EMI szűrést a C4 kondenzátor végzi. Növeli az áramkör immunitását a magas EMI interferencia csökkentése érdekében.

Másodlagos egyenirányító és Snubber áramkör

A transzformátor kimenetét egyenirányítják és egyenárammá alakítják D6 segítségével, egy Schottky egyenirányító dióda segítségével. A D6-on lévő áramkör biztosítja a tranziens feszültségének elnyomását a kapcsolási műveletek során. A szétválasztó áramkör egy ellenállást és egy kondenzátort, R3 és C5 tartalmaz.

Szűrő szakasz

A szűrőrész egy C6 szűrőkondenzátorból áll. Alacsony ESR kapacitású kondenzátor a jobb hullámzáselutasításhoz. Ezenkívül az L2 és a C7 LC-szűrője jobb hullámvisszaverést biztosít a kimeneten.

Visszajelzés szakasz

A kimeneti feszültséget az U3 TL431, valamint az R6 és R7 érzékeli. Miután érzékelte az U2 vonalat, az optocsatolót vezérlik, és galvánilag izolálja a másodlagos visszacsatolás érzékelő részt az elsődleges oldali vezérlővel. Az optocsatolóban tranzisztor és egy LED található. A LED vezérlésével a tranzisztort vezérlik. Mivel a kommunikáció optikailag történik, nincs közvetlen elektromos kapcsolata, így kielégíti a visszacsatoló áramkör galvánszigetelését is.

Most, amikor a LED közvetlenül vezérli a tranzisztort, elegendő torzítással biztosítva az optocsatoló LED-ét, vezérelhető az optocsatoló tranzisztor, pontosabban a meghajtó áramkör. Ezt a vezérlőrendszert a TL431 alkalmazza. Mivel a söntszabályozónak ellenállása osztó van a referenciatüskéjén keresztül, vezérelni tudja a rajta összekapcsolt optocsatoló vezetéket. A visszajelzések pin egy referencia feszültség 2.5V. Ezért a TL431 csak akkor lehet aktív, ha az osztón átmenő feszültség elegendő. Esetünkben a feszültségosztó értéke 12V. Ezért amikor a kimenet eléri a 12 V-ot, a TL431 2,5 V-ot kap a referenciacsapon, és így aktiválja az optocsatoló LED-jét, amely vezérli az optocsatoló tranzisztorát és közvetetten vezérli a TNY268PN-t. Ha a feszültség nem megfelelő a kimeneten, a kapcsolási ciklus azonnal szünetel.

Először a TNY268PN aktiválja az első kapcsolási ciklust, majd érzékeli az EN tűt. Ha minden rendben van, akkor folytatja a váltást, ha nem, néha újra megpróbálja. Ez a hurok addig folytatódik, amíg minden normális állapotba nem kerül, megakadályozva ezzel a rövidzárlatot vagy a túlfeszültséget. Ezért hívják flyback topológiának, mivel a kimeneti feszültséget visszavezetik a meghajtóhoz a kapcsolódó műveletek érzékeléséhez. Ezenkívül a próbahurkot csuklási üzemmódnak nevezzük a meghibásodás állapotában.

A D3 egy Schottky gátdióda. Ez a dióda a nagyfrekvenciás váltakozó áramú kimenetet DC-vé alakítja. 3A 60 V-os Schottky-diódát választanak a megbízható működéshez. R4 és R5 kiválasztását és kiszámítását a PI szakértő végzi. Létrehoz egy feszültségosztót és átadja az áramot az Optocoupler LED-nek a TL431-ből.

R6 és R7 egy egyszerű feszültségosztó, amelyet a TL431 REF feszültség = (Vout x R7) / R6 + R7 képlettel számolunk. A referenciafeszültség 2,5 V, a Vout pedig 12 V. Az R6 23,7k értékének kiválasztásával az R7 körülbelül 9,09k lett.

NYÁK gyártása 12v 1A SMPS áramkörhöz

Most, hogy megértettük a vázlatok működését, folytathatjuk az SMPS-hez tartozó PCB felépítését. Mivel ez egy SMPS áramkör, ajánlott egy NYÁK, mivel az kezelheti a zaj- és szigetelési problémákat. A fenti áramkör NYÁK-elrendezése Gerber néven is letölthető a linkről

• Töltse le a Gerber fájlt a 15 W-os SMPS áramkörhöz

Most, hogy a tervünk készen áll, itt az ideje, hogy a Gerber fájl segítségével elkészítsük őket. A nyomtatott áramköri lap elkészítéséhez elég egyszerű, egyszerűen kövesse az alábbi lépéseket

1. lépés: Keresse fel a www.pcbgogo.com oldalt, regisztráljon, ha ez az első alkalom. Ezután a NYÁK prototípus fülön adja meg a NYÁK méreteit, a rétegek számát és a szükséges NYÁK számát. Feltételezve, hogy a NYÁK 80 cm × 80 cm, a méreteket az alábbiak szerint állíthatja be.

2. lépés: Folytassa az Idézés most gombra kattintva. Egy olyan oldalra kerül, ahol szükség esetén néhány további paramétert állíthat be, például a használt anyag sávközét stb. De többnyire az alapértelmezett értékek működnek jól. Az egyetlen dolog, amit itt figyelembe kell vennünk, az az ár és az idő. Amint láthatja, az építési idő csak 2-3 nap, és csak 5 dollárba kerül a PSB-nknek. Ezután kiválaszthatja a kívánt szállítási módot az igényei alapján.

3. lépés: Az utolsó lépés a Gerber fájl feltöltése és a fizetés folytatása. Annak érdekében, hogy a folyamat zökkenőmentes legyen, a fizetés folytatása előtt a PCBGOGO ellenőrzi, hogy Gerber fájlja érvényes-e. Így biztos lehet abban, hogy a NYÁK gyártásbarát, és elkötelezetten eljut hozzád.

A NYÁK összeállítása

A tábla megrendelése után néhány nap múlva eljutott hozzám, bár futár egy szépen címkézett, jól csomagolt dobozban, és mint mindig, a PCB minősége fantasztikus volt. Az általam kapott PCB az alábbiakban látható

Bekapcsoltam a forrasztórudat, és elkezdtem összeszerelni a táblát. Mivel a lábnyomok, a betétek, az üvegcsék és a selyemképernyő tökéletesen megfelelő alakúak és méretűek, nem okozott gondot a tábla összeállítása. Az alábbiakban látható a forrasztó helyére szorított NYÁK-m.

Alkatrészek beszerzése

Ennek a 12v 15w SMPS áramkörnek az összes alkatrészét beszerezzük a vázlat szerint. A részletjegyzék a letölthető alábbi Excel fájlban található.

• 15 W-os SMPS tervezés - anyagjegyzék

Szinte az összes alkatrész könnyen elérhető, hogy polcról lehessen használni. Előfordulhat, hogy problémát talál a projekt megfelelő transzformátorának megtalálásában. Általában az SMPS áramkör kapcsolására a flyback transzformátor nem közvetlenül a gyártóktól kapható, a legtöbb esetben saját transzformátort kell tekerni, ha hatékony eredményre van szüksége. Ugyanakkor az is rendben van, ha hasonló repülési transzformátort használ, és az áramköre továbbra is működni fog. A transzformátorunk ideális specifikációját a PI Expert szoftver biztosítja, amelyet korábban használtunk.

Az alábbiakban bemutatjuk a PI Expert-től kapott transzformátor mechanikai és elektromos diagramját.

Ha nem találja a megfelelő gyártót, megmenthet egy transzformátort egy 12 V-os adapterből vagy más SMPS áramkörökből. Alternatív megoldásként saját transzformátort is készíthet a következő anyagok és tekercselési utasítások felhasználásával.

Az összes alkatrész beszerzése után az összeszerelésnek egyszerűnek kell lennie. Használhatja a Gerber fájlt és a BOM-ot referenciaként, és összeállíthatja a NYÁK-kártyát. Miután elkészült, a NYÁK elülső és hátsó oldala valahogy így néz ki

15 W-os SMPS áramkör tesztelése

Most, hogy az áramkörünk készen áll, itt az ideje, hogy pörgessük. A VARIAC-on keresztül csatlakoztatjuk a kártyát a váltóáramú hálózatunkhoz, és a kimeneti oldalt terhelőgéppel töltjük be, és megmérjük a hullámosságot az áramkörünk teljesítményének ellenőrzéséhez. A teljes tesztelési videó szintén megtalálható ennek az oldalnak a végén. Az alábbi kép azt az áramkört mutatja, amelyet 230 V AC bemeneti váltakozó feszültséggel teszteltünk, amelyhez 12,08 V kimenetet kapunk

Hullámfeszültség mérése oszcilloszkóp segítségével

A hullámosság feszültségének oszcilloszkóppal történő méréséhez változtassa meg a hatókör bemenetét AC értékre 1x erősítéssel. Ezután csatlakoztasson egy kis értékű elektrolit kondenzátort és egy kis értékű kerámia kondenzátort a huzalozások miatti zajcsökkentések felvételéhez. Az eljárással kapcsolatos további információkért lásd a Power Integration ezen RDR-295 dokumentumának 40. oldalát.

Az alábbi pillanatfelvétel készenléti állapotban készült, mind 85 VAC, mind 230 VAC feszültség mellett. A skála osztásonként 10 mV-ra van állítva, és mint látható, a hullámzás majdnem 10 mV pk-pk.

90 VAC bemeneten és teljes terhelés mellett a hullámosság 20mV pk-pk körül látható

230 VAC-on és teljes terhelésnél a hullámosságot 30 mV körüli pk-pk körül mérik, ami a legrosszabb eset

Ez az; így tervezheti meg saját 12v-os SMPS áramkörét. Miután megértette a működést, megváltoztathatja a 12v SMPS kapcsolási rajzot, hogy megfeleljen a feszültség- és teljesítményigényének. Remélem, megértette a bemutatót, és élvezettel tanult valami hasznosat. Ha bármilyen kérdése van, hagyja őket a megjegyzés részben, vagy használja fórumunkat technikai megbeszélésekhez. Ismét találkozunk egy másik érdekes SMPS-dizájnnal, addig jelentkezünk….