Návrh napájecího obvodu 12V 1A SMPS: 4 kroky

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:21

Hej lidi!

Každé elektronické zařízení nebo výrobek vyžaduje ke svému provozu spolehlivý napájecí zdroj (PSU). Téměř všechna zařízení v naší domácnosti, jako je televize, tiskárna, hudební přehrávač atd., Se skládají z integrovaného napájecího zdroje, který převádí síťové napětí na vhodnou úroveň stejnosměrného napětí, aby mohly fungovat. Nejčastěji používaným typem napájecího obvodu je SMPS (Switching Mode Power Supply), tento typ obvodů snadno najdete v adaptéru na 12 V nebo v mobilní/přenosné nabíječce. V tomto tutoriálu se naučíme, jak vybudovat 12 V SMPS obvod, který by konvertoval střídavý proud na 12 V DC s maximálním proudovým hodnocením 1,25 A. Tento obvod lze použít k napájení malých zátěží nebo dokonce upravit do nabíječky k nabíjení olověných a lithiových baterií. Pokud tento 12v 15watt napájecí obvod neodpovídá vašim požadavkům, můžete zkontrolovat různé napájecí obvody s různými hodnotami.

Krok 1: Obvod SMPS 12v - úvahy o návrhu

Než přistoupíte k návrhu jakéhokoli druhu napájecího zdroje, je třeba provést analýzu požadavků na základě prostředí, ve kterém bude naše napájecí zdroj používán. Různé druhy napájecích zdrojů pracují v různých prostředích a se specifickými hranicemi vstupů a výstupů.

Specifikace vstupu:

Začněme vstupem. Vstupní napájecí napětí je první věcí, kterou SMPS použije a bude transformována na užitečnou hodnotu pro napájení zátěže. Protože je tento návrh určen pro převod AC-DC, bude vstup střídavý proud (AC). Pro Indii je vstup AC k dispozici v napětí 220-230 voltů, pro USA je dimenzován na 110 voltů. Existují také jiné národy, které používají různé úrovně napětí. SMPS obecně pracuje s univerzálním rozsahem vstupního napětí. To znamená, že se vstupní napětí může lišit od 85 V AC do 265 V AC. SMPS lze použít v jakékoli zemi a může poskytovat stabilní výkon při plném zatížení, pokud je napětí mezi 85-265V AC. SMPS by také měl normálně fungovat pod frekvencí 50 Hz a 60 Hz. To je důvod, proč jsme schopni používat naše nabíječky telefonů a notebooků v jakékoli zemi.

Specifikace výstupu:

Na výstupní straně je málo zátěží odporových, málo induktivních. V závislosti na zatížení se konstrukce SMPS může lišit. U tohoto SMPS se zatížení předpokládá jako odporová zátěž. Neexistuje však nic jako odporová zátěž, každá zátěž se skládá alespoň z určitého množství indukčnosti a kapacity; zde se předpokládá, že indukčnost a kapacita zátěže jsou zanedbatelné.

Výstupní specifikace SMPS je vysoce závislá na zátěži, například na tom, kolik napětí a proudu bude zátěž vyžadovat za všech provozních podmínek. Pro tento projekt by SMPS mohl poskytnout 15W výkon. Je to 12V a 1,25A. Cílové zvlnění výstupu je vybráno jako méně než 30 mV pk-pk při šířce pásma 20 000 Hz.

Krok 2: Výběr integrovaného řízení spotřeby

Každý obvod SMPS vyžaduje IC pro správu napájení, známý také jako spínací IC nebo SMPS IC nebo sušič IC. Shrňme úvahy o návrhu a vyberte ideální IC řízení spotřeby, které bude vhodné pro náš návrh. Naše požadavky na design jsou:

1. Výkon 15 W. 12V 1,25 A s vlněním menším než 30 mV pk-pk při plném zatížení.
2. Univerzální vstupní hodnocení.
3. Vstupní přepěťová ochrana.
4. Ochrana proti zkratu, přepětí a nadproudu.
5. Operace s konstantním napětím.

Z výše uvedených požadavků je na výběr široká škála integrovaných obvodů, ale pro tento projekt jsme vybrali integraci napájení. Power integration je polovodičová společnost, která má širokou škálu integrovaných obvodů pro napájení v různých výkonových rozsazích. Na základě požadavků a dostupnosti jsme se rozhodli použít TNY268PN z malých rodin přepínačů II.

Na výše uvedeném obrázku je zobrazen maximální výkon 15 W. SMPS však vyrobíme v otevřeném rámci a pro univerzální vstupní hodnocení. V takovém segmentu by TNY268PN mohl poskytovat výkon 15 W. Podívejme se na pinový diagram.

Krok 3: Schéma a vysvětlení obvodu 12V SMPS

Než se pustíme přímo do stavby prototypu, prozkoumejme schéma zapojení 12 V SMPS a jeho fungování. Obvod má následující sekce:

1. Vstupní přepětí a ochrana proti chybám SMPS
2. Převod AC-DC
3. PI filtr
4. Obvody ovladače nebo spínací obvod
5. Ochrana proti zablokování pod napětím.
6. Svorkový obvod
7. Magnetické a galvanické oddělení
8. EMI filtr
9. Sekundární usměrňovač a tlumící obvod
10. Sekce filtru

Vstupní rázová ochrana a ochrana proti chybám SMPS

Tato část se skládá ze dvou komponent, F1 a RV1. F1 je 1A 250VAC pomalá pojistka a RV1 je 7mm 275V MOV (varistor z oxidu kovu). Během přepětí vysokého napětí (více než 275 V AC) došlo k zkratu MOV a přepálení vstupní pojistky. Díky funkci pomalého foukání však pojistka odolává nárazovému proudu přes SMPS.

Převod AC-DC

Tato část je řízena diodovým můstkem. Tyto čtyři diody (uvnitř DB107) tvoří plný můstkový usměrňovač. Diody jsou 1N4006, ale standardní 1N4007 dokáže tuto práci zvládnout perfektně. V tomto projektu jsou tyto čtyři diody nahrazeny plným můstkovým usměrňovačem DB107.

PI filtr

Různé státy mají různé standardy odmítnutí EMI. Tato konstrukce potvrzuje standard EN61000 třídy 3 a filtr PI je navržen tak, aby omezil potlačení EMI v běžném režimu. Tato sekce je vytvořena pomocí C1, C2 a L1. C1 a C2 jsou kondenzátory 400V 18uF. Je to zvláštní hodnota, takže pro tuto aplikaci je vybráno 22uF 400V. L1 je tlumivka běžného režimu, která vyžaduje diferenciální signál EMI k zrušení obou.

Obvody ovladače nebo spínací obvod

Je srdcem SMPS. Primární strana transformátoru je řízena spínacím obvodem TNY268PN. Frekvence spínání je 120-132 khz. Díky této vysoké spínací frekvenci lze použít menší transformátory. Spínací obvod má dvě složky, U1 a C3. U1 je hlavním ovladačem IC TNY268PN. C3 je obtokový kondenzátor, který je potřebný pro fungování IC našeho ovladače.

Ochrana proti zablokování pod napětím

Ochrana proti zablokování podpětí se provádí snímacím odporem R1 a R2. Používá se, když SMPS přejde do režimu automatického restartu a snímá síťové napětí.

Svorkový obvod

D1 a D2 jsou upínací obvod. D1 je dioda TVS a D2 je ultrarychlá dioda pro obnovu. Transformátor funguje jako obrovský induktor napříč napájecího ovladače IC TNY268PN. Během vypínacího cyklu proto transformátor vytváří vysoké napěťové špičky v důsledku svodové indukčnosti transformátoru. Tyto vysokofrekvenční napěťové špičky jsou potlačeny diodovou svorkou přes transformátor. UF4007 je vybrán kvůli ultra rychlé obnově a P6KE200A je vybrán pro provoz TVS.

Magnetické a galvanické oddělení

Transformátor je feromagnetický transformátor a převádí nejen vysokonapěťové střídavé napětí na střídavé napětí nízkého napětí, ale také zajišťuje galvanické oddělení.

EMI filtr

EMI filtrování se provádí kondenzátorem C4. Zvyšuje imunitu obvodu a snižuje vysoké rušení EMI.

Sekundární usměrňovač a Snubberův obvod

Výstup z transformátoru je usměrněn a převeden na DC pomocí D6, usměrňovací diody Schottky. Obvod tlumení napříč D6 zajišťuje potlačení přechodového napětí během spínacích operací. Obvod tlumiče se skládá z jednoho rezistoru a jednoho kondenzátoru, R3 a C5.

Sekce filtru

Filtrační část se skládá z filtračního kondenzátoru C6. Je to kondenzátor s nízkým ESR pro lepší odmítnutí zvlnění. LC filtr využívající L2 a C7 také poskytuje lepší potlačení zvlnění na výstupu.

Krok 4: Výroba DPS

Schéma desky plošných spojů můžete nakreslit libovolným softwarem podle svého uvážení a odeslat jej výrobci podle svého výběru. Gerbera mám připraveného, mohu se o něj podělit.

Doporučil bych LIONCIRCUITS, protože mají levné výrobní služby pro prototypy, což je opravdu dobré pro lidi, jako jsme my, kutilové. Mají automatizovanou online platformu, kam můžete nahrát své soubory Gerber a zadat online objednávku. Doprava po celé Indii je zdarma.