Progettazione del circuito di alimentazione 12V 1a smps su pcb

Ogni dispositivo o prodotto elettronico richiede un alimentatore affidabile (PSU) per il suo funzionamento. Quasi tutti i dispositivi della nostra casa, come TV, stampante, lettore musicale, ecc. Sono costituiti da un alimentatore integrato che converte la tensione di rete CA in un livello di tensione CC adeguato per il loro funzionamento. Il tipo di circuito di alimentazione più comunemente utilizzato è l' SMPS (Switching Mode Power Supply), è possibile trovare facilmente questo tipo di circuiti nell'adattatore da 12V o nel caricatore per cellulare / laptop. In questo tutorial impareremo come costruire un circuito SMPS 12vche convertirà l'alimentazione di rete CA in 12V CC con una corrente nominale massima di 1,25 A. Questo circuito può essere utilizzato per alimentare piccoli carichi o anche essere adattato a un caricabatterie per caricare batterie al piombo e al litio. Se questo circuito di alimentazione 12v 15watt non corrisponde alle tue esigenze, puoi controllare vari circuiti di alimentazione con valori diversi.

Circuito SMPS 12v - Considerazioni sulla progettazione

Prima di procedere con qualsiasi tipo di progettazione di alimentatori, è necessario effettuare un'analisi dei requisiti in base all'ambiente in cui verrà utilizzato il nostro alimentatore. Diversi tipi di alimentatori funzionano in ambienti diversi e con limiti di ingresso-uscita specifici.

Specifica di input

Cominciamo con l'input. Una tensione di alimentazione in ingresso è la prima cosa che verrà utilizzata dall'SMPS e sarà trasformata in un valore utile per alimentare il carico. Poiché questo design è specificato per la conversione CA-CC, l'ingresso sarà corrente alternata (CA). Per l'India, l'ingresso CA è disponibile in 220-230 volt, per gli Stati Uniti è valutato per 110 volt. Ci sono anche altre nazioni che utilizzano diversi livelli di tensione. Generalmente, SMPS funziona con una tensione di ingresso universalegamma. Ciò significa che la tensione di ingresso può differire da 85 V CA a 265 V CA. SMPS può essere utilizzato in qualsiasi paese e potrebbe fornire un'uscita stabile a pieno carico se la tensione è compresa tra 85-265 V CA. L'SMPS dovrebbe funzionare normalmente anche sotto la frequenza di 50Hz e 60Hz. Questo è il motivo per cui siamo in grado di utilizzare i nostri caricabatterie per telefoni e laptop in qualsiasi paese.

Specifiche di output

Sul lato di uscita, pochi carichi sono resistivi, pochi sono induttivi. A seconda del carico, la struttura di un SMPS può essere diversa. Per questo SMPS il carico viene assunto come carico resistivo. Tuttavia, non c'è niente come un carico resistivo, ogni carico è costituito almeno da una certa quantità di induttanza e capacità; qui si presume che l'induttanza e la capacità del carico siano trascurabili.

Le specifiche di uscita di un SMPS sono altamente affidabili dal carico, come la quantità di tensione e corrente richiesta dal carico in tutte le condizioni operative. Per questo progetto, lo SMPS potrebbe fornire 15W di uscita. È 12 V e 1,25 A. Il ripple di uscita mirato viene selezionato come inferiore a 30 mV picco-picco a una larghezza di banda di 20000 Hz.

In base al carico di uscita, dobbiamo anche decidere tra la progettazione di un SMPS a tensione costante o di un SMPS a corrente costante. Tensione costante significa che la tensione attraverso il carico sarà costante e la corrente verrà modificata di conseguenza con i cambiamenti nella resistenza del carico. D'altra parte, la modalità corrente costante consentirà alla corrente di essere costante ma cambierà la tensione di conseguenza con le variazioni della resistenza di carico. Inoltre, sia CV che CC possono essere disponibili in un SMPS ma non possono funzionare in una sola volta. Quando entrambe le opzioni esistono in un SMPS, deve esserci un intervallo in cui l'SMPS cambierà la sua operazione di output da CV a CC e viceversa. Normalmente i caricabatterie in modalità CC e CV vengono utilizzati per caricare batterie al piombo o al litio.

Funzioni di protezione di input e output

Esistono vari circuiti di protezione che possono essere impiegati sull'SMPS per operazioni più sicure e affidabili. Il circuito di protezione protegge sia l'SMPS che il carico collegato. A seconda della posizione, il circuito di protezione può essere collegato all'ingresso o all'uscita. La protezione di ingresso più comune è la protezione contro le sovratensioni e i filtri EMI. Protezione contro le sovratensioni protegge gli SMPS da picchi o ingresso AC sovratensioni. Il filtro EMI protegge l'SMPS dalla generazione di EMI attraverso la linea di ingresso. In questo progetto, saranno disponibili entrambe le funzionalità. La protezione dell'uscita include protezione da cortocircuito, protezione da sovratensione e protezione da sovracorrente. Questo progetto SMPS includerà anche tutti questi circuiti di protezione.

Selezione del Power Management IC

Ogni circuito SMPS richiede un IC di gestione dell'alimentazione noto anche come IC di commutazione o IC SMPS o IC Drier. Riassumiamo le considerazioni di progettazione per selezionare il circuito integrato di gestione dell'alimentazione ideale che sarà adatto al nostro progetto. I nostri requisiti di progettazione sono

1. Uscita 15 W. 12V 1,25 A con ondulazione picco-picco inferiore a 30 mV a pieno carico.
2. Classificazione di ingresso universale.
3. Protezione contro le sovratensioni in ingresso.
4. Protezione da cortocircuito in uscita, sovratensione e sovracorrente.
5. Operazioni a tensione costante.

Dai requisiti di cui sopra c'è un'ampia gamma di circuiti integrati tra cui scegliere, ma per questo progetto abbiamo selezionato Power Integration. Power Integration è una società di semiconduttori che dispone di un'ampia gamma di circuiti integrati per driver di potenza in vari intervalli di potenza. In base ai requisiti e alla disponibilità, abbiamo deciso di utilizzare TNY268PN delle famiglie di microinterruttori II.

Nell'immagine sopra, viene mostrata la potenza massima 15W. Tuttavia, realizzeremo l'SMPS nel frame aperto e per la classificazione di ingresso universale. In un tale segmento, TNY268PN potrebbe fornire 15W di uscita. Vediamo il diagramma dei pin.

Progettazione del circuito SMPS 12v 1Amp

Il modo migliore per costruire il circuito è utilizzare il software esperto PI di Power Integration. È un eccellente software di progettazione di alimentatori. Il circuito è costruito utilizzando Power Integration IC. La procedura di progettazione è spiegata di seguito, in alternativa puoi anche scorrere verso il basso per il video che spiega la stessa.

Passaggio -1: selezionare l' interruttore Tiny II e selezionare anche il pacchetto desiderato. Abbiamo selezionato il pacchetto DIP. Selezionare il tipo di custodia, adattatore o telaio aperto. Qui è selezionato Open Frame.

Quindi seleziona il tipo di feedback. È essenziale poiché viene utilizzata la topologia Flyback. TL431 è una scelta eccellente per il feedback. TL431 è un regolatore shunt e fornirà un'eccellente protezione da sovratensione e un'accurata tensione di uscita.

Passaggio 2: selezionare l'intervallo della tensione di ingresso. Poiché sarà un SMPS di ingresso universale, la tensione di ingresso è selezionata come 85-265 V CA. La frequenza di linea è 50 Hz.

Passaggio 3:

Seleziona la tensione di uscita, la corrente e la potenza. La classificazione SMPS sarà 12 V 1,25 A. Il wattaggio mostra 15W. La modalità di funzionamento è selezionata anche come CV, significa modalità di funzionamento a tensione costante. Infine, tutto viene eseguito in tre semplici passaggi e viene generato lo schema.

Schema e spiegazione del circuito SMPS 12V

Il circuito sottostante è leggermente modificato per adattarsi al nostro progetto.

Prima di passare direttamente alla costruzione del prototipo, esploriamo lo schema del circuito SMPS 12v e il suo funzionamento. Il circuito ha le seguenti sezioni

1. Protezione contro sovratensioni in ingresso e SMPS
2. Conversione AC-DC
3. Filtro PI
4. Circuito del driver o circuito di commutazione
5. Protezione da sottotensione.
6. Circuito a pinza
7. Magnetica e isolamento galvanico
8. Filtro EMI
9. Raddrizzatore secondario e circuito soppressore
10. Sezione filtro
11. Sezione Feedback.

Protezione contro sovratensioni in ingresso e SMPS

Questa sezione è composta da due componenti, F1 e RV1. F1 è un fusibile ad azione lenta da 1A 250VAC e RV1 è un MOV (Metal Oxide Varistor) da 7mm 275V. Durante un picco di alta tensione (più di 275 V CA), il MOV si è cortocircuitato e brucia il fusibile di ingresso. Tuttavia, a causa della funzione di intervento lento, il fusibile resiste alla corrente di spunto attraverso l'SMPS.

Conversione AC-DC

Questa sezione è governata dal ponte a diodi. Questi quattro diodi (all'interno del DB107) formano un raddrizzatore a ponte completo. I diodi sono 1N4006, ma lo standard 1N4007 può svolgere perfettamente il lavoro. In questo progetto, questi quattro diodi vengono sostituiti con un raddrizzatore a ponte completo DB107.

Filtro PI

Stati diversi hanno standard di rifiuto EMI diversi. Questo design conferma lo standard EN61000-Classe 3 e il filtro PI è progettato in modo tale da ridurre il rifiuto EMI di modo comune. Questa sezione viene creata utilizzando C1, C2 e L1. C1 e C2 sono condensatori da 400V 18uF. È un valore dispari, quindi per questa applicazione è selezionato 22uF 400V. L'L1 è un'induttanza di modo comune che richiede un segnale EMI differenziale per annullarli entrambi.

Circuito del driver o circuito di commutazione

È il cuore di un SMPS. Il lato primario del trasformatore è controllato dal circuito di commutazione TNY268PN. La frequenza di commutazione è 120-132 kHz. A causa di questa alta frequenza di commutazione, è possibile utilizzare trasformatori più piccoli. Il circuito di commutazione ha due componenti, U1 e C3. U1 è il driver principale IC TNY268PN. Il C3 è il condensatore di bypass necessario per il funzionamento del nostro driver IC.

Protezione da sottotensione

La protezione da blocco per sottotensione viene eseguita dal resistore di rilevamento R1 e R2. Viene utilizzato quando l'SMPS entra in modalità di riavvio automatico e rileva la tensione di linea.

Circuito a pinza

D1 e D2 sono il circuito di bloccaggio. D1 è il diodo TVS e D2 è un diodo di recupero ultraveloce. Il trasformatore funge da enorme induttore attraverso il driver di alimentazione IC TNY268PN. Pertanto durante il ciclo di spegnimento, il trasformatore crea picchi di alta tensione dovuti all'induttanza di dispersione del trasformatore. Questi picchi di tensione ad alta frequenza vengono soppressi dal morsetto del diodo sul trasformatore. UF4007 è selezionato per il recupero ultra veloce e P6KE200A è selezionato per il funzionamento TVS.

Magnetica e isolamento galvanico

Il trasformatore è un trasformatore ferromagnetico e non solo converte l'alta tensione CA in bassa tensione CA, ma fornisce anche isolamento galvanico.

Filtro EMI

Il filtraggio EMI viene eseguito dal condensatore C4. Aumenta l'immunità del circuito per ridurre l'elevata interferenza EMI.

Circuito secondario di raddrizzatore e soppressore

L'uscita dal trasformatore viene raddrizzata e convertita in CC utilizzando D6, un diodo raddrizzatore Schottky. Il circuito snubber attraverso il D6 fornisce la soppressione del transitorio di tensione durante le operazioni di commutazione. Il circuito snubber è costituito da un resistore e un condensatore, R3 e C5.

Sezione filtro

La sezione del filtro è costituita da un condensatore di filtro C6. È un condensatore a bassa ESR per una migliore reiezione delle ondulazioni. Inoltre, un filtro LC che utilizza L2 e C7 fornisce una migliore reiezione delle ondulazioni sull'uscita.

Sezione Feedback

La tensione di uscita viene rilevata da U3 TL431 e R6 e R7. Dopo aver rilevato la linea, U2, il fotoaccoppiatore viene controllato e l'isolamento galvanico della porzione di rilevamento del feedback secondario con il controller del lato primario. L'optocoupler ha un transistor e un LED al suo interno. Controllando il LED, il transistor è controllato. Poiché la comunicazione avviene per via ottica, non ha alcun collegamento elettrico diretto, soddisfacendo quindi l'isolamento galvanico anche sul circuito di retroazione.

Ora, poiché il LED controlla direttamente il transistor, fornendo una polarizzazione sufficiente attraverso il LED dell'accoppiatore ottico, è possibile controllare il transistor dell'accoppiatore ottico, più specificamente il circuito di pilotaggio. Questo sistema di controllo è impiegato dal TL431. Poiché il regolatore shunt ha un divisore di resistenza sul suo pin di riferimento, può controllare il led del fotoaccoppiatore che è collegato ad esso. Il perno di retroazione ha una tensione di riferimento di 2.5V. Pertanto, il TL431 può essere attivo solo se la tensione ai capi del partitore è sufficiente. Nel nostro caso, il partitore di tensione è impostato su un valore di 12V. Pertanto, quando l'uscita raggiunge i 12V, il TL431 riceve 2,5V sul pin di riferimento e quindi attiva il LED del fotoaccoppiatore che controlla il transistor del fotoaccoppiatore e controlla indirettamente il TNY268PN. Se la tensione sull'uscita non è sufficiente, il ciclo di commutazione viene immediatamente sospeso.

Innanzitutto, il TNY268PN attiva il primo ciclo di commutazione e quindi rileva il suo pin EN. Se tutto va bene, continuerà il passaggio, in caso contrario, riproverà a volte. Questo ciclo continua fino a quando tutto diventa normale, prevenendo così problemi di cortocircuito o sovratensione. Questo è il motivo per cui viene chiamata topologia flyback, poiché la tensione di uscita viene rimandata al driver per le operazioni relative al rilevamento. Inoltre, il ciclo di prova viene chiamato modalità operativa singhiozzo in condizione di errore.

Il D3 è un diodo a barriera Schottky. Questo diodo converte l'uscita CA ad alta frequenza in una CC. Il diodo Schottky 3A 60V è selezionato per un funzionamento affidabile. R4 e R5 vengono selezionati e calcolati da PI Expert. Crea un partitore di tensione e trasmette la corrente al LED dell'accoppiatore ottico dal TL431.

R6 e R7 è un semplice partitore di tensione calcolato dalla formula TL431 REF tensione = (Vout x R7) / R6 + R7. La tensione di riferimento è 2.5V e la Vout è 12V. Selezionando il valore di R6 23,7k, l'R7 diventa 9,09k circa.

PCB di fabbricazione per circuito SMPS 12v 1A

Ora che abbiamo capito come funzionano gli schemi, possiamo procedere con la costruzione del PCB per il nostro SMPS. Poiché si tratta di un circuito SMPS, si consiglia un PCB in quanto potrebbe affrontare problemi di rumore e isolamento. Il layout PCB per il circuito sopra è anche disponibile per il download come Gerber dal link

• Scarica il file Gerber per il circuito SMPS da 15 W.

Ora che il nostro design è pronto, è tempo di fabbricarli utilizzando il file Gerber. Per completare il PCB è abbastanza semplice, segui semplicemente i passaggi seguenti

Passaggio 1: accedi a www.pcbgogo.com, registrati se è la prima volta. Quindi, nella scheda Prototipo PCB, inserisci le dimensioni del tuo PCB, il numero di strati e il numero di PCB richiesto. Supponendo che il PCB sia 80 cm × 80 cm è possibile impostare le dimensioni come mostrato di seguito.

Passaggio 2: procedi facendo clic sul pulsante Cita ora . Verrai indirizzato a una pagina in cui impostare alcuni parametri aggiuntivi, se necessario, come il materiale utilizzato per la spaziatura delle tracce, ecc. Ma per lo più i valori predefiniti funzioneranno bene. L'unica cosa che dobbiamo considerare qui è il prezzo e il tempo. Come puoi vedere, il tempo di costruzione è di soli 2-3 giorni e costa solo $ 5 per il nostro PSB. È quindi possibile selezionare un metodo di spedizione preferito in base alle proprie esigenze.

Passaggio 3: il passaggio finale è caricare il file Gerber e procedere con il pagamento. Per assicurarsi che il processo sia fluido, PCBGOGO verifica se il tuo file Gerber è valido prima di procedere con il pagamento. In questo modo puoi essere certo che il tuo PCB è facile da fabbricare e ti raggiungerà come impegnato.

Assemblaggio del PCB

Dopo che la scheda è stata ordinata, mi è arrivata dopo alcuni giorni anche se corriere in una scatola ben imballata ben etichettata e come sempre la qualità del PCB era eccezionale. Il PCB che sono stato ricevuto da me è mostrato di seguito

Ho acceso la mia barra di saldatura e ho iniziato a montare la scheda. Dato che Footprints, pad, vias e serigrafia sono perfettamente della giusta forma e dimensione, non ho avuto problemi a montare la tavola. Di seguito è mostrato il mio PCB fissato alla morsa di saldatura.

Approvvigionamento di componenti

Tutti i componenti per questo circuito SMPS 12v 15w vengono acquistati secondo lo schema. La distinta materiali dettagliata può essere trovata nel file excel sottostante per il download.

• Design SMPS da 15 W - Distinta materiali

Quasi tutti i componenti sono prontamente disponibili per essere utilizzati immediatamente. Potresti avere problemi a trovare il trasformatore giusto per questo progetto. Normalmente per un trasformatore flyback a commutazione di circuito SMPS non è disponibile direttamente dai fornitori, nella maggior parte dei casi è necessario avvolgere il proprio trasformatore se si richiedono risultati efficienti. Tuttavia va bene anche usare un trasformatore flyback simile e il circuito funzionerà comunque. Le specifiche ideali per il nostro trasformatore saranno fornite dal software PI Expert che abbiamo utilizzato in precedenza.

Di seguito è riportato lo schema meccanico ed elettrico del trasformatore ottenuto da PI Expert.

Se non riesci a trovare il venditore giusto, puoi recuperare un trasformatore da un adattatore da 12V o altri circuiti SMPS. In alternativa puoi anche costruire il tuo trasformatore utilizzando i seguenti materiali e istruzioni per l'avvolgimento.

Una volta che tutti i componenti sono stati procurati, assemblarli dovrebbe essere facile. È possibile utilizzare il file Gerber e la distinta materiali come riferimento e assemblare la scheda PCB. Una volta fatto, il mio lato anteriore e posteriore del PCB assomiglia a questo sotto

Testare il nostro circuito SMPS da 15 W.

Ora che il nostro circuito è pronto, è ora di provarlo. Collegheremo la scheda alla nostra rete CA tramite un VARIAC e caricheremo il lato di uscita con una macchina di carico e misureremo la tensione di ripple per verificare le prestazioni del nostro circuito. Il video completo della procedura di test può essere trovato anche alla fine di questa pagina. L'immagine sotto mostra il circuito testato con una tensione di ingresso AC di 230V AC per la quale otteniamo un'uscita di 12.08V

Misurazione della tensione di ondulazione utilizzando l'oscilloscopio

Per misurare la tensione di ondulazione con l'oscilloscopio, modificare l'ingresso dell'oscilloscopio in AC con un guadagno di 1x. Quindi collegare un condensatore elettrolitico di basso valore e un condensatore ceramico di basso valore per rilevare le riduzioni di rumore dovute ai cablaggi. È possibile fare riferimento alla pagina 40 di questo documento RDR-295 da Power Integration per ulteriori informazioni su questa procedura.

L'istantanea seguente è stata scattata a vuoto sia su 85 V CA che su 230 V CA. La scala è impostata su 10mV per divisione e come puoi vedere l'ondulazione è quasi 10mV pk-pk.

A 90 V CA in ingresso e a pieno carico, il ripple può essere visto a circa 20 mV picco-picco

A 230 V CA ea pieno carico la tensione di ondulazione viene misurata a circa 30 mV pk-pk, che è lo scenario peggiore

Questo è tutto; è così che puoi progettare il tuo circuito SMPS 12v. Una volta compreso il funzionamento, è possibile modificare lo schema del circuito SMPS 12v per adattarlo ai requisiti di tensione e alimentazione. Spero che tu abbia capito il tutorial e ti sia piaciuto imparare qualcosa di utile. Se hai domande, lasciale nella sezione commenti o usa i nostri forum per discussioni tecniche. Ti incontrerò di nuovo con un altro interessante progetto SMPS, fino ad allora firmando….