Návrh obvodu napájacieho zdroja SMPS 12V 1A: 4 kroky

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:57

Čau ľudia!

Každé elektronické zariadenie alebo výrobok vyžaduje na svoju prevádzku spoľahlivú napájaciu jednotku (PSU). Takmer všetky zariadenia v našej domácnosti, ako napríklad televízor, tlačiareň, prehrávač hudby atď., Sa skladajú z integrovaného napájacieho zdroja, ktorý prevádza sieťové napätie striedavého prúdu na vhodnú úroveň jednosmerného napätia. Najbežnejšie používaným typom napájacieho obvodu je SMPS (napájací zdroj s prepínaním), tento typ obvodov môžete ľahko nájsť vo svojom 12 V adaptéri alebo mobilnej/prenosnej nabíjačke. V tomto tutoriále sa naučíme, ako vytvoriť 12 V obvod SMPS, ktorý by konvertoval sieťové napájanie na 12 V DC s maximálnym prúdom 1,25 A. Tento obvod je možné použiť na napájanie malých spotrebičov alebo ho dokonca prispôsobiť v nabíjačke na nabíjanie olovených a lítiových batérií. Ak tento 12v 15wattový napájací obvod nespĺňa vaše požiadavky, môžete skontrolovať rôzne napájacie obvody s rôznymi menovitými hodnotami.

Krok 1: 12V obvod SMPS - úvahy o návrhu

Predtým, ako pristúpime k návrhu akéhokoľvek druhu napájacieho zdroja, je potrebné vykonať analýzu požiadaviek na základe prostredia, v ktorom sa bude náš napájací zdroj používať. Rôzne druhy napájania pracujú v rôznych prostrediach a so špecifickými hranicami vstupu a výstupu.

Špecifikácia vstupu:

Začnime vstupom. Vstupné napájacie napätie je prvá vec, ktorú SMPS použije a bude transformovaná na užitočnú hodnotu na napájanie záťaže. Pretože je tento dizajn určený pre konverziu AC-DC, vstup bude striedavý prúd (AC). V Indii je vstup AC k dispozícii v napätí 220-230 voltov, v USA je dimenzovaný na 110 voltov. Existujú aj iné národy, ktoré používajú rôzne úrovne napätia. SMPS spravidla pracuje s univerzálnym rozsahom vstupného napätia. To znamená, že vstupné napätie sa môže líšiť od 85 V AC do 265 V AC. SMPS je možné použiť v akejkoľvek krajine a môže poskytovať stabilný výkon pri plnom zaťažení, ak je napätie medzi 85-265V AC. SMPS by tiež mal normálne fungovať pod frekvenciou 50 Hz a 60 Hz. To je dôvod, prečo sme schopní používať naše nabíjačky telefónov a prenosných počítačov v akejkoľvek krajine.

Špecifikácia výstupu:

Na výstupnej strane je málo záťaží odporových, málo indukčných. V závislosti od zaťaženia môže byť konštrukcia SMPS odlišná. Pre tento SMPS sa zaťaženie považuje za odporovú záťaž. Neexistuje však nič ako odporová záťaž, každé zaťaženie pozostáva z aspoň nejakého množstva indukčnosti a kapacity; tu sa predpokladá, že indukčnosť a kapacita záťaže sú zanedbateľné.

Špecifikácia výstupu SMPS je veľmi závislá od zaťaženia, napríklad od toho, koľko napätia a prúdu bude zaťaženie vyžadovať za všetkých prevádzkových podmienok. Pre tento projekt by SMPS mohol poskytnúť 15W výkon. Má napätie 12 V a 1,25 A. Cielené zvlnenie výstupu je zvolené tak, aby bolo menšie ako 30 mV pk-pk pri šírke pásma 20 000 Hz.

Krok 2: Výber IC správy napájania

Každý obvod SMPS vyžaduje integrovaný obvod správy napájania, známy tiež ako spínací IC alebo SMPS IC alebo sušič IC. Zhrňme úvahy o dizajne a vyberte ideálny IC riadenia napájania, ktorý bude vhodný pre náš návrh. Naše požiadavky na dizajn sú:

1. Výkon 15 W. 12V 1,25A s vlnením menej ako 30 mV pk-pk pri plnom zaťažení.
2. Univerzálne vstupné hodnotenie.
3. Vstupná prepäťová ochrana.
4. Ochrana proti skratu, prepätiu a nadprúdu.
5. Operácie s konštantným napätím.

Z vyššie uvedených požiadaviek je na výber široká škála integrovaných obvodov, ale pre tento projekt sme vybrali integráciu napájania. Power integration je polovodičová spoločnosť, ktorá má široký sortiment integrovaných obvodov napájania v rôznych výkonových rozsahoch. Na základe požiadaviek a dostupnosti sme sa rozhodli použiť TNY268PN z malých rodín prepínačov II.

Na obrázku vyššie je znázornený maximálny výkon 15 W. SMPS však urobíme v otvorenom rámci a pre univerzálne hodnotenie vstupov. V takom segmente by TNY268PN mohol poskytovať výkon 15 W. Pozrime sa na pinový diagram.

Krok 3: Schéma a vysvetlenie obvodu 12V SMPS

Predtým, ako sa pustíme do stavby prototypu, preskúmajme schému zapojenia 12 V SMPS a jej fungovanie. Obvod má nasledujúce sekcie:

1. Vstupná ochrana proti prepätiu a poruche SMPS
2. Konverzia AC-DC
3. PI filter
4. Obvod vodiča alebo spínací obvod
5. Ochrana proti podpätiu pod napätím.
6. Obvod svorky
7. Magnetické a galvanické oddelenie
8. EMI filter
9. Sekundárny usmerňovač a tlmiaci obvod
10. Sekcia filtra

Vstupná ochrana proti prepätiu a poruche SMPS

Táto časť sa skladá z dvoch komponentov, F1 a RV1. F1 je pomalá poistka 1A 250VAC a RV1 je 7mm 275V MOV (varistor na báze oxidu kovu). Počas prepätia vysokého napätia (viac ako 275 VAC) sa menič MOV skratoval a vyhodil vstupnú poistku. Avšak vďaka funkcii pomalého úderu poistka odoláva nárazovému prúdu cez SMPS.

Konverzia AC-DC

Táto časť je riadená diódovým mostíkom. Tieto štyri diódy (vo vnútri DB107) tvoria plný mostový usmerňovač. Diódy sú 1N4006, ale štandardný 1N4007 dokáže túto prácu zvládnuť perfektne. V tomto projekte sú tieto štyri diódy nahradené úplným mostíkovým usmerňovačom DB107.

PI filter

Rôzne štáty majú rôzne štandardy odmietnutia EMI. Táto konštrukcia potvrdzuje normu EN61000-trieda 3 a PI filter je navrhnutý tak, aby obmedzoval odmietanie EMI v bežnom režime. Táto sekcia je vytvorená pomocou C1, C2 a L1. C1 a C2 sú kondenzátory 400V 18uF. Je to nepárna hodnota, takže pre túto aplikáciu je zvolené 22uF 400V. L1 je tlmivka v bežnom režime, ktorá vyžaduje diferenciálny signál EMI na zrušenie oboch.

Obvod vodiča alebo spínací obvod

Je srdcom SMPS. Primárna strana transformátora je riadená spínacím obvodom TNY268PN. Spínacia frekvencia je 120-132 kHz. Vďaka tejto vysokej frekvencii spínania je možné použiť menšie transformátory. Spínací obvod má dve zložky, U1 a C3. U1 je hlavným ovládačom IC TNY268PN. C3 je obtokový kondenzátor, ktorý je potrebný na prácu nášho integrovaného obvodu vodiča.

Ochrana proti podpätiu pod napätím

Ochranu blokovania podpätia vykonáva snímací odpor R1 a R2. Používa sa, keď SMPS prejde do režimu automatického reštartu a vníma sieťové napätie.

Obvod svorky

D1 a D2 sú svorkový obvod. D1 je dióda TVS a D2 je dióda s veľmi rýchlou obnovou. Transformátor funguje ako obrovský induktor v budiči IC TNY268PN. Preto počas cyklu vypínania transformátor vytvára špičky vysokého napätia v dôsledku zvodovej indukčnosti transformátora. Tieto vysokofrekvenčné napäťové špičky sú potlačené diódovou svorkou cez transformátor. UF4007 je vybraný kvôli ultra rýchlej obnove a P6KE200A je vybraný pre prevádzku TVS.

Magnetické a galvanické oddelenie

Transformátor je feromagnetický transformátor a prevádza nielen vysokonapäťové striedavé napätie na striedavé napätie nízkeho napätia, ale tiež zaisťuje galvanické oddelenie.

EMI filter

EMI filtrovanie sa vykonáva kondenzátorom C4. Zvyšuje imunitu obvodu, aby sa znížilo vysoké rušenie EMI.

Sekundárny usmerňovač a tlmiaci obvod

Výstup z transformátora je usmernený a konvertovaný na DC pomocou D6, usmerňovacej diódy Schottky. Odpojovací obvod cez D6 poskytuje potlačenie prechodového napätia počas spínacích operácií. Odpojovací obvod sa skladá z jedného odporu a jedného kondenzátora R3 a C5.

Sekcia filtra

Filtračná časť sa skladá z filtračného kondenzátora C6. Je to kondenzátor s nízkym ESR pre lepšie odmietnutie zvlnenia. LC filter používajúci L2 a C7 tiež poskytuje lepšie odmietnutie zvlnenia na výstupe.

Krok 4: Výroba DPS

Schému DPS môžete nakresliť pomocou ľubovoľného softvéru podľa vlastného uváženia a odoslať ju výrobcovi DPS podľa vlastného výberu. Gerbera mám pripraveného, môžem sa oň podeliť.

Odporučil by som LIONCIRCUITS, pretože majú nízkonákladovú výrobnú službu pre prototypy, čo je skutočne dobré pre ľudí, ako sme my, majitelia domácich potrieb. Majú automatizovanú online platformu, kde môžete nahrávať svoje súbory Gerber a zadávať online objednávky. Doprava po celej Indii je bezplatná.