Disseny de circuit de subministrament d’alimentació de 12V 1a smps a PCB

Tots els dispositius o productes electrònics necessiten una font d'alimentació (PSU) fiable per funcionar-lo. Gairebé tots els dispositius de casa nostra, com ara TV, impressora, reproductor de música, etc., consten d’una font d’alimentació incorporada que converteix la tensió de corrent altern a un nivell adequat de voltatge continu perquè funcionin. El tipus de circuit d’alimentació més utilitzat és el SMPS (Switching Mode Power Supply); podeu trobar fàcilment aquest tipus de circuits al vostre adaptador de 12V o al carregador mòbil / portàtil. En aquest tutorial aprendrem com construir un circuit SMPS de 12vque convertiria l’alimentació de corrent altern a 12 V CC amb una intensitat màxima nominal d’1,25 A. Aquest circuit es pot utilitzar per alimentar petites càrregues o fins i tot adaptar-lo a un carregador per carregar bateries de plom-àcid i de liti. Si aquest circuit de subministrament d’alimentació de 12v i 15watt no coincideix amb el vostre requisit, podeu comprovar diversos circuits de subministrament d’alimentació amb diferents qualificacions.

Circuit SMV de 12v: consideracions de disseny

Abans de procedir amb qualsevol tipus de disseny de subministrament elèctric, l’anàlisi de requisits s’ha de fer en funció de l’entorn en què s’utilitzarà el nostre subministrament elèctric. Diferents tipus de subministrament d’energia funcionen en entorns diferents i amb límits específics d’entrada-sortida.

Especificació d'entrada

Comencem per l'entrada. El voltatge d’alimentació d’entrada és el primer que utilitzarà l’SMPS i es transformarà en un valor útil per alimentar la càrrega. Com que aquest disseny s’especifica per a la conversió CA-CC, l’entrada serà de corrent altern (CA). Per a l’Índia, l’entrada de corrent altern està disponible en 220-230 volts, per als EUA és de 110 volts. També hi ha altres països que utilitzen nivells de voltatge diferents. Generalment, SMPS funciona amb voltatge d’entrada universalabast. Això significa que la tensió d'entrada pot diferir de la tensió de 85 V a 265 V de corrent altern. Els SMPS es poden utilitzar a qualsevol país i poden proporcionar una sortida estable de plena càrrega si el voltatge està entre 85-265V CA. El SMPS també hauria de funcionar normalment amb freqüències de 50Hz i 60Hz. Aquesta és la raó per la qual podem utilitzar els carregadors de telèfons i portàtils a qualsevol país.

Especificació de sortida

Pel que fa a la sortida, poques càrregues són resistives, poques són inductives. Depenent de la càrrega, la construcció d'un SMPS pot ser diferent. Per a aquest SMPS, la càrrega s'assumeix com una càrrega resistiva. No obstant això, no hi ha res com una càrrega resistiva, cada càrrega consisteix en almenys una certa quantitat d’inductància i capacitat; aquí se suposa que la inductància i la capacitat de la càrrega són insignificants.

L'especificació de sortida d'un SMPS és molt fiable en funció de la càrrega, com la quantitat de voltatge i corrent que requerirà la càrrega en totes les condicions de funcionament. Per a aquest projecte, el SMPS podria proporcionar una sortida de 15W. És de 12V i 1,25A. La ondulació de sortida objectiu es selecciona com a menys de 30 mV pk-pk a una amplada de banda de 20.000 Hz.

En funció de la càrrega de sortida, també hem de decidir entre el disseny d’un SMPS de tensió constant o un SMPS de corrent constant. La tensió constant significa que la tensió a través de la càrrega serà constant i que el corrent es modificarà en conseqüència amb els canvis de resistència a la càrrega. D'altra banda, el mode de corrent constant permetrà que el corrent sigui constant, però canviarà la tensió en conseqüència amb els canvis de resistència de càrrega. A més, tant el CV com el CC poden estar disponibles en un SMPS, però no poden funcionar en un sol temps. Quan les dues opcions existeixen en un SMPS, ha d'haver-hi un interval en què l'SMPS canviarà la seva operació de sortida de CV a CC i viceversa. Normalment, els carregadors CC i CV s’utilitzen per carregar bateries de plom àcid o de liti.

Funcions de protecció d'entrada i sortida

Hi ha diversos circuits de protecció que es poden utilitzar al SMPS per a operacions més segures i fiables. El circuit de protecció protegeix el SMPS i la càrrega connectada. Depenent de la ubicació, el circuit de protecció es pot connectar a través de l'entrada o de la sortida. La protecció d’entrada més comuna és la protecció contra sobretensions i els filtres EMI. La protecció contra sobretensions protegeix l’SMPS de sobretensions d’entrada o sobretensió de corrent altern. El filtre EMI protegeix els SMPS de la generació d’EMI a través de la línia d’entrada. En aquest projecte, les dues funcions estaran disponibles. La protecció de sortida inclou protecció contra curtcircuits, protecció contra sobretensió i protecció contra sobrecorrent. Aquest disseny SMPS també inclourà tots aquests circuits de protecció.

Selecció del CI de gestió d'energia

Tots els circuits SMPS requereixen un IC de gestió d’energia també conegut com IC de commutació o IC SMPS o IC més sec. Resumim les consideracions de disseny per seleccionar l'IC de gestió d'energia ideal que sigui adequat per al nostre disseny. Els nostres requisits de disseny són

1. Sortida de 15W. 12V 1,25A amb una ondulació pk-pk inferior a 30 mV a plena càrrega.
2. Classificació d’entrada universal.
3. Protecció contra sobretensions d’entrada.
4. Protecció contra curtcircuit de sortida, sobretensió i sobrecorrent.
5. Operacions de tensió constant.

Dels requisits anteriors hi ha una àmplia gamma de CI per triar, però per a aquest projecte hem seleccionat la integració de potència. La integració de potència és una empresa de semiconductors que té una àmplia gamma de circuits integrats de controladors de potència en diversos rangs de potència. Basant-nos en els requisits i la disponibilitat, hem decidit utilitzar el TNY268PN de petites famílies switch II.

A la imatge anterior es mostra la potència màxima de 15W. No obstant això, farem el SMPS en el marc obert i per a la classificació d’entrada universal. En aquest segment, el TNY268PN podria proporcionar sortida de 15W. Vegem el diagrama de pins.

Dissenyant el circuit SMPS de 12v 1Amp

La millor manera de construir el circuit és fer servir el programari expert PI de Power integration. És un excel·lent programari de disseny de fonts d'alimentació. El circuit es construeix mitjançant IC d’integració de potència. A continuació s’explica el procediment de disseny; també podeu desplaçar-vos cap avall per veure el vídeo que explica el mateix.

Pas -1: seleccioneu l' interruptor Tiny II i també seleccioneu el paquet desitjat. Hem seleccionat el paquet DIP. Seleccioneu el tipus de recinte, adaptador o marc obert. Aquí se selecciona Obre marc.

A continuació, seleccioneu el tipus de comentaris. És essencial ja que s’utilitza la topologia Flyback. TL431 és una opció excel·lent per obtenir comentaris. TL431 és un regulador de derivació i proporciona una excel·lent protecció contra sobretensió i una tensió de sortida precisa.

Pas 2: seleccioneu l'interval de tensió d'entrada. Com que serà un SMPS d'entrada universal, el voltatge d'entrada es selecciona com a 85-265V CA. La freqüència de línia és de 50 Hz.

Pas 3:

Seleccioneu la tensió de sortida, el corrent i la potència. La qualificació SMPS serà de 12V 1.25A. La potència és de 15W. El mode de funcionament també es selecciona com a CV, significa mode de funcionament de tensió constant. Finalment, tot es fa en tres senzills passos i es genera l'esquema.

Diagrama i explicació del circuit SMPS de 12V

El circuit següent es modifica lleugerament per adaptar-se al nostre projecte.

Abans d’entrar directament a construir la part prototip, explorem el diagrama del circuit SMPS de 12v i el seu funcionament. El circuit té les seccions següents

1. Protecció contra falles d'SMPS i d'entrada
2. Conversió AC-DC
3. Filtre PI
4. Circuit de controladors o circuit de commutació
5. Protecció contra bloqueig de baixa tensió.
6. Circuit de pinça
7. Magnètica i aïllament galvànic
8. Filtre EMI
9. Circuit secundari de rectificador i canalla
10. Secció de filtres
11. Secció de comentaris.

Protecció contra falles d'SMPS i d'entrada

Aquesta secció consta de dos components, F1 i RV1. F1 és un fusible de bufat lent de 1A 250VAC i RV1 és un MOV (Varistor d’òxid de metall) de 27 mm de 7 mm. Durant una pujada d’alta tensió (més de 275VAC), el MOV es va quedar curt i fa saltar el fusible d’entrada. No obstant això, a causa de la característica de cop lent, el fusible resisteix el corrent d'entrada a través del SMPS.

Conversió AC-DC

Aquesta secció es regeix pel pont de díodes. Aquests quatre díodes (dins de DB107) fan un rectificador de pont complet. Els díodes són 1N4006, però l'estàndard 1N4007 pot fer la feina perfectament. En aquest projecte, aquests quatre díodes se substitueixen per un rectificador de pont complet DB107.

Filtre PI

Els diferents estats tenen un estàndard de rebuig EMI diferent. Aquest disseny confirma l' estàndard EN61000-Class 3 i el filtre PI està dissenyat de manera que redueixi el rebuig EMI en mode comú. Aquesta secció es crea amb C1, C2 i L1. C1 i C2 són condensadors de 400V 18uF. És un valor estrany, de manera que se selecciona 22uF 400V per a aquesta aplicació. El L1 és un estrangulador de mode comú que pren senyal EMI diferencial per cancel·lar-los tots dos.

Circuit de controlador o circuit de commutació

És el cor d’un SMPS. El costat principal del transformador està controlat pel circuit de commutació TNY268PN. La freqüència de commutació és de 120-132khz. A causa d'aquesta elevada freqüència de commutació, es poden utilitzar transformadors més petits. El circuit de commutació té dos components, U1 i C3. U1 és el principal controlador IC TNY268PN. El C3 és el condensador de derivació necessari per al funcionament del nostre controlador IC.

Protecció contra bloqueig de baixa tensió

La protecció contra bloqueig de baixa tensió es realitza mitjançant la resistència de detecció R1 i R2. S’utilitza quan l’SMPS passa al mode de reinici automàtic i detecta la tensió de la línia.

Circuit de pinça

D1 i D2 són el circuit de pinça. D1 és el díode TVS i D2 és un díode de recuperació ultraràpid. El transformador actua com un gran inductor a través del controlador de potència IC TNY268PN. Per tant, durant el cicle d’apagada, el transformador crea pics d’ alta tensió a causa de la inductància de fuites del transformador. Aquests pics de tensió d'alta freqüència són suprimits per la pinça del díode a través del transformador. UF4007 es selecciona a causa de la recuperació ultra ràpida i P6KE200A es selecciona per a l'operació TVS.

Magnètica i aïllament galvànic

El transformador és un transformador ferromagnètic i no només converteix la CA d’alta tensió en una CA de baixa tensió, sinó que també proporciona un aïllament galvànic.

Filtre EMI

El filtratge EMI es realitza mitjançant el condensador C4. Augmenta la immunitat del circuit per reduir l’alta interferència EMI.

Circuit secundari de rectificador i snubber

La sortida del transformador es rectifica i es converteix a CC mitjançant D6, un díode rectificador Schottky. El circuit de barres a través del D6 proporciona supressió de la tensió transitòria durant les operacions de commutació. El circuit snubber consisteix en una resistència i un condensador, R3 i C5.

Secció de filtres

La secció de filtre consisteix en un condensador de filtre C6. És un condensador de baixa ESR per a un millor rebuig de les ondulacions. A més, un filtre LC que utilitza L2 i C7 proporciona un millor rebuig a la sortida.

Secció de comentaris

El voltatge de sortida és detectat per l’U3 TL431 i R6 i R7. Després de detectar la línia, U2, es controla l’ optocoplador i aïlla galvànicament la part de detecció de retroalimentació secundària amb el controlador lateral primari. L'optocoplador té un transistor i un LED a l'interior. Controlant el LED es controla el transistor. Com que la comunicació es realitza de forma òptica, no té cap connexió elèctrica directa, de manera que també satisfà l’aïllament galvànic del circuit de retroalimentació.

Ara, com que el LED controla directament el transistor, proporcionant una polarització suficient a través del LED d’optocoplador, es pot controlar el transistor d’optocoplador, més concretament el circuit del controlador. Aquest sistema de control l’utilitza el TL431. Com que el regulador de derivació té un divisor de resistències a través del seu pin de referència, pot controlar el led d’optocoplador que hi ha connectat. El pin de retroalimentació té una tensió de referència de 2,5V. Per tant, el TL431 només pot estar actiu si el voltatge del divisor és suficient. En el nostre cas, el divisor de tensió es va fixar en un valor de 12V. Per tant, quan la sortida arriba a 12V, el TL431 obté 2,5V a través del pin de referència i, per tant, activa el LED de l’optocoplador que controla el transistor de l’optocoplador i controla indirectament el TNY268PN. Si el voltatge no és suficient a la sortida, el cicle de commutació es suspèn immediatament.

En primer lloc, el TNY268PN activa el primer cicle de commutació i després detecta que és el pin EN. Si tot està bé, continuarà el canvi, si no, provarà de nou després de vegades. Aquest bucle es continua fins que tot esdevé normal, evitant així problemes de sobrecorrent o curtcircuit. És per això que s’anomena topologia flyback, ja que el voltatge de sortida es torna al controlador per detectar operacions relacionades. A més, el bucle provador s’anomena mode de funcionament de singlot en la condició d’error.

El D3 és un díode de barrera de Schottky. Aquest díode converteix la sortida de CA d'alta freqüència en una CC. El díode Schottky 3A 60V està seleccionat per a un funcionament fiable. R4 i R5 són seleccionats i calculats per PI Expert. Crea un divisor de tensió i transmet el corrent al LED de l’optocoplador del TL431.

R6 i R7 és un simple divisor de voltatge calculat per la fórmula TL431 REF tensió = (Vout x R7) / R6 + R7. El voltatge de referència és de 2,5 V i el Vout és de 12 V. En seleccionar el valor de R6 23,7 k, el R7 passà a 9,09 k aproximadament.

Fabricació de PCB per a circuit SMPS de 12v 1A

Ara que entenem com funcionen els esquemes, podem procedir a la construcció del PCB per al nostre SMPS. Com que es tracta d’un circuit SMPS, es recomana una PCB ja que podria fer front a problemes d’aïllament i soroll. El disseny de PCB del circuit anterior també està disponible per descarregar-lo com a Gerber des de l'enllaç

• Descarregueu el fitxer Gerber per al circuit SMPS de 15W

Ara, quan el nostre disseny està llest, és hora de fabricar-los mitjançant el fitxer Gerber. Per fer el PCB de manera senzilla, seguiu els passos següents

Pas 1: accediu a www.pcbgogo.com, inscriviu-vos si és la primera vegada. A continuació, a la pestanya Prototip de PCB introduïu les dimensions del PCB, el nombre de capes i el nombre de PCB que necessiteu. Suposant que el PCB fa 80 cm × 80 cm, podeu establir les dimensions tal com es mostra a continuació.

Pas 2: continueu fent clic al botó Cita ara . Se us dirigirà a una pàgina on definiu uns quants paràmetres addicionals si cal, com ara el material utilitzat espaiat entre pistes, etc. Però la majoria dels valors per defecte funcionaran bé. L’únic que hem de tenir en compte aquí és el preu i el temps. Com podeu veure, el temps de construcció és de només 2-3 dies i només costa 5 dòlars per al nostre PSB. A continuació, podeu seleccionar un mètode d’enviament preferit en funció del vostre requisit.

Pas 3: l'últim pas és carregar el fitxer Gerber i procedir al pagament. Per assegurar-se que el procés sigui fluït, PCBGOGO verifica si el fitxer Gerber és vàlid abans de procedir al pagament. D'aquesta manera, podeu assegurar-vos que el vostre PCB sigui amigable amb la fabricació i us arribi com a compromès.

Muntatge del PCB

Després d’ordenar el tauler, em va arribar després d’uns dies, tot i que el missatger en una caixa ben empaquetada i ben etiquetada i com sempre, la qualitat del PCB era impressionant. A continuació es mostra el PCB que he rebut

Vaig engegar la barra de soldar i vaig començar a muntar el tauler. Com que les petjades, els coixinets, les vies i la serigrafia són perfectament de la forma i mida adequades, no vaig tenir cap problema en muntar el tauler. A continuació es mostra el meu PCB fixat al mànec de soldadura.

Adquisició de components

Tots els components d’aquest circuit SMPS de 12v i 15w s’adquireixen segons l’esquema. El detall de la llista de material es pot trobar al fitxer excel següent per descarregar.

• Disseny SMPS de 15 W: llista de materials

Gairebé tots els components estan disponibles per ser utilitzats fora del prestatge. És possible que tingueu problemes per trobar el transformador adequat per a aquest projecte. Normalment, per a un circuit SMPS, el transformador flyback de commutació no està disponible directament als proveïdors, en la majoria dels casos haureu de bobinar el vostre propi transformador si necessiteu resultats eficients. Tot i així, també està bé utilitzar un transformador flyback similar i el vostre circuit continuarà funcionant. El programari PI Expert que hem utilitzat anteriorment proporcionarà l'especificació ideal per al nostre transformador.

A continuació es mostra el diagrama mecànic i elèctric del transformador obtingut de PI Expert.

Si no podeu trobar el proveïdor adequat, podeu recuperar un transformador d'un adaptador de 12V o d'altres circuits SMPS. Alternativament, també podeu construir la vostra pròpia compra de transformadors amb els següents materials i instruccions de bobinatge.

Un cop adquirits tots els components, el muntatge hauria de ser fàcil. Podeu utilitzar el fitxer Gerber i la llista de materials per fer referència i muntar la placa PCB. Un cop fet, la meva cara frontal i la cara posterior del PCB es veuen com a sota

Provant el nostre circuit SMPS de 15W

Ara que el nostre circuit està a punt, és hora de fer-lo una volta. Connectarem la placa a la xarxa elèctrica de corrent altern mitjançant un VARIAC i carregarem el costat de sortida amb una màquina de càrrega i mesurarem el voltatge d’ondulació per comprovar el rendiment del nostre circuit. El vídeo complet del procediment de prova també es pot trobar al final d’aquesta pàgina. La imatge següent mostra el circuit provat amb una tensió CA d’entrada de 230 V CA per la qual obtenim una sortida de 12,08 V

Mesurament del voltatge de l’ondulació mitjançant oscil·loscopi

Per mesurar la tensió de l'ondulació amb l'oscil·loscopi, canvieu l'entrada de l'abast a CA amb un guany d'1x. A continuació, connecteu un condensador electrolític de baix valor i un condensador ceràmic de baix valor per captar reduccions de soroll a causa dels cables. Podeu consultar la pàgina 40 d’aquest document RDR-295 de Power Integration per obtenir més informació sobre aquest procediment.

La instantània següent es va fer en estat sense càrrega tant a 85VAC com a 230VAC. L'escala s'estableix en 10 mV per divisió i, com podeu veure, l'ondulació és de gairebé 10 mV pk-pk.

Amb una entrada de 90 VCA i amb una càrrega completa, l’ondulació es pot veure a uns 20 mV pk-pk

En 230VAC i en plena càrrega, el voltatge de l’ondulació es mesura a uns 30mV pk-pk, que és el pitjor dels casos

Això és; així és com podeu dissenyar el vostre propi circuit SMPS de 12v. Un cop hàgiu entès el funcionament, podeu modificar el diagrama del circuit SMPS de 12v perquè s’adapti als vostres requisits de tensió i potència. Espero que hàgiu entès el tutorial i us hagi agradat aprendre alguna cosa útil. Si teniu alguna pregunta, deixeu-los a la secció de comentaris o utilitzeu els nostres fòrums per a debats tècnics. Ens tornarem a trobar amb un altre interessant disseny SMPS, fins aleshores tancant la sessió…