12 V 1a SMPS-virtalähteen piiri piirilevylle

Jokainen elektroninen laite tai tuote vaatii luotettavan virtalähteen (PSU) sen käyttämiseksi. Lähes kaikki kodissamme olevat laitteet, kuten televisio, tulostin, musiikkisoitin jne., Koostuvat siihen sisäänrakennetusta virtalähteestä, joka muuntaa verkkovirran sopivaksi tasajännitteeksi niiden toimiakseen. Yleisimmin käytetty virtalähdepiirityyppi on SMPS (Switching Mode Power Supply). Löydät tämäntyyppiset piirit helposti 12 V: n sovittimesta tai kannettavasta / kannettavasta laturista. Tässä opetusohjelmassa opit rakentamaan 12v SMPS-piirinjoka muuntaa verkkovirran 12 V DC: ksi maksimivirralla 1,25 A. Tätä virtapiiriä voidaan käyttää pienien kuormitusten virittämiseen tai jopa sovittaa laturiksi lyijyhappo- ja litiumakkujen lataamiseksi. Jos tämä 12 voltin 15 watin virtalähde ei vastaa vaatimustasi, voit tarkistaa erilaiset virtalähteet eri nimellisarvoilla.

12v SMPS-piiri - suunnittelunäkökohdat

Ennen minkäänlaista virtalähteen suunnittelua on tehtävä vaatimusanalyysi, joka perustuu ympäristöön, jossa virtalähdettä käytetään. Erilaiset virtalähteet toimivat erilaisissa ympäristöissä ja tietyillä panos-lähtö-rajoilla.

Syötteen määrittely

Aloitetaan syötteestä. Syöttöjännite on ensimmäinen asia, jota SMPS käyttää, ja se muutetaan hyödylliseksi arvoksi kuorman syöttämiseksi. Koska tämä malli on määritelty AC-DC-muunnokselle, tulo on vaihtovirta (AC). Intiassa AC-tulo on saatavana 220-230 voltilla, Yhdysvalloissa se on 110 volttia. On myös muita maita, jotka käyttävät eri jännitetasoja. Yleensä SMPS toimii yleisen tulojännitteen kanssaalue. Tämä tarkoittaa, että tulojännite voi vaihdella 85 V: n ja 265 V: n välillä. SMPS: ää voidaan käyttää missä tahansa maassa, ja se voi tuottaa vakaan täyden kuormituksen, jos jännite on 85-265 V AC. SMPS: n tulisi myös toimia normaalisti myös 50 Hz: n ja 60 Hz: n taajuuksilla. Tästä syystä voimme käyttää puhelin- ja kannettavien latureitamme missä tahansa maassa.

Tuotosmäärittely

Lähtöpuolella harvat kuormat ovat resistiivisiä, harvat ovat induktiivisia. Kuormituksesta riippuen SMPS: n rakenne voi olla erilainen. Tätä SMPS: ää varten kuorma oletetaan resistiivisenä kuormana. Mikään ei kuitenkaan ole resistiivisen kuorman kaltaista, kukin kuorma koostuu ainakin jonkin verran induktanssista ja kapasitanssista; tässä oletetaan, että kuorman induktanssi ja kapasitanssi ovat merkityksettömiä.

SMPS: n lähtömäärittely on erittäin luotettava kuormitukseen, kuten kuinka paljon jännitettä ja virtaa kuormitus vaatii kaikissa käyttöolosuhteissa. Tätä projektia varten SMPS voisi tuottaa 15 W: n lähdön. Se on 12 V ja 1,25 A. Kohdennettu ulostulon aaltoilu valitaan vähemmän kuin 30 mV pk-pk 20000 Hz: n kaistanleveydellä.

Lähtökuorman perusteella meidän on myös päätettävä vakiojännitteen SMPS: n tai vakiovirran SMPS: n suunnittelusta. Vakiojännite tarkoittaa, että kuorman jännite on vakio ja virta muuttuu vastaavasti kuormitusresistanssin muutosten mukaan. Toisaalta vakiovirtatila antaa virran olla vakio, mutta muuttaa jännitettä vastaavasti kuormitusresistanssin muutosten kanssa. Sekä CV että CC voivat olla saatavilla SMPS: ssä, mutta ne eivät voi toimia yhdellä kertaa. Kun molemmat vaihtoehdot ovat olemassa SMPS: ssä, on oltava alue, jolloin SMPS muuttaa lähtötoimintonsa CV: stä CC: ksi ja päinvastoin. Normaalisti CC- ja CV-tilalatureita käytetään lyijyakkujen tai litiumparistojen lataamiseen.

Tulo- ja lähtösuojaominaisuudet

SMPS: ssä voidaan käyttää useita suojapiirejä turvallisempaan ja luotettavampaan toimintaan. Suojapiiri suojaa SMPS: ää ja liitettyä kuormaa. Suojapiiri voidaan kytkeä sijainnista riippuen tulon tai lähdön yli. Yleisin tulosuojaus on ylijännitesuoja ja EMI-suodattimet. Ylijännitesuoja suojaa SMPS: ää tulojännitteiltä tai AC-ylijännitteeltä. EMI-suodatin suojaa SMPS: ää EMI: n muodostumiselta koko tulolinjalla. Tässä projektissa molemmat ominaisuudet ovat käytettävissä. Lähdön suojaus sisältää oikosulkusuojauksen, ylijännitesuojauksen ja ylivirtasuojauksen. Tämä SMPS-muotoilu sisältää myös kaikki nämä suojapiirit.

Virranhallintapiirin valinta

Jokainen SMPS-piiri vaatii virranhallinta-IC: n, joka tunnetaan myös nimellä kytkentä-IC tai SMPS-IC tai kuivaus-IC. Yhteenvetona suunnittelunäkökohdista valitaan ihanteellinen virranhallinta-IC, joka sopii suunnitteluun. Suunnitteluvaatimuksemme ovat

15 W: n teho. 12 V 1,25 A, alle 30 mV pk-pk-aaltoilu täydellä kuormalla.
Yleinen tuloluokitus.
Syötä ylijännitesuoja.
Lähtö oikosulku, ylijännite ja ylivirtasuojaus.
Jatkuva jännite.

Yllä olevista vaatimuksista on laaja valikoima IC: itä, joista valita, mutta tälle projektille olemme valinneet Power-integraation. Virran integrointi on puolijohdeyritys, jolla on laaja valikoima virtalähde-IC: itä eri tehoalueilla. Vaatimusten ja saatavuuden perusteella olemme päättäneet käyttää TNY268PN: tä pienistä kytkin II -perheistä.

Yllä olevassa kuvassa suurin teho on 15 W. Teemme kuitenkin SMPS: n avoimessa kehyksessä ja yleisen tuloluokituksen saamiseksi. Tällaisessa segmentissä TNY268PN voisi tuottaa 15 W: n lähdön. Katsotaanpa pin-kaavio.

12v 1Amp SMPS -piirin suunnittelu

Paras tapa rakentaa piiri on käyttää Power Integrationin PI-asiantuntijaohjelmistoa. Se on erinomainen virtalähteen suunnitteluohjelmisto. Piiri on rakennettu Power Integration IC: llä. Suunnittelumenettely selitetään alla, vaihtoehtoisesti voit myös vierittää alaspäin videota, joka selittää saman.

Vaihe -1: Valitse Tiny-kytkin II ja valitse myös haluamasi paketti. Valitsimme DIP-paketin. Valitse kotelotyyppi, sovitin tai avoin kehys. Täällä on valittu Avaa kehys.

Valitse sitten Palaute-tyyppi. Se on välttämätöntä, koska käytetään Flyback-topologiaa. TL431 on erinomainen valinta palautteeksi. TL431 on shunttiohjain, joka tarjoaa erinomaisen ylijännitesuojauksen ja tarkan lähtöjännitteen.

Vaihe 2: Valitse tulojännitealue. Koska se on yleinen SMPS-tulo, tulojännitteeksi valitaan 85-265V AC. Linjan taajuus on 50 Hz.

Vaihe 3:

Valitse lähtöjännite, virta ja teho. SMPS-luokitus on 12 V 1,25 A. Teho on 15 W. Toimintatila valitaan myös CV: ksi, tarkoittaa vakiojännitteen toimintatilaa. Lopuksi kaikki tehdään kolmessa helpossa vaiheessa, ja kaavio luodaan.

12 V: n SMPS-piirikaavio ja selitys

Alla olevaa virtapiiriä on muutettu hieman projektiimme sopivaksi.

Ennen kuin siirrymme suoraan prototyyppiosan rakentamiseen, tutkitaan 12v SMPS -piirikaavio ja sen toiminta. Piirissä on seuraavat kohdat

Tulon ylijännite- ja SMPS-vikasuojaus
AC-DC-muunnos
PI-suodatin
Ohjainpiiri tai kytkentäpiiri
Alijännitteen lukitussuoja.
Kiinnityspiiri
Magneetti ja galvaaninen eristys
EMI-suodatin
Toissijainen tasasuuntaaja ja snubber-piiri
Suodatinosa
Palaute-osio.

Tulon ylijännite- ja SMPS-vikasuojaus

Tämä osa koostuu kahdesta osasta, F1 ja RV1. F1 on 1A 250VAC hidas sulake ja RV1 on 7mm 275V MOV (Metal Oxide Varistor). Suurjännitepiirin (yli 275 VAC) aikana MOV: n akku on lyhyt ja puhaltaa tulosulakkeen. Hidas puhallusominaisuuden takia sulake kestää syöksyvirtaa SMPS: n kautta.

AC-DC-muunnos

Tätä osaa ohjaa diodisilta. Nämä neljä diodia (DB107: n sisällä) muodostavat täydellisen sillan tasasuuntaajan. Diodit ovat 1N4006, mutta vakio 1N4007 voi tehdä työn täydellisesti. Tässä projektissa nämä neljä diodia korvataan täyssillan tasasuuntaajalla DB107.

PI-suodatin

Eri tiloilla on erilainen EMI-hylkäysstandardi. Tämä muotoilu vahvistaa EN61000-luokan 3 standardin ja PI-suodatin on suunniteltu siten, että se vähentää yhteismoodin EMI-hylkäystä. Tämä osa luodaan käyttämällä C1, C2 ja L1. C1 ja C2 ovat 400 V 18uF kondensaattoreita. Se on pariton arvo, joten 22uF 400V valitaan tälle sovellukselle. L1 on tavallinen rikastin, joka vaatii differentiaalisen EMI-signaalin molempien peruuttamiseksi.

Kuljettajan piiri tai kytkentäpiiri

Se on SMPS: n sydän. Muuntajan ensisijaista puolta ohjaa kytkentäpiiri TNY268PN. Kytkentätaajuus on 120-132 khz. Tämän korkean kytkentätaajuuden ansiosta voidaan käyttää pienempiä muuntajia. Kytkentäpiirissä on kaksi komponenttia, U1 ja C3. U1 on pääohjaimen IC TNY268PN. C3 on ohituskondensaattori, jota tarvitaan ohjaimen IC: n toimintaan.

Alijännitteen lukitussuoja

Alijännitteen lukitussuojaus tapahtuu vastusvastus R1 ja R2. Sitä käytetään, kun SMPS siirtyy automaattiseen uudelleenkäynnistystilaan ja tunnistaa verkkojännitteen.

Kiinnityspiiri

D1 ja D2 ovat kiinnityspiiri. D1 on TVS-diodi ja D2 on erittäin nopea palautumisdiodi. Muuntaja toimii valtavalla induktorilla teho-ohjain IC TNY268PN: n poikki. Siksi aikana sammuttamalla-syklin, muuntajan luo korkea jännite piikkejä johtuen vuoto induktanssi muuntajan. Diodipidike vaimentaa nämä suurtaajuusjännitepiikit muuntajan poikki. UF4007 on valittu erittäin nopean palautumisen vuoksi ja P6KE200A on valittu TVS-toimintoa varten.

Magneetti ja galvaaninen eristys

Muuntaja on ferromagneettinen muuntaja, ja se ei vain muuntaa suurjännitevirtaa pienjännitevirraksi, vaan tarjoaa myös galvaanisen eristyksen.

EMI-suodatin

EMI-suodatus tapahtuu C4-kondensaattorilla. Se lisää piirin immuniteettia suurten EMI-häiriöiden vähentämiseksi.

Toissijainen tasasuuntaaja ja Snubber-piiri

Muuntajan ulostulo tasataan ja muunnetaan DC: ksi käyttämällä D6: ta, Schottky-tasasuuntaajan diodia. D6: n poikki oleva katkaisupiiri vaimentaa transientin jännitteen kytkentäoperaatioiden aikana. Snubber-piiri koostuu yhdestä vastuksesta ja yhdestä kondensaattorista, R3 ja C5.

Suodatinosa

Suodatinosa koostuu suodatinkondensaattorista C6. Se on matalan ESR-kondensaattori paremman aaltoilun hylkimiseksi. Myös LC-suodatin, joka käyttää L2: ta ja C7: tä, antaa paremman aaltoilun hyljinnän koko lähdössä.

Palaute-osio

Lähtöjännite tunnistaa U3 TL431 ja R6 ja R7. Tunnistettuaan linja, U2, optoeristintä ohjataan ja eristetään galvaanisesti toissijainen takaisinkytkentäanturi ensisijaisella sivusäätimellä. Optoerottimessa on transistori ja sen sisällä LED. Transistoria ohjataan ohjaamalla LEDiä. Koska tiedonsiirto tapahtuu optisesti, sillä ei ole suoraa sähköliitäntää, mikä täyttää myös takaisinkytkentäpiirin galvaanisen eristyksen.

Nyt kun LED ohjaa suoraan transistoria tarjoamalla riittävän esijännitteen optoerottimen LED: n yli, voidaan ohjata optoerottimen transistoria, tarkemmin sanottuna ohjainpiiriä. Tätä ohjausjärjestelmää käyttää TL431.Koska shunttiohjaimessa on vastuksenjakaja referenssitapinsa yli, se voi ohjata sen yli kytkettyä optoerottimen johtoa. Palautteen tappi on referenssijännite 2.5V. Siksi TL431 voi olla aktiivinen vain, jos jakajan poikki oleva jännite on riittävä. Meidän tapauksessamme jännitteenjakaja asetettiin arvoon 12 V. Siksi, kun lähtö saavuttaa 12 V, TL431 saa 2,5 V referenssitapin yli ja aktivoi siten optoerottimen LED: n, joka ohjaa optoerottimen transistoria ja ohjaa epäsuorasti TNY268PN: tä. Jos jännite ei ole riittävä ulostulossa, kytkentäjakso keskeytetään välittömästi.

Ensinnäkin TNY268PN aktivoi ensimmäisen kytkentäjakson ja tunnistaa sen sitten EN-nastan. Jos kaikki on kunnossa, se jatkaa vaihtamista, jos ei, se yrittää toisinaan uudelleen. Tätä silmukkaa jatketaan, kunnes kaikki normalisoituu, mikä estää oikosulku- tai ylijänniteongelmat. Siksi sitä kutsutaan flyback-topologiaksi, koska lähtöjännite johdetaan takaisin kuljettajaan liittyvien toimintojen havaitsemiseksi. Yritettävää silmukkaa kutsutaan myös hikka- toimintatilaksi vikatilanteessa.

D3 on Schottky-estodiodi. Tämä diodi muuntaa suurtaajuisen vaihtovirtalähdön tasavirraksi. 3A 60 V: n Schottky-diodi on valittu luotettavaan toimintaan. R4 ja R5 valitaan ja lasketaan PI-asiantuntijan toimesta. Se luo jännitteenjakajan ja siirtää virran Optocoupler-LEDille TL431: stä.

R6 ja R7 on yksinkertainen jännitteenjakaja, joka lasketaan kaavalla TL431 REF-jännite = (Vout x R7) / R6 + R7. Referenssijännite on 2,5 V ja Vout on 12 V. Valitsemalla arvon R6 23,7k arvo R7: stä tuli noin 9,09k.

Piirilevyn valmistus 12v 1A SMPS -piirille

Nyt kun ymmärrämme kuinka kaaviot toimivat, voimme jatkaa piirilevyn rakentamista SMPS: lle. Koska kyseessä on SMPS-piiri, suositellaan piirilevyä, koska se voi käsitellä melua ja eristysongelmia. Yllä olevan piirin piirilevyn asettelu on myös ladattavissa Gerberinä linkistä

Lataa Gerber-tiedosto 15 W: n SMPS-piirille

Nyt kun suunnittelumme on valmis, on aika saada ne valmistettu Gerber-tiedostolla. PCB: n tekeminen on melko helppoa yksinkertaisesti noudattamalla alla olevia ohjeita

Vaihe 1: Mene osoitteeseen www.pcbgogo.com, rekisteröidy, jos olet ensimmäinen kerta. Syötä sitten piirilevyn prototyyppi -välilehdelle piirilevyn mitat, kerrosten määrä ja tarvitsemasi piirilevyn määrä. Jos olet, että piirilevy on 80 cm × 80 cm, voit asettaa mitat alla olevan kuvan mukaisesti.

Vaihe 2: Jatka napsauttamalla Lainaa nyt -painiketta. Sinut siirretään sivulle, jossa voit asettaa muutamia lisäparametreja tarvittaessa, kuten käytetyn raidan etäisyys jne. Mutta useimmiten oletusarvot toimivat hyvin. Ainoa asia, joka meidän on otettava huomioon tässä, on hinta ja aika. Kuten näette, rakennusaika on vain 2-3 päivää ja se maksaa vain 5 dollaria PSB: lle. Voit sitten valita haluamasi toimitustavan vaatimuksesi perusteella.

Vaihe 3: Viimeinen vaihe on lähettää Gerber-tiedosto ja jatkaa maksua. Varmistaaksesi prosessin sujuvuuden, PCBGOGO tarkistaa ennen maksun suorittamista, onko Gerber-tiedostosi kelvollinen. Näin voit olla varma, että piirilevysi on valmistusystävällinen ja tavoittaa sinut sitoutuneena.

Piirilevyn kokoaminen

Kun levy oli tilattu, se saapui minuun muutaman päivän kuluttua, vaikka kuriiri oli siististi merkittyssä hyvin pakatussa laatikossa ja kuten aina piirilevyn laatu oli mahtava. Minun vastaanottama piirilevy on esitetty alla

Kytkin juottotangon päälle ja aloin koota levyä. Koska jalanjäljet, tyynyt, läpiviennit ja silkkipaino ovat täydellisesti oikean muotoisia ja kokoisia, minulla ei ollut mitään ongelmia levyn kokoamisessa. Juotinpuristimeen kiinnitetty piirilevy näkyy alla.

Komponenttien hankinta

Kaikki tämän 12v 15w SMPS-piirin komponentit hankitaan kaavamaisesti. Yksityiskohtainen luettelo löytyy alla olevasta Excel-tiedostosta ladattavaksi.

15 W: n SMPS-suunnittelu - materiaalilista

Lähes kaikki komponentit ovat helposti saatavilla käytettäväksi hyllyltä. Saatat löytää vaikeuksia löytää oikeaa muuntajaa tälle projektille. Normaalisti SMPS-piirikytkentäiset flyback-muuntajat eivät ole saatavissa suoraan toimittajilta, useimmissa tapauksissa sinun on kelattava oma muuntaja, jos tarvitset tehokkaita tuloksia. On kuitenkin myös hyvä käyttää samanlaista paluumuuntajaa ja piiri toimii edelleen. Ideaalisen erittelyn muuntajamme tarjoaa PI Expert -ohjelmisto, jota käytimme aiemmin.

PI Expertiltä saatu muuntajan mekaaninen ja sähköinen kaavio on esitetty alla.

Jos et löydä oikeaa myyjää, voit pelastaa muuntajan 12 V: n sovittimesta tai muista SMPS-piireistä. Vaihtoehtoisesti voit myös rakentaa oman muuntajanostosi käyttämällä seuraavia materiaaleja ja käämitysohjeita.

Kun kaikki komponentit on hankittu, niiden kokoamisen pitäisi olla helppoa. Voit käyttää Gerber-tiedostoa ja BOM-tiedostoa viitteeksi ja koota piirilevyn. Kun olen tehnyt piirilevyn etu- ja takapuolen, näyttää jotain tältä alla

Testataan 15 W: n SMPS-piiriä

Nyt kun piirimme on valmis, on aika ottaa se pyörittämään. Yhdistämme kortin AC-verkkoon VARIAC: n kautta ja lataamme lähtöpuolen kuormauskoneella ja mitataan aaltoilujännite piirimme suorituskyvyn tarkistamiseksi. Täydellinen testausvideo löytyy myös tämän sivun lopusta. Alla olevassa kuvassa on testattu piiri, jonka tulojännite on 230 V AC, jolle saamme 12,08 V: n lähdön

Ripple-jännitteen mittaaminen oskilloskoopilla

Jos haluat mitata aaltoilun jännitettä oskilloskoopilla, vaihda laajuuden tuloksi vaihtovirta 1x: n vahvistuksella. Liitä sitten pieniarvoinen elektrolyyttikondensaattori ja pieniarvoinen keraaminen kondensaattori johdotusten aiheuttaman melunvaimennuksen vastaanottamiseksi. Lisätietoja tästä menettelystä on tämän Power Integrationin RDR-295-asiakirjan sivulla 40.

Seuraava tilannekuva on otettu kuormittamattomana sekä 85 VAC että 230 VAC. Asteikko on asetettu arvoon 10 mV jakoa kohti, ja kuten näette, aaltoilu on melkein 10 mV pk-pk.

90 VAC: n tulolla ja täydellä kuormituksella aaltoilu näkyy noin 20 mV pk-pk: lla

230 VAC: ssa ja täydellä kuormalla aaltoilu mitataan noin 30 mV pk-pk: lla, mikä on pahin tapa

Se on siinä; näin voit suunnitella oman 12v SMPS -piirisi. Kun olet ymmärtänyt työskentelyn, voit muuttaa 12v SMPS -piirikaaviota vastaamaan jännite- ja tehovaatimuksiasi. Toivottavasti ymmärrät opetusohjelman ja nautit oppimasta jotain hyödyllistä. Jos sinulla on kysyttävää, jätä ne kommenttiosioon tai käytä foorumeitamme teknisiin keskusteluihin. Tapaa sinut uudestaan mielenkiintoisella SMPS-suunnittelulla, siihen asti kirjautumalla ulos….