12V 1A SMPS-voedingscircuitontwerp - Ajarnpa

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:16

Hallo jongens!

Elk elektronisch apparaat of product heeft een betrouwbare voedingseenheid (PSU) nodig om het te laten werken. Bijna alle apparaten in ons huis, zoals tv, printer, muziekspeler, enz., hebben een ingebouwde voedingseenheid die de netspanning omzet in een geschikt niveau van gelijkspanning zodat ze kunnen werken. Het meest gebruikte type voedingscircuit is de SMPS (Switching Mode Power Supply), dit type circuit vindt u gemakkelijk in uw 12V-adapter of Mobiele/Laptop-oplader. In deze zelfstudie leren we hoe we een 12v SMPS-circuit kunnen bouwen dat AC-netvoeding zou omzetten in 12V DC met een maximale stroomsterkte van 1,25A. Dit circuit kan worden gebruikt om kleine ladingen van stroom te voorzien of zelfs worden aangepast in een oplader om loodzuur- en lithiumbatterijen op te laden. Als dit 12v 15watt voedingscircuit niet aan uw vereisten voldoet, kunt u verschillende voedingscircuits met verschillende classificaties controleren.

Stap 1: 12v SMPS Circuit - Ontwerpoverwegingen

Alvorens verder te gaan met het ontwerp van een voeding, moet een analyse van de vereisten worden uitgevoerd op basis van de omgeving waarin onze voeding zal worden gebruikt. Verschillende soorten voedingen werken in verschillende omgevingen en met specifieke input-output-grenzen.

Invoerspecificatie:

Laten we beginnen met de invoer. Een ingangsvoedingsspanning is het eerste dat door de SMPS wordt gebruikt en wordt omgezet in een bruikbare waarde om de belasting te voeden. Aangezien dit ontwerp is gespecificeerd voor AC-DC-conversie, zal de ingang wisselstroom (AC) zijn. Voor India is de ingang AC beschikbaar in 220-230 volt, voor de VS is deze geschikt voor 110 volt. Er zijn ook andere landen die verschillende spanningsniveaus gebruiken. Over het algemeen werkt SMPS met een universeel ingangsspanningsbereik. Dit betekent dat de ingangsspanning kan verschillen van de 85V AC tot 265V AC. SMPS kan in elk land worden gebruikt en kan een stabiele output van volledige belasting bieden als de spanning tussen 85-265V AC ligt. De SMPS zou ook normaal moeten functioneren onder de 50Hz- en 60Hz-frequentie. Dit is de reden waarom we onze telefoon- en laptopopladers in elk land kunnen gebruiken.

Uitgangsspecificatie:

Aan de uitgangszijde zijn weinig belastingen resistief, weinig inductief. Afhankelijk van de belasting kan de opbouw van een SMPS anders zijn. Voor deze SMPS wordt de belasting aangenomen als een ohmse belasting. Er gaat echter niets boven een resistieve belasting, elke belasting bestaat op zijn minst uit een bepaalde hoeveelheid inductantie en capaciteit; hier wordt aangenomen dat de inductantie en capaciteit van de belasting verwaarloosbaar zijn.

De uitgangsspecificatie van een SMPS is in hoge mate afhankelijk van de belasting, zoals hoeveel spanning en stroom er onder alle bedrijfsomstandigheden nodig is voor belasting. Voor dit project zou de SMPS 15W output kunnen leveren. Het is 12V en 1.25A. De beoogde uitgangsrimpel is geselecteerd als minder dan de 30mV pk-pk bij een bandbreedte van 20000 Hz.

Stap 2: Selectie van de Power Management IC

Elk SMPS-circuit vereist een Power Management IC, ook wel schakel-IC of SMPS IC of Droger IC genoemd. Laten we de ontwerpoverwegingen samenvatten om de ideale Power Management IC te selecteren die geschikt is voor ons ontwerp. Onze ontwerpvereisten zijn:

1. 15W-uitgang. 12V 1.25A met minder dan 30mV pk-pk rimpel bij vollast.
2. Universele ingangsclassificatie.
3. Ingang overspanningsbeveiliging.
4. Uitgang kortsluiting, overspanning en overstroombeveiliging.
5. Constante spanning operaties.

Van de bovenstaande vereisten is er een breed scala aan IC's om uit te kiezen, maar voor dit project hebben we Power Integration geselecteerd. Power Integration is een halfgeleiderbedrijf met een breed scala aan power driver IC's in verschillende vermogensbereiken. Op basis van de vereisten en beschikbaarheid hebben we besloten om de TNY268PN uit de tiny switch II-families te gebruiken.

In de bovenstaande afbeelding wordt het maximale vermogen van 15W weergegeven. We zullen de SMPS echter maken in het open frame en voor de universele ingangsclassificatie. In een dergelijk segment zou TNY268PN 15W-uitvoer kunnen leveren. Laten we het speldendiagram eens bekijken.

Stap 3: 12V SMPS-schakelschema en uitleg

Laten we, voordat we direct beginnen met het bouwen van het prototype-onderdeel, het 12v SMPS-schakelschema en de werking ervan bekijken. Het circuit heeft de volgende secties:

1. Ingangspiek en SMPS-foutbeveiliging
2. AC-DC conversie
3. PI-filter
4. Stuurcircuit of schakelcircuit
5. Beveiliging tegen onderspanning.
6. Klem circuit
7. Magnetics en galvanische isolatie
8. EMI-filter
9. Secundaire gelijkrichter en snubbercircuit
10. Filtersectie

Ingangspiek en SMPS-foutbeveiliging

Deze sectie bestaat uit twee componenten, F1 en RV1. F1 is een 1A 250VAC trage zekering en RV1 is een 7mm 275V MOV (Metal Oxide Varistor). Tijdens een hoogspanningsstoot (meer dan 275 VAC) werd de MOV doodstil en springt de ingangszekering door. Door de langzame doorslagfunctie is de zekering echter bestand tegen inschakelstroom door de SMPS.

AC-DC conversie

Dit gedeelte wordt bestuurd door de diodebrug. Deze vier diodes (binnen DB107) vormen een volledige bruggelijkrichter. De diodes zijn 1N4006, maar standaard 1N4007 kan het werk perfect doen. In dit project zijn deze vier diodes vervangen door een volledige bruggelijkrichter DB107.

PI-filter

Verschillende staten hebben verschillende EMI-afwijzingsnormen. Dit ontwerp bevestigt de norm EN61000-Klasse 3 en het PI-filter is zo ontworpen dat de common-mode EMI-afwijzing wordt verminderd. Deze sectie is gemaakt met C1, C2 en L1. C1 en C2 zijn 400V 18uF condensatoren. Het is een oneven waarde, dus 22uF 400V is geselecteerd voor deze toepassing. De L1 is een common-mode choke die een differentieel EMI-signaal nodig heeft om beide te annuleren.

Stuurcircuit of schakelcircuit

Het is het hart van een SMPS. De primaire zijde van de transformator wordt bestuurd door het schakelcircuit TNY268PN. De schakelfrequentie is 120-132khz. Door deze hoge schakelfrequentie kunnen kleinere transformatoren worden toegepast. Het schakelcircuit heeft twee componenten, U1 en de C3. U1 is de belangrijkste driver van IC TNY268PN. De C3 is de bypass condensator die nodig is voor de werking van ons driver IC.

Beveiliging tegen onderspanningsvergrendeling

Beveiliging tegen onderspanning wordt gedaan door de meetweerstanden R1 en R2. Het wordt gebruikt wanneer de SMPS in de automatische herstartmodus gaat en de lijnspanning detecteert.

Klem circuit

D1 en D2 zijn het klemcircuit. D1 is de TVS-diode en D2 is een ultrasnelle hersteldiode. De transformator fungeert als een enorme spoel over de power driver IC TNY268PN. Daarom creëert de transformator tijdens de uitschakelcyclus hoogspanningspieken vanwege de lekinductantie van de transformator. Deze hoogfrequente spanningspieken worden onderdrukt door de diodeklem over de transformator. UF4007 is geselecteerd vanwege het ultrasnelle herstel en P6KE200A is geselecteerd voor de TVS-werking.

Magnetics en galvanische isolatie

De transformator is een ferromagnetische transformator en zet niet alleen de hoogspanningswisselstroom om in een laagspanningswisselstroom, maar zorgt ook voor galvanische isolatie.

EMI-filter

EMI-filtering wordt gedaan door de C4-condensator. Het verhoogt de immuniteit van het circuit om de hoge EMI-interferentie te verminderen.

Secundaire gelijkrichter en snubbercircuit

De output van de transformator wordt gelijkgericht en omgezet in DC met behulp van D6, een Schottky-gelijkrichterdiode. Het snubbercircuit over de D6 zorgt voor onderdrukking van de spanningsovergang tijdens schakelhandelingen. Het snubbercircuit bestaat uit één weerstand en één condensator, R3 en C5.

Filtersectie

Het filtergedeelte bestaat uit een filtercondensator C6. Het is een lage ESR-condensator voor een betere rimpelafwijzing. Ook zorgt een LC-filter met L2 en C7 voor een betere rimpelonderdrukking over de uitvoer.

Stap 4: PCB-productie

U kunt het PCB-schema met elke gewenste software tekenen en naar een PCB-fabrikant van uw keuze sturen. Ik heb een Gerber klaar, die kan ik delen.

Ik zou LIONCIRCUITS aanbevelen, omdat ze een goedkope productieservice voor prototypes hebben, wat erg goed is voor mensen zoals wij doe-het-zelvers. Ze hebben een geautomatiseerd online platform waar je je Gerber-bestanden kunt uploaden en een online bestelling kunt plaatsen. Verzending in heel India is gratis.