12V 1a smps Stromversorgungsschaltungsdesign auf der Platine

Jedes elektronische Gerät oder Produkt benötigt zum Betrieb ein zuverlässiges Netzteil. Fast alle Geräte in unserem Haus, wie Fernseher, Drucker, Musik-Player usw., bestehen aus einem eingebauten Netzteil, das die Netzwechselspannung in ein für den Betrieb geeignetes Gleichspannungsniveau umwandelt. Die am häufigsten verwendete Art von Stromversorgungsschaltung ist das SMPS (Switching Mode Power Supply). Sie finden diese Art von Stromkreisen leicht in Ihrem 12-V-Adapter oder in Ihrem Mobil- / Laptop-Ladegerät. In diesem Tutorial lernen wir, wie man eine 12-V-SMPS-Schaltung bautDies würde Wechselstrom in 12 V Gleichstrom mit einer maximalen Nennstromstärke von 1,25 A umwandeln. Diese Schaltung kann verwendet werden, um kleine Lasten mit Strom zu versorgen, oder sogar in ein Ladegerät umgewandelt werden, um Ihre Blei-Säure- und Lithium-Batterien aufzuladen. Wenn dieser 12-V-15-Watt-Stromversorgungskreis nicht Ihren Anforderungen entspricht, können Sie verschiedene Stromversorgungskreise mit unterschiedlichen Nennwerten überprüfen.

12-V-SMPS-Schaltung - Überlegungen zum Design

Bevor Sie mit dem Entwurf eines Netzteils fortfahren, muss eine Anforderungsanalyse basierend auf der Umgebung durchgeführt werden, in der unser Netzteil verwendet wird. Verschiedene Arten der Stromversorgung funktionieren in verschiedenen Umgebungen und mit bestimmten Eingangs- / Ausgangsgrenzen.

Eingabespezifikation

Beginnen wir mit der Eingabe. Eine Eingangsversorgungsspannung ist das erste, was vom SMPS verwendet und in einen nützlichen Wert zur Speisung der Last umgewandelt wird. Da dieses Design für die AC / DC-Umwandlung spezifiziert ist, ist der Eingang Wechselstrom (AC). Für Indien ist der Eingangswechselstrom in 220-230 Volt erhältlich, für die USA für 110 Volt. Es gibt auch andere Nationen, die unterschiedliche Spannungspegel verwenden. Im Allgemeinen arbeitet SMPS mit einer universellen EingangsspannungAngebot. Dies bedeutet, dass die Eingangsspannung von 85 V AC bis 265 V AC abweichen kann. SMPS kann in jedem Land verwendet werden und kann eine stabile Volllastleistung liefern, wenn die Spannung zwischen 85 und 265 V AC liegt. Das SMPS sollte auch unter 50 Hz und 60 Hz normal funktionieren. Aus diesem Grund können wir unsere Telefon- und Laptop-Ladegeräte in jedem Land verwenden.

Ausgabespezifikation

Auf der Ausgangsseite sind nur wenige Lasten ohmsch, wenige induktiv. Je nach Belastung kann der Aufbau eines SMPS unterschiedlich sein. Für dieses SMPS wird die Last als ohmsche Last angenommen. Es gibt jedoch nichts Besseres als eine ohmsche Last. Jede Last besteht aus mindestens einer gewissen Menge an Induktivität und Kapazität. hier wird angenommen, dass die Induktivität und Kapazität der Last vernachlässigbar sind.

Die Ausgangsspezifikation eines SMPS hängt stark von der Last ab, z. B. wie viel Spannung und Strom die Last unter allen Betriebsbedingungen benötigt. Für dieses Projekt könnte das SMPS eine Leistung von 15 W liefern. Es ist 12V und 1,25A. Die angestrebte Ausgangswelligkeit wird als weniger als 30 mV pk-pk bei einer Bandbreite von 20000 Hz ausgewählt.

Basierend auf der Ausgangslast müssen wir uns auch zwischen dem Entwurf eines SMPS mit konstanter Spannung oder einem SMPS mit konstantem Strom entscheiden. Konstante Spannung bedeutet, dass die Spannung an der Last konstant ist und der Strom mit den Änderungen des Lastwiderstands entsprechend geändert wird. Andererseits ermöglicht der Konstantstrommodus, dass der Strom konstant ist, ändert jedoch die Spannung entsprechend mit den Änderungen des Lastwiderstands. Außerdem können sowohl CV als auch CC in einem SMPS verfügbar sein, sie können jedoch nicht in einer einzigen Zeit arbeiten. Wenn beide Optionen in einem SMPS vorhanden sind, muss es einen Bereich geben, in dem das SMPS seinen Ausgabevorgang von CV auf CC und umgekehrt ändert. Normalerweise werden Ladegeräte im CC- und CV-Modus zum Laden von Blei-Säure- oder Lithium-Batterien verwendet.

Eingangs- und Ausgangsschutzfunktionen

Es gibt verschiedene Schutzschaltungen, die für einen sichereren und zuverlässigeren Betrieb am SMPS verwendet werden können. Die Schutzschaltung schützt sowohl das SMPS als auch die angeschlossene Last. Je nach Standort kann die Schutzschaltung über den Eingang oder über den Ausgang angeschlossen werden. Der gebräuchlichste Eingangsschutz sind Überspannungsschutz- und EMI-Filter. Der Überspannungsschutz schützt das SMPS vor Eingangsstößen oder Wechselspannungen. Der EMI-Filter schützt das SMPS vor EMI-Erzeugung über die Eingangsleitung. In diesem Projekt werden beide Funktionen verfügbar sein. Der Ausgangsschutz umfasst Kurzschlussschutz, Überspannungsschutz und Überstromschutz. Dieses SMPS-Design umfasst auch alle diese Schutzschaltungen.

Auswahl des Power Management IC

Jede SMPS-Schaltung erfordert einen Energieverwaltungs-IC, der auch als Schalt-IC oder SMPS-IC oder Trockner-IC bezeichnet wird. Fassen wir die Entwurfsüberlegungen zusammen, um den idealen Power Management IC auszuwählen, der für unser Design geeignet ist. Unsere Designanforderungen sind

1. 15W Leistung. 12V 1,25A mit weniger als 30mV pk-pk Welligkeit bei Volllast.
2. Universelle Eingangsleistung.
3. Überspannungsschutz.
4. Ausgangskurzschluss, Überspannungs- und Überstromschutz.
5. Betrieb mit konstanter Spannung.

Aus den oben genannten Anforderungen kann aus einer Vielzahl von ICs ausgewählt werden. Für dieses Projekt haben wir jedoch die Power-Integration ausgewählt. Power Integration ist ein Halbleiterunternehmen, das über eine breite Palette von Leistungstreiber-ICs in verschiedenen Leistungsbereichen verfügt. Aufgrund der Anforderungen und Verfügbarkeit haben wir uns für den TNY268PN aus winzigen Switch II-Familien entschieden.

Im obigen Bild ist die maximale Leistung von 15 W dargestellt. Wir werden das SMPS jedoch im offenen Rahmen und für die universelle Eingangsbewertung herstellen. In einem solchen Segment könnte TNY268PN eine Leistung von 15 W liefern. Sehen wir uns das Pin-Diagramm an.

Entwerfen der 12-V-1-Ampere-SMPS-Schaltung

Der beste Weg, um die Schaltung aufzubauen, ist die Verwendung der PI-Expertensoftware von Power Integration. Es ist eine ausgezeichnete Software für das Design von Netzteilen. Die Schaltung wird unter Verwendung eines Leistungsintegrations-IC aufgebaut. Das Designverfahren wird unten erklärt. Alternativ können Sie auch nach unten scrollen, um das Video zu sehen, in dem dasselbe erklärt wird.

Schritt -1: Wählen Sie den Tiny-Schalter II und das gewünschte Paket. Wir haben das DIP-Paket ausgewählt. Wählen Sie den Gehäusetyp, den Adapter oder den offenen Rahmen. Hier wird Open Frame ausgewählt.

Wählen Sie dann den Feedback-Typ. Dies ist wichtig, da die Flyback-Topologie verwendet wird. TL431 ist eine ausgezeichnete Wahl für Feedback. TL431 ist ein Shunt-Regler und bietet einen hervorragenden Überspannungsschutz und eine genaue Ausgangsspannung.

Schritt 2: Wählen Sie den Eingangsspannungsbereich. Da es sich um ein universelles Eingangs-SMPS handelt, wird die Eingangsspannung als 85-265 V AC gewählt. Die Netzfrequenz beträgt 50 Hz.

Schritt 3:

Wählen Sie die Ausgangsspannung, den Strom und die Leistung. Die SMPS-Nennleistung beträgt 12 V, 1,25 A. Die Leistung zeigt 15W. Der Betriebsmodus wird auch als CV ausgewählt, was einen Betriebsmodus mit konstanter Spannung bedeutet. Schließlich wird alles in drei einfachen Schritten erledigt und der Schaltplan generiert.

12V SMPS Schaltplan und Erklärung

Die folgende Schaltung ist leicht modifiziert, um unserem Projekt zu entsprechen.

Bevor wir direkt mit dem Bau des Prototypteils beginnen, wollen wir den 12-V-SMPS-Schaltplan und seine Funktionsweise untersuchen. Die Schaltung hat die folgenden Abschnitte

1. Eingangsstoß und SMPS-Fehlerschutz
2. AC-DC-Umwandlung
3. PI-Filter
4. Treiberschaltung oder Schaltschaltung
5. Unterspannungssperrschutz.
6. Klemmkreis
7. Magnetik und galvanische Trennung
8. EMI-Filter
9. Sekundärgleichrichter und Dämpfungsschaltung
10. Filterabschnitt
11. Feedback-Bereich.

Eingangsstoß und SMPS-Fehlerschutz

Dieser Abschnitt besteht aus zwei Komponenten, F1 und RV1. F1 ist eine langsame 1A 250VAC-Sicherung und RV1 ist ein 7mm 275V MOV (Metalloxid-Varistor). Während eines Hochspannungsstoßes (mehr als 275 VAC) wurde der MOV tot und löschte die Eingangssicherung. Aufgrund der Funktion zum langsamen Durchblasen hält die Sicherung jedoch dem Einschaltstrom durch das SMPS stand.

AC-DC-Umwandlung

Dieser Abschnitt wird von der Diodenbrücke geregelt. Diese vier Dioden (innerhalb von DB107) bilden einen Vollbrückengleichrichter. Die Dioden sind 1N4006, aber Standard 1N4007 kann die Arbeit perfekt machen. In diesem Projekt werden diese vier Dioden durch einen Vollbrückengleichrichter DB107 ersetzt.

PI-Filter

Unterschiedliche Zustände haben unterschiedliche EMI-Ablehnungsstandards. Dieses Design bestätigt die Norm EN61000-Klasse 3 und der PI-Filter ist so konzipiert, dass die Gleichtakt-EMI- Unterdrückung reduziert wird. Dieser Abschnitt wird mit C1, C2 und L1 erstellt. C1 und C2 sind 400V 18uF Kondensatoren. Da es sich um einen ungeraden Wert handelt, werden für diese Anwendung 22 uF 400 V ausgewählt. Der L1 ist eine Gleichtaktdrossel, die ein differentielles EMI-Signal verwendet, um beide zu löschen.

Treiberschaltung oder Schaltschaltung

Es ist das Herz eines SMPS. Die Primärseite des Transformators wird vom Schaltkreis TNY268PN gesteuert. Die Schaltfrequenz beträgt 120-132 kHz. Aufgrund dieser hohen Schaltfrequenz können kleinere Transformatoren verwendet werden. Die Schaltschaltung besteht aus zwei Komponenten, U1 und C3. U1 ist der Haupttreiber IC TNY268PN. Der C3 ist der Bypass-Kondensator, der für die Arbeit unseres Treiber-IC benötigt wird.

Unterspannungssperrschutz

Der Unterspannungssperrschutz erfolgt über die Messwiderstände R1 und R2. Es wird verwendet, wenn das SMPS in den automatischen Neustartmodus wechselt und die Netzspannung erfasst.

Klemmkreis

D1 und D2 sind die Klemmschaltung. D1 ist die TVS-Diode und D2 ist eine ultraschnelle Wiederherstellungsdiode. Der Transformator wirkt als riesiger Induktor über den Leistungstreiber-IC TNY268PN. Daher erzeugt der Transformator während des Ausschaltzyklus aufgrund der Streuinduktivität des Transformators Hochspannungsspitzen. Diese hochfrequenten Spannungsspitzen werden durch die Diodenklemme am Transformator unterdrückt. UF4007 wird aufgrund der ultraschnellen Wiederherstellung ausgewählt und P6KE200A wird für den TVS-Betrieb ausgewählt.

Magnetik und galvanische Trennung

Der Transformator ist ein ferromagnetischer Transformator und wandelt nicht nur den Hochspannungswechselstrom in einen Niederspannungswechselstrom um, sondern bietet auch eine galvanische Trennung.

EMI-Filter

Die EMI-Filterung erfolgt durch den C4-Kondensator. Es erhöht die Störfestigkeit der Schaltung, um die hohe EMI-Störung zu verringern.

Sekundärgleichrichter- und Dämpfungsschaltung

Der Ausgang des Transformators wird gleichgerichtet und unter Verwendung von D6, einer Schottky-Gleichrichterdiode, in Gleichstrom umgewandelt. Die Dämpfungsschaltung über dem D6 sorgt für die Unterdrückung des Spannungsübergangs während des Schaltvorgangs. Die Dämpfungsschaltung besteht aus einem Widerstand und einem Kondensator, R3 und C5.

Filterabschnitt

Der Filterabschnitt besteht aus einem Filterkondensator C6. Es ist ein Kondensator mit niedrigem ESR für eine bessere Welligkeitsunterdrückung. Ein LC-Filter mit L2 und C7 bietet außerdem eine bessere Welligkeitsunterdrückung am Ausgang.

Feedback-Bereich

Die Ausgangsspannung wird von U3 TL431 und R6 und R7 erfasst. Nach dem Erfassen der Leitung U2 wird der Optokoppler gesteuert und der sekundäre Rückkopplungserfassungsabschnitt mit der primärseitigen Steuerung galvanisch isoliert. Der Optokoppler verfügt über einen Transistor und eine LED. Durch Steuern der LED wird der Transistor gesteuert. Da die Kommunikation optisch erfolgt, besteht keine direkte elektrische Verbindung, wodurch auch die galvanische Trennung im Rückkopplungskreis erfüllt wird.

Da nun die LED den Transistor direkt steuert, kann man durch Bereitstellen einer ausreichenden Vorspannung über der Optokoppler-LED den Optokopplertransistor, insbesondere die Treiberschaltung, steuern. Dieses Steuersystem wird vom TL431 verwendet. Da der Shunt-Regler über seinem Referenzstift einen Widerstandsteiler aufweist, kann er die darüber angeschlossene Optokoppler-LED steuern. Der Rückkopplungsstift hat eine Referenzspannung von 2,5V. Daher kann der TL431 nur aktiv sein, wenn die Spannung am Teiler ausreichend ist. In unserem Fall ist der Spannungsteiler auf einen Wert von 12 V eingestellt. Wenn der Ausgang 12 V erreicht, erhält der TL431 daher 2,5 V über den Referenzstift und aktiviert so die LED des Optokopplers, die den Transistor des Optokopplers steuert und indirekt den TNY268PN steuert. Wenn die Spannung am Ausgang nicht ausreicht, wird der Schaltzyklus sofort unterbrochen.

Zuerst aktiviert der TNY268PN den ersten Schaltzyklus und erkennt dann den EN-Pin. Wenn alles in Ordnung ist, wird das Umschalten fortgesetzt. Wenn nicht, wird es nach einiger Zeit erneut versucht. Diese Schleife wird fortgesetzt, bis alles normal ist, wodurch Kurzschluss- oder Überspannungsprobleme vermieden werden. Aus diesem Grund wird es als Flyback-Topologie bezeichnet, da die Ausgangsspannung zum Erfassen verwandter Vorgänge zum Treiber zurückgeflogen wird. Außerdem wird die Versuchsschleife als Hiccup- Betriebsmodus unter der Fehlerbedingung bezeichnet.

Die D3 ist eine Schottky-Sperrdiode. Diese Diode wandelt den Hochfrequenz-Wechselstromausgang in einen Gleichstrom um. 3A 60V Schottky Diode ist für einen zuverlässigen Betrieb ausgewählt. R4 und R5 werden vom PI-Experten ausgewählt und berechnet. Es erzeugt einen Spannungsteiler und leitet den Strom vom TL431 an die Optokoppler-LED weiter.

R6 und R7 ist ein einfacher Spannungsteiler, der nach der Formel TL431 REF Spannung = (Vout x R7) / R6 + R7 berechnet wird. Die Referenzspannung beträgt 2,5 V und die Vout beträgt 12 V. Durch Auswahl des Wertes von R6 23,7k wurde der R7 ungefähr 9,09k.

Herstellung einer Leiterplatte für eine 12V 1A SMPS-Schaltung

Nachdem wir die Funktionsweise der Schaltpläne verstanden haben, können wir mit dem Aufbau der Leiterplatte für unser SMPS fortfahren. Da es sich um eine SMPS-Schaltung handelt, wird eine Leiterplatte empfohlen, da diese Probleme mit Rauschen und Isolation verursachen kann. Das PCB-Layout für die obige Schaltung kann auch als Gerber über den Link heruntergeladen werden

• Laden Sie die Gerber-Datei für die 15-W-SMPS-Schaltung herunter

Jetzt, da unser Design fertig ist, ist es Zeit, sie mithilfe der Gerber-Datei herzustellen. Befolgen Sie einfach die nachstehenden Schritte, um die Leiterplatte fertigzustellen

Schritt 1: Gehen Sie zu www.pcbgogo.com und melden Sie sich an, wenn Sie zum ersten Mal hier sind. Geben Sie dann auf der Registerkarte PCB Prototype die Abmessungen Ihrer Leiterplatte, die Anzahl der Schichten und die Anzahl der benötigten Leiterplatten ein. Angenommen, die Leiterplatte ist 80 cm × 80 cm groß, können Sie die Abmessungen wie unten gezeigt einstellen.

Schritt 2: Klicken Sie auf die Schaltfläche Jetzt zitieren. Sie werden zu einer Seite weitergeleitet, auf der Sie bei Bedarf einige zusätzliche Parameter wie den verwendeten Spurabstand usw. einstellen können. Meistens funktionieren die Standardwerte jedoch einwandfrei. Das einzige, was wir hier berücksichtigen müssen, ist der Preis und die Zeit. Wie Sie sehen können, beträgt die Build-Zeit nur 2-3 Tage und kostet für unser PSB nur 5 US-Dollar. Sie können dann eine bevorzugte Versandart auswählen, die Ihren Anforderungen entspricht.

Schritt 3: Der letzte Schritt besteht darin, die Gerber-Datei hochzuladen und mit der Zahlung fortzufahren. Um sicherzustellen, dass der Prozess reibungslos verläuft, überprüft PCBGOGO, ob Ihre Gerber-Datei gültig ist, bevor Sie mit der Zahlung fortfahren. Auf diese Weise können Sie sicher sein, dass Ihre Leiterplatte herstellungsfreundlich ist und Sie als engagiert erreicht.

Montage der Leiterplatte

Nachdem das Board bestellt wurde, erreichte es mich nach einigen Tagen, obwohl Kurier in einer ordentlich beschrifteten, gut verpackten Box und wie immer war die Qualität der Platine fantastisch. Die Leiterplatte, die ich erhalten habe, ist unten dargestellt

Ich schaltete meinen Lötstab ein und begann mit der Montage der Platine. Da die Footprints, Pads, Vias und Siebdruck perfekt die richtige Form und Größe haben, hatte ich kein Problem damit, das Board zusammenzubauen. Meine am Lötschraubstock festgeklemmte Leiterplatte ist unten dargestellt.

Komponentenbeschaffung

Alle Komponenten für diese 12V 15W SMPS-Schaltung werden gemäß Schaltplan beschafft. Die detaillierte Stückliste finden Sie in der folgenden Excel-Datei zum Download.

• 15W SMPS Design - Stückliste

Fast alle Komponenten sind sofort verfügbar und können von der Stange verwendet werden. Möglicherweise haben Sie Probleme, den richtigen Transformator für dieses Projekt zu finden. Normalerweise ist für einen SMPS-Schaltkreis kein Flyback-Transformator direkt beim Hersteller erhältlich. In den meisten Fällen müssen Sie Ihren eigenen Transformator aufwickeln, wenn Sie effiziente Ergebnisse benötigen. Es ist jedoch auch in Ordnung, einen ähnlichen Rücklauftransformator zu verwenden, und Ihre Schaltung funktioniert weiterhin. Die ideale Spezifikation für unseren Transformator wird von der zuvor verwendeten PI Expert-Software bereitgestellt.

Das mechanische und elektrische Diagramm des Transformators von PI Expert ist unten dargestellt.

Wenn Sie nicht in der Lage sind, den richtigen Anbieter zu finden, können Sie einen Transformator von einem 12-V-Adapter oder anderen SMPS-Schaltkreisen retten. Alternativ können Sie auch Ihren eigenen Transformator kaufen, indem Sie die folgenden Materialien und Wicklungsanweisungen verwenden.

Sobald alle Komponenten beschafft sind, sollte die Montage einfach sein. Sie können die Gerber-Datei und die Stückliste als Referenz verwenden und die Leiterplatte zusammenbauen. Sobald dies erledigt ist, sieht meine PCB-Vorder- und Rückseite unten ungefähr so ​​aus

Testen unserer 15W SMPS-Schaltung

Jetzt, da unsere Strecke fertig ist, ist es Zeit, eine Runde zu drehen. Wir werden die Platine über einen VARIAC an unser Wechselstromnetz anschließen und die Ausgangsseite mit einer Lademaschine laden und die Welligkeitsspannung messen, um die Leistung unserer Schaltung zu überprüfen. Das Video zum vollständigen Testverfahren finden Sie auch am Ende dieser Seite. Das folgende Bild zeigt die mit einer Eingangswechselspannung von 230 V AC getestete Schaltung, für die wir einen Ausgang von 12,08 V erhalten

Messung der Welligkeitsspannung mit dem Oszilloskop

Um die Welligkeitsspannung mit einem Oszilloskop zu messen, ändern Sie den Eingang des Oszilloskops auf Wechselstrom mit einer Verstärkung von 1x. Schließen Sie dann einen Elektrolytkondensator mit niedrigem Wert und einen Keramikkondensator mit niedrigem Wert an, um Rauschunterdrückungen aufgrund von Verkabelungen zu erfassen. Weitere Informationen zu diesem Verfahren finden Sie auf Seite 40 dieses RDR-295-Dokuments von Power Integration.

Der folgende Schnappschuss wurde im Leerlauf sowohl mit 85 VAC als auch mit 230 VAC aufgenommen. Die Skala ist auf 10 mV pro Teilung eingestellt und wie Sie sehen können, beträgt die Welligkeit fast 10 mV pk-pk.

Bei 90 VAC Eingang und bei voller Last kann die Welligkeit bei etwa 20 mV pk-pk gesehen werden

Bei 230 VAC und bei Volllast wird die Welligkeitsspannung bei etwa 30 mV pk-pk gemessen, was der schlimmste Fall ist

Das ist es; Auf diese Weise können Sie Ihre eigene 12-V-SMPS-Schaltung entwerfen. Sobald Sie die Funktionsweise verstanden haben, können Sie den 12- V- SMPS-Schaltplan an Ihre Spannungs- und Leistungsanforderungen anpassen. Ich hoffe, Sie haben das Tutorial verstanden und es genossen, etwas Nützliches zu lernen. Wenn Sie Fragen haben, lassen Sie diese im Kommentarbereich oder nutzen Sie unsere Foren für technische Diskussionen. Wir sehen uns wieder mit einem anderen interessanten SMPS-Design, bis dahin abmelden….