基于PCB的12V 1A SMPS電源電路設(shè)計

時間：2024-12-10 16:52:06

關(guān)鍵字： SMPS電源電路適配器鋰電池

手機看文章

掃描二維碼
隨時隨地手機看文章

[導(dǎo)讀]每個電子設(shè)備或產(chǎn)品都需要可靠的電源供應(yīng)單元(PSU)來運行。我們家里幾乎所有的設(shè)備，如電視、打印機、音樂播放器等，都有一個內(nèi)置的電源單元，它可以將交流電源電壓轉(zhuǎn)換成合適的直流電壓，使它們工作。最常用的電源電路類型是SMPS(開關(guān)模式電源)，你可以很容易地在你的12V適配器或移動/筆記本電腦充電器中找到這種類型的電路。在本教程中，我們將學(xué)習(xí)如何構(gòu)建一個12v SMPS電路，將交流市電轉(zhuǎn)換為12v直流，最大額定電流為1.25A。這種電路可以用來為小型負(fù)載供電，甚至可以改裝成充電器，為鉛酸電池和鋰電池充電。如果這個12v 15w的供電電路不符合您的要求，您可以檢查不同額定值的各種供電電路。

每個電子設(shè)備或產(chǎn)品都需要可靠的電源供應(yīng)單元(PSU)來運行。我們家里幾乎所有的設(shè)備，如電視、打印機、音樂播放器等，都有一個內(nèi)置的電源單元，它可以將交流電源電壓轉(zhuǎn)換成合適的直流電壓，使它們工作。最常用的電源電路類型是SMPS(開關(guān)模式電源)，你可以很容易地在你的12V適配器或移動/筆記本電腦充電器中找到這種類型的電路。在本教程中，我們將學(xué)習(xí)如何構(gòu)建一個12v SMPS電路，將交流市電轉(zhuǎn)換為12v直流，最大額定電流為1.25A。這種電路可以用來為小型負(fù)載供電，甚至可以改裝成充電器，為鉛酸電池和鋰電池充電。如果這個12v 15w的供電電路不符合您的要求，您可以檢查不同額定值的各種供電電路。

12v SMPS電路-設(shè)計注意事項

在進行任何類型的電源設(shè)計之前，必須根據(jù)我們的電源將被使用的環(huán)境進行需求分析。不同類型的電源工作在不同的環(huán)境中，有特定的輸入輸出邊界。

輸入規(guī)格

讓我們從輸入開始。輸入電源電壓是SMPS使用的第一件事，它將被轉(zhuǎn)換成一個有用的值來饋送負(fù)載。由于本設(shè)計指定用于交流-直流轉(zhuǎn)換，因此輸入將為交流電(AC)。對于印度，輸入交流電壓為220-230伏，對于美國，它的額定電壓為110伏。也有其他國家使用不同的電壓等級。一般來說，SMPS工作在通用輸入電壓范圍內(nèi)。這意味著輸入電壓可以從85V AC到265V AC不等。SMPS可以在任何國家使用，如果電壓在85-265V AC之間，則可以提供滿負(fù)荷穩(wěn)定輸出。SMPS也應(yīng)該在50Hz和60Hz頻率下正常工作。這就是為什么我們可以在任何國家使用手機和筆記本電腦充電器的原因。

輸出規(guī)范

在輸出端，很少有電阻性負(fù)載，也很少有感性負(fù)載。根據(jù)負(fù)載的不同，SMPS的構(gòu)造可能會有所不同。對于這種SMPS，假定負(fù)載為電阻性負(fù)載。然而，沒有什么像一個電阻負(fù)載，每個負(fù)載由至少一定量的電感和電容;這里假定負(fù)載的電感和電容可以忽略不計。

SMPS的輸出規(guī)格高度依賴于負(fù)載，例如負(fù)載在所有工作條件下需要多少電壓和電流。在這個項目中，SMPS可以提供15W的輸出。它是12V和1.25A。在20000hz帶寬下，目標(biāo)輸出紋波被選擇為小于30mV pk-pk。

根據(jù)輸出負(fù)載的不同，我們還必須決定是設(shè)計恒壓SMPS還是恒流SMPS。恒壓是指負(fù)載兩端的電壓保持恒定，電流隨著負(fù)載電阻的變化而相應(yīng)變化。另一方面，恒流模式允許電流保持恒定，但隨著負(fù)載電阻的變化而相應(yīng)地改變電壓。此外，CV和CC都可以在SMPS中使用，但它們不能在同一時間內(nèi)工作。當(dāng)兩個選項都存在于SMPS中時，需要有一個范圍，當(dāng)SMPS將其輸出操作從CV更改為CC，反之亦然。通常CC和CV模式充電器用于給鉛酸電池或鋰電池充電。

輸入和輸出保護功能

SMPS上可以采用各種保護電路，以實現(xiàn)更安全可靠的操作。保護電路保護SMPS以及連接的負(fù)載。根據(jù)位置的不同，保護電路可以跨輸入或跨輸出連接。最常見的輸入保護是浪涌保護和電磁干擾濾波器。浪涌保護保護SMPS免受輸入浪涌或交流過壓的影響。電磁干擾濾波器保護SMPS免受輸入線產(chǎn)生的電磁干擾。在這個項目中，這兩個特性都可用。輸出保護包括短路保護、過壓保護和過流保護。該SMPS設(shè)計還將包括所有這些保護電路。

電源管理IC的選擇

每個SMPS電路都需要一個電源管理IC，也稱為開關(guān)IC或SMPS IC或德里亞IC。讓我們總結(jié)設(shè)計考慮因素，以選擇適合我們設(shè)計的理想電源管理IC。我們的設(shè)計要求是

1.15 w的輸出。12V 1.25A，滿載時脈動小于30mV。

2.通用輸入額定。

3.輸入防雷保護。

4.輸出短路、過壓、過流保護。

5.恒壓操作。

從上述要求中有廣泛的ic可供選擇，但對于這個項目，我們選擇了電源集成。功率集成是一家半導(dǎo)體公司，擁有各種功率輸出范圍的各種功率驅(qū)動ic。根據(jù)需求和可用性，我們決定使用微型開關(guān)II系列的TNY268PN。

在上圖中，最大功率為15W。然而，我們將使SMPS在開放幀和通用輸入額定值。在此段中，TNY268PN可提供15W輸出。讓我們看看引腳圖。

12v 1Amp SMPS電路的設(shè)計

構(gòu)建電路的最佳方法是使用Power integration的PI專家軟件。是一款優(yōu)秀的電源設(shè)計軟件。該電路是使用電源集成IC構(gòu)建的。下面解釋了設(shè)計過程，或者您也可以向下滾動查看解釋相同的視頻。

步驟-1：選擇微型開關(guān)II，并選擇所需的封裝。我們選擇了DIP包。選擇外殼類型，適配器或開放框架。這里選擇Open Frame。

然后選擇反饋類型。當(dāng)使用反激拓?fù)鋾r，它是必不可少的。TL431是一個很好的反饋選擇。TL431是一個分流穩(wěn)壓器，它將提供出色的過電壓保護和準(zhǔn)確的輸出電壓。

步驟2：選擇輸入電壓范圍。由于它將是通用輸入SMPS，因此輸入電壓選擇為85-265V AC，“線路頻率”為50hz。

步驟3:

選擇輸出電壓、電流和瓦數(shù)。SMPS額定電壓為12V 1.25A。瓦數(shù)顯示為15W。工作模式也可選擇CV，即恒壓工作模式。最后，通過三個簡單的步驟完成所有工作，并生成原理圖。

12V SMPS電路圖及說明

下面的電路稍作修改以適應(yīng)我們的項目。

在直接進入構(gòu)建原型部分之前，讓我們探索12v SMPS電路圖及其操作。電路由以下幾個部分組成

?輸入浪涌和SMPS故障保護

?交直流轉(zhuǎn)換

?π過濾器

?驅(qū)動電路或開關(guān)電路

?欠壓閉鎖保護。

?鉗位電路

?磁學(xué)和電流隔離

?EMI濾波器

?二次整流器和緩沖電路

?過濾部分

?反饋部分。

輸入浪涌和SMPS故障保護

本節(jié)由F1和RV1兩部分組成。F1是1A 250VAC慢熔保險絲，RV1是7mm 275V MOV(金屬氧化物壓敏電阻)。在高壓浪涌期間(超過275VAC)， MOV變得死短并擊穿輸入保險絲。然而，由于慢熔特性，保險絲可以承受通過SMPS的浪涌電流。

交直流轉(zhuǎn)換

這部分由二極管橋控制。這四個二極管(DB107內(nèi)部)構(gòu)成一個全橋整流器。二極管是1N4006，但標(biāo)準(zhǔn)的1N4007可以完美地完成這項工作。在這個項目中，這四個二極管被一個全橋整流器DB107取代。

π過濾器

不同的州有不同的電磁干擾抑制標(biāo)準(zhǔn)。本設(shè)計符合en61000 3類標(biāo)準(zhǔn)，PI濾波器設(shè)計以降低共模EMI抑制。本節(jié)是使用C1、C2和L1創(chuàng)建的。C1和C2是400V 18uF電容器。這是一個奇數(shù)值，所以22uF 400V選擇用于此應(yīng)用。L1是一個共模扼流圈，需要差分EMI信號來抵消兩者。

驅(qū)動電路或開關(guān)電路

它是SMPS的核心。變壓器一次側(cè)由開關(guān)電路TNY268PN控制。開關(guān)頻率為120-132khz。由于這種高開關(guān)頻率，可以使用較小的變壓器。開關(guān)電路由U1和C3兩部分組成。U1是主要驅(qū)動IC TNY268PN。C3是我們的驅(qū)動IC工作所需的旁路電容器。

欠壓閉鎖保護

欠壓閉鎖保護由感測電阻R1和R2完成。當(dāng)SMPS進入自動重啟模式并檢測線路電壓時使用。

鉗位電路

D1和D2為箝位電路。D1是TVS二極管，D2是超快速恢復(fù)二極管。變壓器在功率驅(qū)動IC TNY268PN上充當(dāng)巨大的電感器。因此，在開斷周期期間，由于變壓器的漏感，變壓器會產(chǎn)生高電壓尖峰。這些高頻電壓尖峰被變壓器上的二極管鉗位抑制。由于恢復(fù)速度超快，選擇了UF4007，電視機操作選擇了P6KE200A。

磁學(xué)和電流隔離

變壓器是一種鐵磁變壓器，它不僅將高壓交流電轉(zhuǎn)換為低壓交流電，而且還提供電流隔離。

EMI濾波器

電磁干擾濾波是由C4電容完成的。提高了電路的抗擾度，降低了高電磁干擾。

二次整流器和緩沖器電路

變壓器的輸出通過肖特基整流二極管D6進行整流并轉(zhuǎn)換為直流電。橫跨D6的緩沖電路在開關(guān)操作期間提供電壓瞬態(tài)抑制。緩沖電路由一個電阻和一個電容、R3和C5組成。

過濾部分

所述濾波部分包括濾波電容器C6。它是一個低ESR電容更好的紋波抑制。此外，使用L2和C7的LC濾波器在輸出端提供更好的紋波抑制。

反饋部分

輸出電壓由U3 TL431和R6、R7檢測。在感應(yīng)到線路U2后，對光耦合器進行控制，并將次級反饋感應(yīng)部分與主側(cè)控制器進行電隔離。光耦合器內(nèi)部有一個晶體管和一個LED。通過控制LED，可以控制晶體管。由于通信是通過光學(xué)進行的，因此沒有直接的電連接，因此也滿足了反饋電路上的電流隔離。

現(xiàn)在，由于LED直接控制晶體管，通過在光耦LED上提供足夠的偏置，可以控制光耦晶體管，更具體地說是驅(qū)動電路。該控制系統(tǒng)采用TL431單片機。由于分流穩(wěn)壓器在其參考引腳上有一個電阻分壓器，它可以控制連接在其上的光耦合器led。反饋引腳的參考電壓為2.5V。因此，TL431只有在分壓器上的電壓足夠時才能被激活。在我們的例子中，分壓器設(shè)置為12V的值。因此，當(dāng)輸出達到12V時，TL431通過參考引腳獲得2.5V，從而激活光耦合器的LED，該LED控制光耦合器的晶體管并間接控制TNY268PN。如果輸出端的電壓不足，則開關(guān)周期立即中止。

首先，TNY268PN激活開關(guān)的第一個周期，然后感知它的EN引腳。如果一切正常，它將繼續(xù)切換，如果不正常，它將在一段時間后再次嘗試。這個循環(huán)一直持續(xù)到一切正常，從而防止短路或過電壓問題。這就是為什么它被稱為反激拓?fù)?，因為輸出電壓被飛回驅(qū)動器的傳感相關(guān)操作。同樣，嘗試循環(huán)也被稱為故障條件下的hiccup操作模式。

D3是一個肖特基勢壘二極管。這個二極管將高頻交流輸出轉(zhuǎn)換成直流輸出。選用3A 60V肖特基二極管，工作可靠。R4和R5由PI Expert選擇和計算。它創(chuàng)建了一個分壓器，并將電流從TL431傳遞到光耦合器LED。

R6和R7是一個簡單的分壓器，計算公式TL431 REF電壓= (Vout x R7) / R6 + R7。參考電壓為2.5V， Vout為12V。選取R6的值為23.7k，則R7約為9.09k。

用于12v1a SMPS電路的PCB制作

現(xiàn)在我們了解了原理圖是如何工作的，我們可以繼續(xù)為我們的SMPS構(gòu)建PCB。由于這是一個SMPS電路，建議使用PCB，因為它可以處理噪聲和隔離問題。上述電路的PCB布局也可從鏈接下載

下載15W SMPS電路的Gerber文件

現(xiàn)在，我們的設(shè)計已經(jīng)準(zhǔn)備好了，是時候使用Gerber文件來制作它們了。要完成PCB很容易，只需遵循以下步驟

第一步：登錄，如果是第一次，就注冊。然后，在PCB Prototype選項卡中輸入PCB的尺寸，層數(shù)和所需PCB的數(shù)量。假設(shè)PCB是80cm×80cm，您可以設(shè)置如下所示的尺寸。

步驟2：點擊Quote Now按鈕繼續(xù)。你將被帶到一個頁面，在那里設(shè)置一些額外的參數(shù)，如果需要，如所用的材料軌道間距等。但大多數(shù)情況下，默認(rèn)值可以正常工作。我們唯一要考慮的是價格和時間。正如你所看到的，構(gòu)建時間只有2-3天，而我們的PSB只需要5美元。然后，您可以根據(jù)您的需求選擇首選的運輸方式。

步驟3：最后一步是上傳Gerber文件并繼續(xù)付款。為了確保過程順利，PCBGOGO在繼續(xù)付款之前會驗證您的Gerber文件是否有效。這樣你就可以確保你的PCB是制造友好的，并將達到你的承諾。

組裝PCB

在訂購了電路板之后，幾天后，它通過快遞到達了我手中，包裹在一個標(biāo)簽整齊、包裝良好的盒子里，和往常一樣，PCB的質(zhì)量非常好。我收到的PCB如下所示

我打開焊條，開始組裝電路板。由于腳印，墊，過孔和絲網(wǎng)是完美的正確的形狀和大小，我沒有問題組裝板。我的PCB夾在焊鉗如下所示。

零部件采購

這個12v 15w SMPS電路的所有組件都是根據(jù)原理圖采購的。詳細(xì)的BOM可以在下面的excel文件中下載。

幾乎所有的組件都是現(xiàn)成的。您可能會在為這個項目找到合適的變壓器時遇到麻煩。通常對于SMPS電路，開關(guān)反激式變壓器不能直接從供應(yīng)商處獲得，在大多數(shù)情況下，如果需要有效的結(jié)果，您必須自己繞組變壓器。然而，它也可以使用類似的反激變壓器，你的電路仍然會工作。我們的變壓器的理想規(guī)格將由我們之前使用的PI Expert軟件提供。

從PI Expert獲得的變壓器的機械和電氣圖如下所示。

如果您無法找到合適的供應(yīng)商，您可以從12V適配器或其他SMPS電路中挽救變壓器。或者，您也可以使用以下材料和繞組說明來構(gòu)建自己的變壓器。

一旦采購了所有的部件，組裝它們應(yīng)該很容易。您可以參考Gerber文件和BOM，組裝PCB板。一旦完成我的PCB正面和背面看起來像下面這樣

測試我們的15W SMPS電路

現(xiàn)在我們的電路已經(jīng)準(zhǔn)備好了，是時候試駕了。我們將通過VARIAC將電路板連接到交流電源，并用負(fù)載機加載輸出側(cè)，并測量紋波電壓以檢查電路的性能。完整的測試過程視頻也可以在本頁的末尾找到。下圖顯示了在輸入交流電壓為230V AC時測試的電路，我們得到了12.08V的輸出