12V 1A SMPS -virtalähteen rakenne: 4 vaihetta

2024 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-30 09:01

Hei kaverit!

Jokainen elektroninen laite tai tuote tarvitsee luotettavan virtalähteen (PSU) sen käyttöön. Lähes kaikki kodissamme olevat laitteet, kuten televisio, tulostin, musiikkisoitin jne., Koostuvat siihen rakennetusta virtalähteestä, joka muuntaa verkkovirtajännitteen sopivalle tasavirtajännitteelle. Yleisimmin käytetty virtalähdetyyppi on SMPS (Switching Mode Power Supply), voit helposti löytää tämän tyyppiset piirit 12 V: n sovittimestasi tai matkapuhelimesta/kannettavasta laturista. Tässä opetusohjelmassa opimme rakentamaan 12 V: n SMPS -piirin, joka muuntaa verkkovirran 12 V DC: ksi ja jonka maksimivirta on 1,25 A. Tätä piiriä voidaan käyttää pienten kuormien syöttämiseen tai jopa sovittaa laturiksi lyijy- ja litiumakkujen lataamiseen. Jos tämä 12 voltin 15 watin virtalähdepiiri ei vastaa vaatimuksiasi, voit tarkistaa eri virtalähdepiirit eri luokituksilla.

Vaihe 1: 12 V: n SMPS -piiri - suunnittelunäkökohdat

Ennen minkäänlaisen virtalähteen suunnittelun aloittamista, tarveanalyysi on tehtävä sen ympäristön perusteella, jossa virtalähdettämme käytetään. Erilaiset virtalähteet toimivat eri ympäristöissä ja niillä on erityiset tulo-lähtörajat.

Tulon erittely:

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 tulovirta on saatavana 220-230 voltin jännitteellä, Yhdysvalloissa 110 voltin jännitteellä. On myös muita maita, jotka käyttävät eri jännitetasoja. Yleensä SMPS toimii yleisellä tulojännitealueella. Tämä tarkoittaa sitä, että tulojännite voi vaihdella 85 V: n ja 265 V: n välillä. SMPS: ää voidaan käyttää missä tahansa maassa ja se voi tarjota vakaan lähdön täydellä kuormalla, jos jännite on välillä 85-265V AC. SMPS: n pitäisi myös toimia normaalisti myös alle 50 Hz: n ja 60 Hz: n taajuudella. Tästä syystä voimme käyttää puhelin- ja kannettavia latureitamme missä tahansa maassa.

Lähtötiedot:

Lähtöpuolella harvat kuormat ovat resistiivisiä, harvat ovat induktiivisia. Kuormasta riippuen SMPS: n rakenne voi olla erilainen. Tässä SMPS: ssä kuorman oletetaan olevan resistiivinen kuorma. Kuitenkin, ei ole mitään vastaavan kuorman kaltaista, jokainen kuorma koostuu ainakin jonkin verran induktanssista ja kapasitanssista; tässä oletetaan, että kuorman induktanssi ja kapasitanssi ovat vähäisiä.

SMPS: n lähtötiedot ovat erittäin luotettavia kuormituksesta, kuten kuinka paljon jännitettä ja virtaa kuormitus vaatii kaikissa käyttöolosuhteissa. Tätä projektia varten SMPS voisi tarjota 15 W: n tehon. Se on 12V ja 1,25A. Kohdistettu lähtöaalto valitaan pienemmäksi kuin 30 mV pk-pk 20000 Hz: n kaistanleveydellä.

Vaihe 2: Virranhallintapiirin valinta

Jokainen SMPS -piiri vaatii virranhallinta -IC: n, joka tunnetaan myös nimellä kytkentä- tai SMPS -IC tai kuivauspiiri. Tehdään yhteenveto suunnittelunäkökohdista valitaksemme ihanteellisen virranhallintapiirin, joka sopii suunnitteluumme. Suunnitteluvaatimuksemme ovat:

1. Teho 15W. 12 V 1,25 A, alle 30 mV pk-pk-aaltoilu täydellä kuormalla.
2. Yleinen tuloluokitus.
3. Tulon ylijännitesuoja.
4. Lähdön oikosulku, ylijännite- ja ylivirtasuoja.
5. Jatkuva jännite.

Edellä olevista vaatimuksista on laaja valikoima IC -laitteita, mutta tässä projektissa olemme valinneet Power -integroinnin. Power Integration on puolijohdeyritys, jolla on laaja valikoima tehonohjainpiirejä eri tehoalueilla. Vaatimusten ja saatavuuden perusteella olemme päättäneet käyttää TNY268PN: tä pienistä kytkin II -perheistä.

Yllä olevassa kuvassa näkyy suurin teho 15W. Teemme kuitenkin SMPS: n avoimessa kehyksessä ja yleisellä syöttöluokituksella. Tällaisessa segmentissä TNY268PN voisi tarjota 15 W: n tehon. Katsotaan nastakaaviota.

Vaihe 3: 12 V: n SMPS -piirikaavio ja selitys

Ennen kuin ryhdymme suoraan prototyyppiosan rakentamiseen, tutkitaan 12 V: n SMPS -piirikaavio ja sen toiminta. Piirissä on seuraavat osat:

1. Tulon ylijännite ja SMPS -vikasuoja
2. AC-DC-muunnos
3. PI -suodatin
4. Ohjainpiiri tai kytkentäpiiri
5. Alijännitesulkusuoja.
6. Puristinpiiri
7. Magneetti ja galvaaninen eristys
8. EMI -suodatin
9. Toissijainen tasasuuntaaja ja snubber -piiri
10. Suodatinosa

Tulon ylijännite ja SMPS -vikasuoja

Tämä osa koostuu kahdesta osasta, F1 ja RV1. F1 on 1A 250VAC hitaasti puhaltava sulake ja RV1 on 7mm 275V MOV (metallioksidivaristori). Korkean jännitteen nousun aikana (yli 275 VAC) MOV muuttui kuolleeksi lyhyeksi ja puhaltaa tulosulakkeen. Kuitenkin hitaan puhallustoiminnon vuoksi sulake kestää SMPS: n kautta tapahtuvan käynnistysvirran.

AC-DC-muunnos

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

PI -suodatin

Eri maissa on erilaisia EMI -hylkäysstandardeja. Tämä rakenne vahvistaa EN61000-luokan 3 standardin ja PI-suodatin on suunniteltu siten, että se vähentää yhteismoodin EMI-hylkäystä. Tämä osio on luotu käyttämällä C1, C2 ja L1. C1 ja C2 ovat 400 V 18uF kondensaattoreita. Arvo on pariton, joten tähän sovellukseen on valittu 22uF 400V. L1 on yleistilainen kuristin, joka vaatii differentiaalisen EMI -signaalin kumotakseen molemmat.

Ohjainpiiri tai kytkentäpiiri

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

Alijännitesulkusuoja

Alijännitesulkusuojaus suoritetaan tunnistusvastuksilla R1 ja R2. Sitä käytetään, kun SMPS siirtyy automaattiseen uudelleenkäynnistystilaan ja tunnistaa verkkojännitteen.

Puristinpiiri

D1 ja D2 ovat puristuspiiri. D1 on TVS-diodi ja D2 on erittäin nopea palautusdiodi. Muuntaja toimii valtavana induktorina tehonohjaimen IC TNY268PN poikki. Siksi katkaisijakson aikana muuntaja muodostaa suurjännitepiikkejä muuntajan vuotoinduktanssin vuoksi. Nämä korkeataajuiset jännitepiikit tukahdutetaan diodipuristimella muuntajan poikki. UF4007 on valittu erittäin nopean palautuksen vuoksi ja P6KE200A on valittu TVS-toimintoa varten.

Magneetti ja galvaaninen eristys

Muuntaja on ferromagneettinen muuntaja, ja se ei ainoastaan muunna suurjännitevirtaa matalajännitteiseksi AC: ksi, vaan tarjoaa myös galvaanisen eristyksen.

EMI -suodatin

EMI -suodatus suoritetaan C4 -kondensaattorilla. Se lisää piirin koskemattomuutta vähentääkseen suuria EMI -häiriöitä.

Toissijainen tasasuuntaaja ja Snubber -piiri

Muuntajan lähtö oikaistaan ja muunnetaan tasavirtaksi käyttämällä Schottky -tasasuuntaajan D6 -diodia. D6: n poikkileikkaava virtapiiri estää jännitehäiriön kytkemisen aikana. Snubber -piiri koostuu yhdestä vastuksesta ja yhdestä kondensaattorista, R3 ja C5.

Suodatinosa

Suodatinosa koostuu suodatinkondensaattorista C6. Se on matala ESR -kondensaattori, joka parantaa aaltoilun hylkäämistä. Lisäksi LC -suodatin, joka käyttää L2: ta ja C7: tä, tarjoaa paremman aaltoilun hylkäyksen koko ulostulossa.

Vaihe 4: Piirilevyjen valmistus

Voit piirtää piirilevykaavion millä tahansa sopivalla ohjelmistolla ja lähettää sen valitsemallesi piirilevyvalmistajalle. Minulla on Gerber valmiina, voin jakaa sen.

Suosittelen LIONCIRCUITSia, koska niillä on edullinen prototyyppien valmistuspalvelu, joka on todella hyvä kaltaisillemme DIY-harrastajille. Heillä on automaattinen online -alusta, johon voit ladata Gerber -tiedostosi ja tehdä online -tilauksen. Toimitus koko Intiaan on ilmainen.