Progettazione del circuito di alimentazione SMPS 12V 1A: 4 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:01

Hey ragazzi!

Ogni dispositivo o prodotto elettronico richiede un'unità di alimentazione affidabile (PSU) per funzionare. Quasi tutti i dispositivi della nostra casa, come TV, stampante, lettore musicale, ecc. sono costituiti da un alimentatore integrato che converte la tensione di rete CA in un livello adeguato di tensione CC per il loro funzionamento. Il tipo di circuito di alimentazione più comunemente usato è l'SMPS (Switching Mode Power Supply), puoi facilmente trovare questo tipo di circuiti nell'adattatore da 12 V o nel caricatore mobile/laptop. In questo tutorial, impareremo come costruire un circuito SMPS da 12 V che converta l'alimentazione di rete CA a 12 V CC con una corrente nominale massima di 1,25 A. Questo circuito può essere utilizzato per alimentare piccoli carichi o anche essere adattato in un caricabatterie per caricare batterie al piombo e al litio. Se questo circuito di alimentazione da 12 V 15 watt non corrisponde alle tue esigenze, puoi controllare vari circuiti di alimentazione con valori nominali diversi.

Passaggio 1: circuito SMPS 12v - Considerazioni sulla progettazione

Prima di procedere con qualsiasi tipo di progettazione dell'alimentatore, è necessario eseguire un'analisi dei requisiti in base all'ambiente in cui verrà utilizzato il nostro alimentatore. Diversi tipi di alimentazione funzionano in ambienti diversi e con limiti di ingresso-uscita specifici.

Specifica di ingresso:

Cominciamo con l'input. Una tensione di alimentazione in ingresso è la prima cosa che verrà utilizzata dall'SMPS e sarà trasformata in un valore utile per alimentare il carico. Poiché questo design è specificato per la conversione AC-DC, l'ingresso sarà corrente alternata (AC). Per l'India, l'ingresso CA è disponibile a 220-230 volt, per gli Stati Uniti è valutato per 110 volt. Ci sono anche altre nazioni che utilizzano diversi livelli di tensione. Generalmente, SMPS funziona con un intervallo di tensione di ingresso universale. Ciò significa che la tensione di ingresso può variare da 85 V CA a 265 V CA. SMPS può essere utilizzato in qualsiasi paese e potrebbe fornire un'uscita stabile a pieno carico se la tensione è compresa tra 85-265 V CA. L'SMPS dovrebbe funzionare normalmente anche sotto la frequenza di 50Hz e 60Hz. Questo è il motivo per cui siamo in grado di utilizzare i nostri caricabatterie per telefoni e laptop in qualsiasi paese.

Specifiche di uscita:

Sul lato di uscita, pochi carichi sono resistivi, pochi sono induttivi. A seconda del carico la costruzione di un SMPS può essere diversa. Per questo SMPS il carico è assunto come carico resistivo. Tuttavia, non c'è niente come un carico resistivo, ogni carico è costituito da almeno una certa quantità di induttanza e capacità; qui si assume che l'induttanza e la capacità del carico siano trascurabili.

La specifica di uscita di un SMPS è altamente affidabile dal carico, come la quantità di tensione e corrente richieste dal carico in tutte le condizioni operative. Per questo progetto, l'SMPS potrebbe fornire un'uscita di 15 W. È 12V e 1,25A. L'ondulazione di uscita mirata è selezionata come meno di 30 mV pk-pk a 20000 Hz di larghezza di banda.

Passaggio 2: selezione del CI di gestione dell'alimentazione

Ogni circuito SMPS richiede un IC di gestione dell'alimentazione noto anche come IC di commutazione o IC SMPS o IC Drier. Riassumiamo le considerazioni di progettazione per selezionare il CI di gestione dell'alimentazione ideale che sarà adatto al nostro progetto. I nostri requisiti di progettazione sono:

1. Uscita 15W. 12V 1,25A con ondulazione pk-pk inferiore a 30mV a pieno carico.
2. Valutazione ingresso universale.
3. Protezione contro le sovratensioni in ingresso.
4. Protezione da cortocircuito in uscita, sovratensione e sovracorrente.
5. Operazioni a tensione costante.

Dai requisiti di cui sopra c'è una vasta gamma di circuiti integrati tra cui scegliere, ma per questo progetto abbiamo selezionato l'integrazione di alimentazione. L'integrazione dell'alimentazione è un'azienda di semiconduttori che dispone di un'ampia gamma di circuiti integrati per driver di alimentazione in vari intervalli di potenza. In base ai requisiti e alla disponibilità, abbiamo deciso di utilizzare il TNY268PN delle famiglie di piccoli switch II.

Nell'immagine sopra è mostrata la potenza massima di 15W. Tuttavia, realizzeremo l'SMPS nel frame aperto e per il rating di ingresso universale. In un tale segmento, TNY268PN potrebbe fornire un'uscita di 15 W. Vediamo il diagramma dei pin.

Passaggio 3: schema e spiegazione del circuito SMPS da 12 V

Prima di passare direttamente alla costruzione della parte del prototipo, esploriamo lo schema del circuito 12v SMPS e il suo funzionamento. Il circuito ha le seguenti sezioni:

1. Protezione da sovratensione in ingresso e guasto SMPS
2. Conversione AC-DC
3. Filtro PI
4. Circuito del driver o circuito di commutazione
5. Protezione da blocco di sottotensione.
6. Circuito del morsetto
7. Isolamento magnetico e galvanico
8. Filtro EMI
9. Raddrizzatore secondario e circuito snubber
10. Sezione filtro

Protezione da sovratensione in ingresso e guasto SMPS

Questa sezione è composta da due componenti, F1 e RV1. F1 è un fusibile ad azione lenta da 1 A 250 V CA e RV1 è un MOV (varistore all'ossido di metallo) da 7 mm 275 V. Durante un picco di alta tensione (più di 275 VAC), il MOV è diventato corto e fa saltare il fusibile di ingresso. Tuttavia, grazie alla funzione di intervento lento, il fusibile resiste alla corrente di spunto attraverso l'SMPS.

Conversione AC-DC

Questa sezione è governata dal ponte a diodi. Questi quattro diodi (all'interno del DB107) formano un raddrizzatore a ponte intero. I diodi sono 1N4006, ma lo standard 1N4007 può svolgere perfettamente il lavoro. In questo progetto, questi quattro diodi vengono sostituiti con un raddrizzatore a ponte intero DB107.

Filtro PI

Stati diversi hanno standard di rifiuto EMI diversi. Questo design conferma lo standard EN61000-Classe 3 e il filtro PI è progettato in modo tale da ridurre la reiezione EMI di modo comune. Questa sezione viene creata utilizzando C1, C2 e L1. C1 e C2 sono condensatori da 400V 18uF. È un valore dispari, quindi per questa applicazione è selezionato 22uF 400V. L1 è un'induttanza di modo comune che accetta il segnale EMI differenziale per annullare entrambi.

Circuito del driver o circuito di commutazione

È il cuore di un SMPS. Il lato primario del trasformatore è controllato dal circuito di commutazione TNY268PN. La frequenza di commutazione è 120-132khz. A causa di questa elevata frequenza di commutazione, è possibile utilizzare trasformatori più piccoli. Il circuito di commutazione ha due componenti, U1 e C3. U1 è il driver principale di IC TNY268PN. Il C3 è il condensatore di bypass necessario per il funzionamento del nostro driver IC.

Protezione da blocco di sottotensione

La protezione dal blocco di sottotensione viene eseguita dal resistore di rilevamento R1 e R2. Viene utilizzato quando l'SMPS entra in modalità di riavvio automatico e rileva la tensione di linea.

Circuito del morsetto

D1 e D2 sono il circuito di clamp. D1 è il diodo TVS e D2 è un diodo di recupero ultrarapido. Il trasformatore agisce come un enorme induttore attraverso il driver di alimentazione IC TNY268PN. Pertanto, durante il ciclo di spegnimento, il trasformatore crea picchi di alta tensione dovuti all'induttanza di dispersione del trasformatore. Questi picchi di tensione ad alta frequenza vengono soppressi dal morsetto del diodo attraverso il trasformatore. UF4007 è selezionato per il recupero ultrarapido e P6KE200A è selezionato per il funzionamento TVS.

Isolamento magnetico e galvanico

Il trasformatore è un trasformatore ferromagnetico e non solo converte la corrente alternata ad alta tensione in una corrente alternata a bassa tensione, ma fornisce anche isolamento galvanico.

Filtro EMI

Il filtraggio EMI è effettuato dal condensatore C4. Aumenta l'immunità del circuito per ridurre l'elevata interferenza EMI.

Raddrizzatore secondario e circuito snubber

L'uscita dal trasformatore viene rettificata e convertita in corrente continua utilizzando D6, un diodo raddrizzatore Schottky. Il circuito snubber attraverso il D6 fornisce la soppressione del transitorio di tensione durante le operazioni di commutazione. Il circuito snubber è costituito da un resistore e un condensatore, R3 e C5.

Sezione filtro

La sezione del filtro è costituita da un condensatore di filtro C6. È un condensatore a bassa ESR per una migliore reiezione dell'ondulazione. Inoltre, un filtro LC che utilizza L2 e C7 fornisce una migliore reiezione dell'ondulazione sull'uscita.

Passaggio 4: produzione PCB

Puoi disegnare lo schema PCB con qualsiasi software a tuo piacimento e inviarlo a un produttore di PCB di tua scelta. Ho un Gerber pronto, posso condividerlo.

Consiglierei LIONCIRCUITS in quanto hanno un servizio di produzione a basso costo per prototipi che è davvero buono per persone come noi appassionati di fai da te. Hanno una piattaforma online automatizzata in cui puoi caricare i tuoi file Gerber ed effettuare un ordine online. La spedizione in tutta l'India è gratuita.