基于PCB的12V 1A SMPS電源電路設(shè)計(jì)

時(shí)間：2024-12-10 16:52:06

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[導(dǎo)讀]每個(gè)電子設(shè)備或產(chǎn)品都需要可靠的電源供應(yīng)單元(PSU)來(lái)運(yùn)行。我們家里幾乎所有的設(shè)備，如電視、打印機(jī)、音樂(lè)播放器等，都有一個(gè)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(dòng)/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(gè)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(lái)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(gè)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(gè)電子設(shè)備或產(chǎn)品都需要可靠的電源供應(yīng)單元(PSU)來(lái)運(yùn)行。我們家里幾乎所有的設(shè)備，如電視、打印機(jī)、音樂(lè)播放器等，都有一個(gè)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(dòng)/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(gè)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(lái)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(gè)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(jì)注意事項(xiàng)

在進(jìn)行任何類型的電源設(shè)計(jì)之前，必須根據(jù)我們的電源將被使用的環(huán)境進(jìn)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(gè)有用的值來(lái)饋送負(fù)載。由于本設(shè)計(jì)指定用于交流-直流轉(zhuǎn)換，因此輸入將為交流電(AC)。對(duì)于印度，輸入交流電壓為220-230伏，對(duì)于美國(guó)，它的額定電壓為110伏。也有其他國(guó)家使用不同的電壓等級(jí)。一般來(lái)說(shuō)，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(guó)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(guó)家使用手機(jī)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(huì)有所不同。對(duì)于這種SMPS，假定負(fù)載為電阻性負(fù)載。然而，沒(méi)有什么像一個(gè)電阻負(fù)載，每個(gè)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(jì)。

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(gè)項(xiàng)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(jì)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(shí)間內(nèi)工作。當(dāng)兩個(gè)選項(xiàng)都存在于SMPS中時(shí)，需要有一個(gè)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(hù)功能

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

電源管理IC的選擇

每個(gè)SMPS電路都需要一個(gè)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(jì)考慮因素，以選擇適合我們?cè)O(shè)計(jì)的理想電源管理IC。我們的設(shè)計(jì)要求是

1.15 w的輸出。12V 1.25A，滿載時(shí)脈動(dòng)小于30mV。

2.通用輸入額定。

3.輸入防雷保護(hù)。

4.輸出短路、過(guò)壓、過(guò)流保護(hù)。

5.恒壓操作。

從上述要求中有廣泛的ic可供選擇，但對(duì)于這個(gè)項(xiàng)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(dòng)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(jì)

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(jì)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(jì)過(guò)程，或者您也可以向下滾動(dòng)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(shí)，它是必不可少的。TL431是一個(gè)很好的反饋選擇。TL431是一個(gè)分流穩(wěn)壓器，它將提供出色的過(guò)電壓保護(hù)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(guò)三個(gè)簡(jiǎn)單的步驟完成所有工作，并生成原理圖。

12V SMPS電路圖及說(shuō)明

下面的電路稍作修改以適應(yīng)我們的項(xiàng)目。

在直接進(jìn)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(gè)部分組成

?輸入浪涌和SMPS故障保護(hù)

?交直流轉(zhuǎn)換

?π過(guò)濾器

?驅(qū)動(dòng)電路或開關(guān)電路

?欠壓閉鎖保護(hù)。

?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(guò)濾部分

?反饋部分。

輸入浪涌和SMPS故障保護(hù)

本節(jié)由F1和RV1兩部分組成。F1是1A 250VAC慢熔保險(xiǎn)絲，RV1是7mm 275V MOV(金屬氧化物壓敏電阻)。在高壓浪涌期間(超過(guò)275VAC)， MOV變得死短并擊穿輸入保險(xiǎn)絲。然而，由于慢熔特性，保險(xiǎn)絲可以承受通過(guò)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(gè)二極管(DB107內(nèi)部)構(gòu)成一個(gè)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(xiàng)工作。在這個(gè)項(xiàng)目中，這四個(gè)二極管被一個(gè)全橋整流器DB107取代。

π過(guò)濾器

不同的州有不同的電磁干擾抑制標(biāo)準(zhǔn)。本設(shè)計(jì)符合en61000 3類標(biāo)準(zhǔn)，PI濾波器設(shè)計(jì)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(gè)奇數(shù)值，所以22uF 400V選擇用于此應(yīng)用。L1是一個(gè)共模扼流圈，需要差分EMI信號(hào)來(lái)抵消兩者。

驅(qū)動(dòng)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(dòng)IC TNY268PN。C3是我們的驅(qū)動(dòng)IC工作所需的旁路電容器。

欠壓閉鎖保護(hù)

欠壓閉鎖保護(hù)由感測(cè)電阻R1和R2完成。當(dāng)SMPS進(jìn)入自動(dòng)重啟模式并檢測(cè)線路電壓時(shí)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(dòng)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(huì)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(jī)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(guò)肖特基整流二極管D6進(jìn)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(gè)電阻和一個(gè)電容、R3和C5組成。

過(guò)濾部分

所述濾波部分包括濾波電容器C6。它是一個(gè)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(cè)。在感應(yīng)到線路U2后，對(duì)光耦合器進(jìn)行控制，并將次級(jí)反饋感應(yīng)部分與主側(cè)控制器進(jìn)行電隔離。光耦合器內(nèi)部有一個(gè)晶體管和一個(gè)LED。通過(guò)控制LED，可以控制晶體管。由于通信是通過(guò)光學(xué)進(jìn)行的，因此沒(méi)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(guò)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(shuō)是驅(qū)動(dòng)電路。該控制系統(tǒng)采用TL431單片機(jī)。由于分流穩(wěn)壓器在其參考引腳上有一個(gè)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(shí)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(dá)到12V時(shí)，TL431通過(guò)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(gè)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(shí)間后再次嘗試。這個(gè)循環(huán)一直持續(xù)到一切正常，從而防止短路或過(guò)電壓?jiǎn)栴}。這就是為什么它被稱為反激拓?fù)?，因?yàn)檩敵鲭妷罕伙w回驅(qū)動(dòng)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(gè)肖特基勢(shì)壘二極管。這個(gè)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(jì)算。它創(chuàng)建了一個(gè)分壓器，并將電流從TL431傳遞到光耦合器LED。

R6和R7是一個(gè)簡(jiǎn)單的分壓器，計(jì)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(gè)SMPS電路，建議使用PCB，因?yàn)樗梢蕴幚碓肼暫透綦x問(wèn)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(jì)已經(jīng)準(zhǔn)備好了，是時(shí)候使用Gerber文件來(lái)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(cè)。然后，在PCB Prototype選項(xiàng)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(diǎn)擊Quote Now按鈕繼續(xù)。你將被帶到一個(gè)頁(yè)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(jià)格和時(shí)間。正如你所看到的，構(gòu)建時(shí)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(yùn)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(guò)程順利，PCBGOGO在繼續(xù)付款之前會(huì)驗(yàn)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(dá)到你的承諾。

組裝PCB

在訂購(gòu)了電路板之后，幾天后，它通過(guò)快遞到達(dá)了我手中，包裹在一個(gè)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(guò)孔和絲網(wǎng)是完美的正確的形狀和大小，我沒(méi)有問(wèn)題組裝板。我的PCB夾在焊鉗如下所示。

零部件采購(gòu)

這個(gè)12v 15w SMPS電路的所有組件都是根據(jù)原理圖采購(gòu)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(huì)在為這個(gè)項(xiàng)目找到合適的變壓器時(shí)遇到麻煩。通常對(duì)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(huì)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(jī)械和電氣圖如下所示。

如果您無(wú)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?；蛘撸部梢允褂靡韵虏牧虾屠@組說(shuō)明來(lái)構(gòu)建自己的變壓器。

一旦采購(gòu)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(lái)像下面這樣

測(cè)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(shí)候試駕了。我們將通過(guò)VARIAC將電路板連接到交流電源，并用負(fù)載機(jī)加載輸出側(cè)，并測(cè)量紋波電壓以檢查電路的性能。完整的測(cè)試過(guò)程視頻也可以在本頁(yè)的末尾找到。下圖顯示了在輸入交流電壓為230V AC時(shí)測(cè)試的電路，我們得到了12.08V的輸出