Thiết kế mạch nguồn 12V 1A SMPS: 4 bước

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:32

Này các cậu!

Mọi thiết bị hoặc sản phẩm điện tử đều yêu cầu một bộ cấp nguồn đáng tin cậy (PSU) để vận hành nó. Hầu hết tất cả các thiết bị trong nhà của chúng ta, như TV, Máy in, Máy nghe nhạc, v.v. bao gồm một bộ cấp nguồn được tích hợp bên trong nó để chuyển đổi điện áp nguồn AC thành một mức điện áp DC phù hợp để chúng hoạt động. Loại mạch cấp nguồn được sử dụng phổ biến nhất là SMPS (Switching Mode Power Supply), bạn có thể dễ dàng tìm thấy loại mạch này trong bộ chuyển đổi 12V hoặc bộ sạc Di động / Máy tính xách tay của mình. Trong hướng dẫn này, chúng ta sẽ học cách xây dựng mạch SMPS 12v có thể chuyển đổi nguồn điện xoay chiều thành 12V DC với định mức dòng điện tối đa là 1,25A. Mạch này có thể được sử dụng để cung cấp năng lượng cho các tải nhỏ hoặc thậm chí có thể được điều chỉnh thành bộ sạc để sạc pin axit-chì và pin lithium cho bạn. Nếu mạch cấp nguồn 12v 15watt này không phù hợp với yêu cầu của bạn, bạn có thể kiểm tra các mạch cấp nguồn khác nhau với các xếp hạng khác nhau.

Bước 1: Mạch SMPS 12v - Cân nhắc thiết kế

Trước khi tiến hành bất kỳ loại thiết kế nguồn điện nào, việc phân tích yêu cầu phải được thực hiện dựa trên môi trường mà nguồn điện của chúng ta sẽ được sử dụng. Các loại nguồn điện khác nhau hoạt động trong các môi trường khác nhau và với các ranh giới đầu vào - đầu ra cụ thể.

Đặc điểm kỹ thuật đầu vào:

Hãy bắt đầu với đầu vào. Điện áp cung cấp đầu vào là điện áp đầu tiên sẽ được sử dụng bởi SMPS và sẽ được chuyển đổi thành giá trị hữu ích để cung cấp cho tải. Vì thiết kế này được chỉ định cho chuyển đổi AC-DC, đầu vào sẽ là Dòng điện xoay chiều (AC). Đối với Ấn Độ, AC đầu vào có sẵn ở 220-230 volt, đối với Hoa Kỳ, nó được đánh giá cho 110 volt. Ngoài ra còn có các quốc gia khác sử dụng các mức điện áp khác nhau. Nói chung, SMPS hoạt động với dải điện áp đầu vào phổ quát. Điều này có nghĩa là điện áp đầu vào có thể khác với AC 85V đến 265V AC. SMPS có thể được sử dụng ở bất kỳ quốc gia nào và có thể cung cấp đầu ra ổn định khi đầy tải nếu điện áp nằm trong khoảng 85-265V AC. SMPS cũng phải hoạt động bình thường dưới tần số 50Hz và 60Hz. Đây là lý do tại sao chúng tôi có thể sử dụng bộ sạc điện thoại và máy tính xách tay của chúng tôi ở bất kỳ quốc gia nào.

Đặc điểm kỹ thuật đầu ra:

Ở phía đầu ra, một số tải là điện trở, một số ít tải là cảm ứng. Tùy thuộc vào tải mà việc xây dựng SMPS có thể khác nhau. Đối với SMPS này, tải được giả định là tải điện trở. Tuy nhiên, không có gì giống như tải điện trở, mỗi tải bao gồm ít nhất một số lượng điện cảm và điện dung; ở đây người ta cho rằng độ tự cảm và điện dung của tải không đáng kể.

Đặc điểm kỹ thuật đầu ra của một SMPS phụ thuộc nhiều vào Tải, như điện áp và dòng điện sẽ được yêu cầu bởi tải trong mọi điều kiện hoạt động. Đối với dự án này, SMPS có thể cung cấp công suất 15W. Nó là 12V và 1,25A. Ripple đầu ra được nhắm mục tiêu được chọn là nhỏ hơn 30mV pk-pk ở băng thông 20000 Hz.

Bước 2: Lựa chọn IC quản lý nguồn

Mọi mạch SMPS đều yêu cầu IC quản lý nguồn còn được gọi là IC chuyển mạch hoặc IC SMPS hoặc IC khô. Hãy tổng hợp các cân nhắc về thiết kế để chọn IC quản lý nguồn lý tưởng phù hợp với thiết kế của chúng ta. Yêu cầu thiết kế của chúng tôi là:

1. Công suất 15W. 12V 1,25A với gợn sóng pk-pk dưới 30mV khi đầy tải.
2. Đánh giá đầu vào phổ quát.
3. Bảo vệ đột biến đầu vào.
4. Ngắn mạch đầu ra, bảo vệ quá áp và quá dòng.
5. Hoạt động điện áp không đổi.

Từ các yêu cầu trên, có nhiều loại IC để lựa chọn, nhưng đối với dự án này, chúng tôi đã chọn Tích hợp nguồn. Tích hợp nguồn là một công ty bán dẫn có nhiều loại IC điều khiển công suất trong các phạm vi công suất đầu ra khác nhau. Dựa trên các yêu cầu và tính khả dụng, chúng tôi đã quyết định sử dụng TNY268PN từ các dòng switch II nhỏ.

Trong hình trên, công suất cực đại 15W được hiển thị. Tuy nhiên, chúng tôi sẽ tạo SMPS trong khung mở và cho xếp hạng đầu vào phổ quát. Trong một phân khúc như vậy, TNY268PN có thể cung cấp công suất 15W. Hãy xem sơ đồ chân.

Bước 3: Sơ đồ và giải thích mạch 12V SMPS

Trước khi đi thẳng vào việc xây dựng phần nguyên mẫu, hãy cùng khám phá sơ đồ mạch 12v SMPS và hoạt động của nó. Mạch có các phần sau:

1. Tăng tín hiệu đầu vào và bảo vệ lỗi SMPS
2. Chuyển đổi AC-DC
3. Bộ lọc PI
4. Mạch trình điều khiển hoặc mạch chuyển mạch
5. Bảo vệ khóa điện áp dưới điện áp.
6. Mạch kẹp
7. Từ trường và cách ly điện
8. bộ lọc EMI
9. Bộ chỉnh lưu thứ cấp và mạch snubber
10. Bộ lọc Phần

Tăng tín hiệu đầu vào và bảo vệ lỗi SMPS

Phần này bao gồm hai thành phần, F1 và RV1. F1 là cầu chì thổi chậm 1A 250VAC và RV1 là cầu chì 7mm 275V MOV (Metal Oxide Varistor). Trong một đợt tăng điện áp cao (hơn 275VAC), MOV bị chập và làm nổ Cầu chì đầu vào. Tuy nhiên, do tính năng thổi chậm, cầu chì chịu được dòng điện khởi động qua SMPS.

Chuyển đổi AC-DC

Phần này được điều chỉnh bởi cầu diode. Bốn điốt này (bên trong DB107) tạo thành một bộ chỉnh lưu cầu đầy đủ. Các điốt là 1N4006, nhưng 1N4007 tiêu chuẩn có thể thực hiện công việc một cách hoàn hảo. Trong dự án này, bốn điốt này được thay thế bằng một bộ chỉnh lưu toàn cầu DB107.

Bộ lọc PI

Các trạng thái khác nhau có các tiêu chuẩn từ chối EMI khác nhau. Thiết kế này xác nhận tiêu chuẩn EN61000-Class 3 và bộ lọc PI được thiết kế theo cách để giảm sự từ chối EMI ở chế độ phổ biến. Phần này được tạo bằng C1, C2 và L1. C1 và C2 là tụ điện 400V 18uF. Đây là một giá trị lẻ nên 22uF 400V được chọn cho ứng dụng này. L1 là một cuộn cảm chế độ phổ biến lấy tín hiệu EMI vi sai để hủy bỏ cả hai.

Mạch điều khiển hoặc mạch chuyển mạch

Nó là trung tâm của một SMPS. Phía sơ cấp của máy biến áp được điều khiển bởi mạch chuyển mạch TNY268PN. Tần số chuyển mạch là 120-132khz. Do tần số chuyển mạch cao này, có thể sử dụng các máy biến áp nhỏ hơn. Mạch chuyển mạch có hai thành phần, U1 và C3. U1 là trình điều khiển chính của IC TNY268PN. C3 là tụ điện bỏ qua cần thiết cho hoạt động của vi mạch trình điều khiển của chúng tôi.

Bảo vệ khóa điện áp dưới điện áp

Bảo vệ khóa dưới điện áp được thực hiện bởi điện trở cảm giác R1 và R2. Nó được sử dụng khi SMPS chuyển sang chế độ tự động khởi động lại và cảm nhận điện áp đường dây.

Mạch kẹp

D1 và D2 là mạch kẹp. D1 là diode TVS và D2 là diode khôi phục cực nhanh. Máy biến áp hoạt động như một cuộn cảm cực lớn trên IC điều khiển nguồn TNY268PN. Do đó trong chu kỳ đóng cắt, máy biến áp tạo ra điện áp cao do điện cảm rò của máy biến áp. Các xung điện áp tần số cao này được triệt tiêu bởi kẹp diode trên máy biến áp. UF4007 được chọn do khôi phục cực nhanh và P6KE200A được chọn cho hoạt động TVS.

Từ tính và cách ly điện

Máy biến áp là một máy biến áp sắt từ và nó không chỉ chuyển đổi điện áp cao xoay chiều thành điện áp thấp xoay chiều mà còn cung cấp cách ly điện.

bộ lọc EMI

Lọc EMI được thực hiện bởi tụ C4. Nó làm tăng khả năng miễn nhiễm của mạch để giảm nhiễu EMI cao.

Mạch chỉnh lưu thứ cấp và mạch Snubber

Đầu ra từ máy biến áp được chỉnh lưu và chuyển đổi thành DC bằng cách sử dụng D6, một diode chỉnh lưu Schottky. Mạch snubber trên D6 cung cấp khả năng triệt tiêu điện áp quá độ trong các hoạt động chuyển mạch. Mạch snubber bao gồm một điện trở và một tụ điện, R3 và C5.

Bộ lọc Phần

Phần lọc bao gồm một tụ lọc C6. Nó là một tụ điện ESR thấp để loại bỏ gợn sóng tốt hơn. Ngoài ra, một bộ lọc LC sử dụng L2 và C7 cung cấp khả năng loại bỏ gợn sóng tốt hơn trên đầu ra.

Bước 4: Sản xuất PCB

Bạn có thể vẽ Sơ đồ PCB bằng bất kỳ phần mềm nào tùy tiện và gửi nó đến Nhà sản xuất PCB mà bạn lựa chọn. Tôi có một Gerber sẵn sàng, tôi có thể chia sẻ nó.

Tôi muốn giới thiệu LIONCIRCUITS vì họ có dịch vụ sản xuất nguyên mẫu với chi phí thấp thực sự tốt cho những người đam mê DIY như chúng tôi. Họ có một nền tảng trực tuyến tự động, nơi bạn có thể tải lên các tệp Gerber của mình và đặt hàng trực tuyến. Vận chuyển khắp Ấn Độ là miễn phí.