Schaltungsdesign für 12V 1A SMPS-Stromversorgung - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:17

Hallo Leute!

Jedes elektronische Gerät oder Produkt benötigt ein zuverlässiges Netzteil (PSU), um es zu betreiben. Fast alle Geräte in unserem Haus, wie Fernseher, Drucker, Musikplayer usw. bestehen aus einem eingebauten Netzteil, das die Netzwechselspannung in eine für den Betrieb geeignete Gleichspannung umwandelt. Die am häufigsten verwendete Art von Stromversorgungskreis ist das SMPS (Schaltnetzteil). Sie finden diese Art von Stromkreisen leicht in Ihrem 12-V-Adapter oder Handy-/Laptop-Ladegerät. In diesem Tutorial lernen wir, wie man eine 12-V-SMPS-Schaltung baut, die Wechselstrom in 12 V DC mit einem maximalen Nennstrom von 1,25 A umwandelt. Diese Schaltung kann verwendet werden, um kleine Lasten zu versorgen oder sogar in ein Ladegerät zum Laden von Blei-Säure- und Lithium-Batterien umgewandelt werden. Wenn diese 12-V-15-Watt-Stromversorgungsschaltung nicht Ihren Anforderungen entspricht, können Sie verschiedene Stromversorgungsschaltungen mit unterschiedlichen Nennwerten überprüfen.

Schritt 1: 12v SMPS-Schaltung – Designüberlegungen

Bevor Sie mit einem Netzteildesign fortfahren, muss eine Anforderungsanalyse basierend auf der Umgebung durchgeführt werden, in der unser Netzteil verwendet wird. Verschiedene Arten von Stromversorgungen funktionieren in verschiedenen Umgebungen und mit spezifischen Eingangs-Ausgangs-Grenzen.

Eingangsspezifikation:

Beginnen wir mit der Eingabe. Eine Eingangsversorgungsspannung ist das erste, was vom SMPS verwendet und in einen nützlichen Wert umgewandelt wird, um die Last zu speisen. Da dieses Design für die AC-DC-Wandlung spezifiziert ist, ist der Eingang Wechselstrom (AC). Für Indien ist der Eingang AC in 220-230 Volt verfügbar, für die USA ist er für 110 Volt ausgelegt. Es gibt auch andere Nationen, die andere Spannungsniveaus verwenden. Generell arbeitet SMPS mit einem universellen Eingangsspannungsbereich. Dies bedeutet, dass die Eingangsspannung von 85V AC bis 265V AC abweichen kann. SMPS kann in jedem Land verwendet werden und kann eine stabile Ausgabe bei Volllast liefern, wenn die Spannung zwischen 85-265 V AC liegt. Das SMPS sollte auch unter einer Frequenz von 50 Hz und 60 Hz normal funktionieren. Aus diesem Grund können wir unsere Telefon- und Laptop-Ladegeräte in jedem Land verwenden.

Ausgangsspezifikation:

Ausgangsseitig sind wenige Lasten ohmsch, wenige induktiv. Je nach Belastung kann der Aufbau eines SMPS unterschiedlich sein. Für dieses SMPS wird die Last als ohmsche Last angenommen. Es geht jedoch nichts über eine ohmsche Last, jede Last besteht zumindest aus einer gewissen Induktivität und Kapazität; hier wird davon ausgegangen, dass Induktivität und Kapazität der Last vernachlässigbar sind.

Die Ausgangsspezifikation eines SMPS hängt stark von der Last ab, z. B. wie viel Spannung und Strom von der Last unter allen Betriebsbedingungen benötigt werden. Für dieses Projekt könnte das SMPS eine Leistung von 15 W bereitstellen. Es ist 12V und 1,25A. Die angestrebte Ausgangswelligkeit wird kleiner als 30 mV pk-pk bei 20000 Hz Bandbreite gewählt.

Schritt 2: Auswahl des Power Management ICs

Jede SMPS-Schaltung benötigt einen Power-Management-IC, der auch als Schalt-IC oder SMPS-IC oder Trockner-IC bekannt ist. Fassen wir die Designüberlegungen zusammen, um den idealen Power-Management-IC auszuwählen, der für unser Design geeignet ist. Unsere Designanforderungen sind:

1. 15W Leistung. 12V 1,25A mit weniger als 30mV pk-pk Welligkeit bei Volllast.
2. Universelle Eingangsbewertung.
3. Eingangsüberspannungsschutz.
4. Kurzschluss-, Überspannungs- und Überstromschutz am Ausgang.
5. Betrieb mit konstanter Spannung.

Aus den oben genannten Anforderungen steht eine breite Palette von ICs zur Auswahl, aber für dieses Projekt haben wir uns für die Power-Integration entschieden. Power Integration ist ein Halbleiterunternehmen, das eine breite Palette von Leistungstreiber-ICs in verschiedenen Leistungsbereichen anbietet. Aufgrund der Anforderungen und Verfügbarkeit haben wir uns für den TNY268PN aus den Tiny Switch II-Familien entschieden.

Im obigen Bild wird die maximale Leistung von 15W angezeigt. Wir werden das SMPS jedoch im offenen Rahmen und für die universelle Eingangsbewertung vornehmen. In einem solchen Segment könnte der TNY268PN eine Leistung von 15 W bereitstellen. Sehen wir uns das Pin-Diagramm an.

Schritt 3: 12V SMPS Schaltplan und Erklärung

Bevor wir direkt mit dem Bau des Prototypenteils beginnen, lassen Sie uns den 12-V-SMPS-Schaltplan und seine Funktionsweise untersuchen. Die Schaltung besteht aus folgenden Abschnitten:

1. Eingangsüberspannungs- und SMPS-Fehlerschutz
2. AC-DC-Wandlung
3. PI-Filter
4. Treiberschaltung oder Schaltkreis
5. Unterspannungs-Sperrschutz.
6. Klemmschaltung
7. Magnetische und galvanische Trennung
8. EMI-Filter
9. Sekundärer Gleichrichter und Snubber-Schaltung
10. Filterbereich

Eingangsüberspannungs- und SMPS-Fehlerschutz

Dieser Abschnitt besteht aus zwei Komponenten, F1 und RV1. F1 ist eine 1A 250VAC träge Sicherung und RV1 ist ein 7mm 275V MOV (Metalloxid-Varistor). Während eines Hochspannungsstoßes (mehr als 275 VAC) wurde der MOV tot kurz und brennt die Eingangssicherung durch. Aufgrund der Slow-Blow-Funktion widersteht die Sicherung jedoch dem Einschaltstrom durch das SMPS.

AC-DC-Wandlung

Dieser Abschnitt wird von der Diodenbrücke bestimmt. Diese vier Dioden (im DB107) bilden einen Vollbrückengleichrichter. Die Dioden sind 1N4006, aber der Standard 1N4007 kann die Arbeit perfekt erledigen. In diesem Projekt werden diese vier Dioden durch einen Vollbrückengleichrichter DB107 ersetzt.

PI-Filter

Verschiedene Staaten haben unterschiedliche EMI-Unterdrückungsstandards. Dieses Design bestätigt die Norm EN61000-Klasse 3 und der PI-Filter ist so konzipiert, dass er die Gleichtakt-EMI-Unterdrückung reduziert. Dieser Abschnitt wird mit C1, C2 und L1 erstellt. C1 und C2 sind 400V 18uF Kondensatoren. Da es sich um einen ungeraden Wert handelt, wird für diese Anwendung 22uF 400V ausgewählt. Die L1 ist eine Gleichtaktdrossel, die ein differentielles EMI-Signal benötigt, um beide zu unterdrücken.

Treiberschaltung oder Schaltkreis

Es ist das Herz eines SMPS. Die Primärseite des Transformators wird vom Schaltkreis TNY268PN gesteuert. Die Schaltfrequenz beträgt 120-132 kHz. Aufgrund dieser hohen Schaltfrequenz können kleinere Transformatoren verwendet werden. Der Schaltkreis hat zwei Komponenten, U1 und C3. U1 ist der Haupttreiber des IC TNY268PN. Der C3 ist der Bypass-Kondensator, der für den Betrieb unseres Treiber-ICs benötigt wird.

Unterspannungs-Aussperrschutz

Der Unterspannungs-Sperrschutz erfolgt durch die Messwiderstände R1 und R2. Es wird verwendet, wenn das SMPS in den Auto-Restart-Modus wechselt und die Netzspannung erfasst.

Klemmschaltung

D1 und D2 sind die Klemmschaltung. D1 ist die TVS-Diode und D2 ist eine ultraschnelle Erholungsdiode. Der Transformator fungiert als riesiger Induktor über den Leistungstreiber-IC TNY268PN. Daher erzeugt der Transformator während des Abschaltzyklus aufgrund der Streuinduktivität des Transformators hohe Spannungsspitzen. Diese hochfrequenten Spannungsspitzen werden durch die Diodenklemme am Transformator unterdrückt. UF4007 wird aufgrund der ultraschnellen Wiederherstellung ausgewählt und P6KE200A wird für den TVS-Betrieb ausgewählt.

Magnetische und galvanische Trennung

Der Transformator ist ein ferromagnetischer Transformator und wandelt nicht nur den Hochspannungs-Wechselstrom in einen Niederspannungs-Wechselstrom um, sondern sorgt auch für eine galvanische Trennung.

EMI-Filter

Die EMI-Filterung erfolgt durch den C4-Kondensator. Es erhöht die Immunität der Schaltung, um die hohen EMI-Störungen zu reduzieren.

Sekundärer Gleichrichter und Snubber-Schaltung

Der Ausgang des Transformators wird gleichgerichtet und mit D6, einer Schottky-Gleichrichterdiode, in Gleichstrom umgewandelt. Die Snubber-Schaltung über dem D6 sorgt für eine Unterdrückung der Spannungsspitzen während des Schaltvorgangs. Die Snubber-Schaltung besteht aus einem Widerstand und einem Kondensator, R3 und C5.

Filterbereich

Die Filtersektion besteht aus einem Filterkondensator C6. Es ist ein Low-ESR-Kondensator für eine bessere Welligkeitsunterdrückung. Außerdem bietet ein LC-Filter mit L2 und C7 eine bessere Welligkeitsunterdrückung am Ausgang.

Schritt 4: Leiterplattenherstellung

Sie können den PCB-Schema nach Belieben mit einer beliebigen Software zeichnen und an einen PCB-Hersteller Ihrer Wahl senden. Ich habe einen Gerber parat, ich kann ihn teilen.

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