תכנון מעגל אספקת חשמל 12V 1a על גבי PCB

כל מכשיר או מוצר אלקטרוני דורש יחידת אספקת חשמל (PSU) אמינה. כמעט כל המכשירים בביתנו, כמו טלוויזיה, מדפסת, נגן מוסיקה וכו 'מורכבים מיחידת אספקת חשמל המובנית בתוכה הממירה את מתח החשמל לרמת מתח DC המתאימה להם להפעלה. הסוג הנפוץ ביותר של מעגל אספקת החשמל הוא SMPS (ספק כוח מיתוג למצב), אתה יכול למצוא סוג זה של מעגלים בקלות במתאם 12V שלך או במטען נייד / מחשב נייד. במדריך זה נלמד כיצד לבנות מעגל SMPS 12 וולטאשר ימיר את מתח החשמל ל- 12V DC עם דירוג זרם מרבי של 1.25A. ניתן להשתמש במעגל זה להפעלת עומסים קטנים או אפילו להתאים למטען כדי לטעון לכם סוללות עופרת וליתיום. אם מעגל אספקת החשמל 12 וולט של 15 וואט אינו תואם את הדרישה שלך, אתה יכול לבדוק מעגלי אספקת חשמל שונים עם דירוגים שונים.

מעגל SMPS 12v - שיקולי עיצוב

לפני שתמשיך בכל סוג של תכנון אספקת חשמל, יש לבצע ניתוח דרישות על בסיס הסביבה בה ישמש את אספקת החשמל שלנו. סוגים שונים של אספקת חשמל פועלים בסביבות שונות ועם גבולות קלט-פלט ספציפיים.

מפרט קלט

נתחיל מהקלט. מתח אספקת כניסה הוא הדבר הראשון שישמש את ה- SMPS ויהפוך לערך שימושי להזנת העומס. מאחר שתכנון זה מוגדר להמרת AC-DC, הקלט יהיה זרם חילופין (AC). עבור הודו, זרם הכניסה זמין ב 220-230 וולט, בארצות הברית הוא מדורג ל -110 וולט. יש גם מדינות אחרות המשתמשות ברמות מתח שונות. באופן כללי, SMPS עובד עם מתח כניסה אוניברסליטווח. משמעות הדבר היא שמתח הכניסה יכול להיות שונה מ- 85V AC ל- 265V AC. ניתן להשתמש ב- SMPS בכל מדינה ויכול לספק תפוקה יציבה של עומס מלא אם המתח הוא בין 85-265 וולט AC. ה- SMPS צריך גם לתפקד כרגיל גם תחת תדרים של 50 הרץ ו -60 הרץ. זו הסיבה שבגללה אנו מסוגלים להשתמש במטעני הטלפון והמחשב הנייד שלנו בכל מדינה.

מפרט פלט

בצד הפלט, מעטים העומסים התנגדות, מעטים הם אינדוקטיביים. בהתאם לעומס הבנייה של SMPS יכולה להיות שונה. עבור SMPS זה העומס מניח כעומס התנגדות. עם זאת, אין כמו עומס התנגדות, כל עומס מורכב מכמות השראה וקיבול לפחות; כאן ההנחה היא שההשראות והקיבול של העומס זניחים.

מפרט הפלט של SMPS אמין מאוד בעומס, כמו כמה מתח וזרם יידרש על ידי עומס בכל תנאי ההפעלה. עבור פרויקט זה, ה- SMPS יכול לספק פלט של 15 וואט. זה 12V ו- 1.25A. אדווה הפלט הממוקדת נבחרה כ- 30mV pk-pk ברוחב הפס של 20000 הרץ.

בהתבסס על עומס הפלט, עלינו גם להחליט בין תכנון SMPS מתח קבוע או SMPS זרם קבוע. מתח קבוע פירושו שהמתח על פני העומס יהיה קבוע והזרם ישתנה בהתאם לשינויים בהתנגדות העומס. מצד שני, מצב זרם קבוע יאפשר לזרם להיות קבוע אך לשנות את המתח בהתאם לשינויים בהתנגדות העומס. כמו כן, גם CV וגם CC יכולים להיות זמינים ב- SMPS אך הם לא יכולים לעבוד בפעם אחת. כאשר שתי האפשרויות קיימות ב- SMPS, צריך להיות טווח כאשר ה- SMPS ישנה את פעולת הפלט שלו מ- CV ל- CC ולהיפך. בדרך כלל מטענים במצב CC ו- CV משמשים להטענת סוללות עופרת או ליתיום.

תכונות הגנת קלט ופלט

ישנם מעגלי הגנה שונים שניתן להשתמש ב- SMPS לצורך פעולות בטוחות ואמינות יותר. מעגל ההגנה מגן על ה- SMPS ועל העומס המחובר. בהתאם למיקום, ניתן לחבר את מעגל ההגנה על פני הקלט או על פני הפלט. הגנת הקלט הנפוצה ביותר היא Surge Protection ו- מסנני EMI. הגנת נחשולים מגנה על ה- SMPS מפני נחשולי כניסה או מתח יתר של AC. מסנן EMI מגן על ה- SMPS מייצור EMI על פני קו הקלט. בפרויקט זה, שתי התכונות יהיו זמינות. הגנת פלט כוללת הגנה לקצר, מתח יתר להגנה ואת מעל הגנה נוכחית. תכנון SMPS זה יכלול גם את כל מעגלי ההגנה הללו.

בחירת ה- IC לניהול כוח

כל מעגל SMPS דורש IC לניהול כוח המכונה גם החלפת IC או IC IC SMPS או IC מייבש יותר. בואו נסכם את שיקולי העיצוב לבחירת ה- IC האיכותי לניהול כוח המתאים לעיצוב שלנו. דרישות העיצוב שלנו הן

פלט 15W. 12V 1.25A עם פחות מ 30mV אדווה pk-pk בעומס מלא.
דירוג קלט אוניברסלי.
הגנת נחשול קלט.
קצר במוצא, מתח יתר והגנה על זרם יתר.
פעולות מתח קבועות.

מהדרישות שלמעלה יש מגוון רחב של ICs לבחירה, אך עבור פרויקט זה בחרנו בשילוב כוח. אינטגרציה כוחית היא חברת מוליכים למחצה שיש לה מגוון רחב של ICs של מפעיל כוח בטווחי תפוקת חשמל שונים. בהתבסס על הדרישות והזמינות החלטנו להשתמש ב- TNY268PN ממשפחות מתג II זעירות.

בתמונה שלעיל מוצג הספק המרבי 15W. עם זאת, אנו נכין את ה- SMPS במסגרת הפתוחה ולדירוג הקלט האוניברסלי. בקטע כזה, TNY268PN יכול לספק פלט של 15W. בואו נראה את תרשים הסיכות.

תכנון מעגל SMPS 12v 1Amp

הדרך הטובה ביותר לבנות את המעגל היא להשתמש בתוכנת מומחי ה- PI של Power integration. זו תוכנה מעולה לאספקת חשמל. המעגל בנוי באמצעות IC לשילוב כוח. הליך התכנון יוסבר למטה, לחלופין תוכלו לגלול למטה לסרטון המסביר אותו.

שלב -1: בחר את המתג הזעיר II ובחר גם את החבילה הרצויה. בחרנו בחבילת DIP. בחר את סוג המתחם, המתאם או המסגרת הפתוחה. כאן נבחר מסגרת פתוחה.

לאחר מכן בחר את סוג המשוב. זה חיוני כאשר משתמשים בטופולוגיית Flyback. TL431 הוא בחירה מצוינת למשוב. TL431 הוא וסת שאנט והוא יספק הגנה מצוינת על מתח יתר ומתח יציאה מדויק.

שלב 2: בחר את טווח מתח הכניסה. מכיוון שזה יהיה SMPS קלט אוניברסלי, מתח הכניסה נבחר כ- 85-265V AC. תדר הקו הוא 50 הרץ.

שלב 3:

בחר את מתח המוצא, הזרם והספק. דירוג ה- SMPS יהיה 12V 1.25A. הספק מראה 15W. מצב הפעולה נבחר גם כ- CV, פירושו מצב הפעלת מתח קבוע. לבסוף, הכל נעשה בשלושה שלבים פשוטים, והסכמה נוצרת.

תרשים מעגל והסבר 12V SMPS

המעגל שלהלן שונה מעט כך שיתאים לפרויקט שלנו.

לפני שנכנס היישר לבניית חלק האב-טיפוס, בואו נחקור את תרשים המעגל SMV 12V ופעולתו. במעגל יש את הסעיפים הבאים

נחשול קלט והגנה על תקלות SMPS
המרת AC-DC
פילטר PI
מעגל נהג או מעגל מיתוג
הגנת נעילה תחת מתח.
מעגל מהדק
מגנטיות ובידוד גלווני
פילטר EMI
מיישר משני ומעגל סנובור
קטע סינון
מדור משוב.

נחשול קלט והגנה על תקלות SMPS

סעיף זה מורכב משני רכיבים, F1 ו- RV1. F1 הוא נתיך מכה איטי 1A 250VAC ו- RV1 הוא MOV של 7mm 275V (Varistor תחמוצת מתכת). במהלך נחשול מתח גבוה (יותר מ 275 וולט), ה- MOV נעשה קצר ומתקיע את נתיך הקלט. עם זאת, בשל תכונת המכה האיטית, הנתיך עמיד בפני זרם הזרימה דרך ה- SMPS.

המרת AC-DC

קטע זה נשלט על ידי גשר הדיודה. ארבע הדיודות הללו (בתוך DB107) מייצרות מיישר גשר מלא. הדיודות הן 1N4006, אך 1N4007 הסטנדרטי יכול לבצע את העבודה בצורה מושלמת. בפרויקט זה, ארבע הדיודות הללו מוחלפות במיישר גשר מלא DB107.

פילטר PI

במדינות שונות יש תקן שונה לדחיית EMI. תכנון זה מאשר את תקן EN61000 Class 3 ומסנן ה- PI מתוכנן בצורה כזו להפחתת דחיית EMI במצב משותף. קטע זה נוצר באמצעות C1, C2 ו- L1. C1 ו- C2 הם קבלים של 400 וולט 18uF. זהו ערך מוזר ולכן נבחר 22uF 400V ליישום זה. ה- L1 הוא חנק במצב נפוץ שלוקח אות EMI דיפרנציאלי לבטל את שניהם.

מעגל נהג או מעגל מיתוג

זה הלב של SMPS. הצד העיקרי של השנאי נשלט על ידי מעגל המיתוג TNY268PN. תדר המיתוג הוא 120-132 קילו-הרץ. בשל תדר מיתוג גבוה זה, ניתן להשתמש בשנאים קטנים יותר. למעגל המיתוג שני מרכיבים, U1 ו- C3. U1 הוא הנהג הראשי IC TNY268PN. ה- C3 הוא הקבל העוקף הדרוש לעבודת IC הנהג שלנו.

הגנת נעילה תחת מתח

הגנת נעילה תחת מתח נעשית על ידי נגד החישה R1 ו- R2. הוא משמש כאשר ה- SMPS עובר למצב הפעלה מחדש אוטומטית וחוש את מתח הקו.

מעגל מהדק

D1 ו- D2 הם מעגל המהדק. D1 היא דיודת TVS ו- D2 היא דיודת התאוששות מהירה במיוחד. השנאי משמש משרן ענק על פני מנוע החשמל IC TNY268PN. לכן במהלך כיבוי מחזור, השנאי יוצר קוצים של מתח גבוה עקב השראות הדליפה של השנאי. קוצים מתח בתדר גבוה אלה מדוכאים על ידי מהדק הדיודה על פני השנאי. UF4007 נבחר בגלל התאוששות מהירה במיוחד ו- P6KE200A נבחרה להפעלת TVS.

מגנטיות ובידוד גלווני

השנאי הוא שנאי פרומגנטי והוא לא רק ממיר את מתח המתח הגבוה לזרם מתח נמוך אלא גם מספק בידוד גלווני.

פילטר EMI

סינון EMI נעשה על ידי הקבל C4. זה מגביר את חסינות המעגל כדי להפחית את הפרעות ה- EMI הגבוהות.

מיישר משני ומעגל סנובור

הפלט מהשנאי מתוקן ומומר ל DC באמצעות D6, דיודת מיישר שוטקי. מעגל הצנרת על פני D6 מספק דיכוי המתח חולף במהלך פעולות מיתוג. מעגל הצנרת מורכב מנגד אחד וקבל אחד, R3 ו- C5.

קטע סינון

קטע המסנן מורכב מקבל סינון C6. זהו קבל ESR נמוך לדחיית אדווה טובה יותר. כמו כן, מסנן LC המשתמש ב- L2 ו- C7 מספק דחיית אדווה טובה יותר על פני הפלט.

מדור משוב

מתח המוצא מורגש על ידי U3 TL431 ו- R6 ו- R7. לאחר חישת הקו, U2, מצמד האופטיקה נשלט ומבודד באופן גלווני את חלק חישת המשוב המשנית עם בקר הצד הראשי. המצמד האופטי כולל בתוכו טרנזיסטור. על ידי שליטה על ה- LED, הטרנזיסטור נשלט. מכיוון שהתקשורת נעשית באופן אופטי, אין לה חיבור חשמלי ישיר, ולכן מספק את הבידוד הגלווני גם במעגל המשוב.

כעת, כאשר ה- LED שולט ישירות בטרנזיסטור, על ידי מתן הטיה מספקת על פני נורית מצמד האופטי, ניתן לשלוט על הטרנזיסטור של מצמד האופטי, ליתר דיוק מעגל הנהג. מערכת בקרה זו משמשת את TL431. מכיוון שלווסת המחלף יש מחלק נגדים על פני סיכת הייחוס שלו, הוא יכול לשלוט במוביל המצמד האופטי המחובר לרוחבו. לסיכת המשוב מתח ייחוס של 2.5 וולט. לכן, ה- TL431 יכול להיות פעיל רק אם המתח על פני המחלק מספיק. במקרה שלנו, מחלק המתח נקבע לערך 12V. לכן, כאשר הפלט מגיע ל 12 וולט TL431 מקבל 2.5 וולט על פני סיכת הייחוס ובכך מפעיל את הנורית של מצמד האופטי השולט בטרנזיסטור של מצמד האופטי ושולט בעקיפין על TNY268PN. אם המתח אינו מספיק על פני הפלט מחזור המעבר מושעה באופן מיידי.

ראשית, ה- TNY268PN מפעיל את המחזור הראשון של המעבר ואז מרגיש שזה סיכה EN. אם הכל בסדר, הוא ימשיך במיתוג, אם לא, הוא ינסה שוב לאחר לפעמים. לולאה זו ממשיכה עד שהכל נהיה נורמלי, וכך מונע בעיות במעגל הקצר או במתח יתר. זו הסיבה שזה נקרא טופולוגיית flyback, שכן מתח המוצא מועבר חזרה לנהג לצורך פעולות הקשורות לחישה. כמו כן, לולאת הניסיון נקראת מצב פעולה של שיהוק במצב הכשל.

ה- D3 היא דיודת מחסום שוטקי. דיודה זו ממירה את תפוקת ה- AC בתדירות גבוהה ל- DC. דיודת שוטקי 3A 60V נבחרה להפעלה אמינה. R4 ו- R5 נבחרים ומחושבים על ידי מומחה ה- PI. הוא יוצר מחלק מתח ומעביר את הזרם אל נורית המצמד האופטי מה- TL431.

R6 ו- R7 הוא מחלק מתח פשוט המחושב לפי הנוסחה TL431 מתח REF = (Vout x R7) / R6 + R7. מתח הייחוס הוא 2.5 וולט והוואט הוא 12 וולט. על ידי בחירת הערך של R6 23.7k, ה- R7 הפך ל- 9.09k לערך.

ייצור PCB למעגל SMPS 12v 1A

כעת, לאחר שהבנו כיצד עובדות הסכימות, נוכל להמשיך בבניית ה- PCB עבור ה- SMPS שלנו. מכיוון שמדובר במעגל SMPS, מומלץ PCB מכיוון שהוא יכול להתמודד עם בעיית רעש ובידוד. פריסת ה- PCB עבור המעגל הנ"ל זמינה להורדה גם כגרבר מהקישור

הורד את קובץ גרבר למעגל SMPS 15W

עכשיו, כשהעיצוב שלנו מוכן הגיע הזמן לייצר אותם באמצעות קובץ גרבר. כדי לבצע את ה- PCB זה די קל, פשוט בצע את השלבים הבאים

שלב 1: היכנס ל- www.pcbgogo.com, הירשם אם זו הפעם הראשונה שלך. לאחר מכן, בכרטיסיית אב טיפוס PCB הזן את ממדי ה- PCB שלך, מספר השכבות ומספר PCB שאתה זקוק לו. בהנחה שה- PCB הוא 80 ס"מ × 80 ס"מ תוכלו להגדיר את המידות כפי שמוצג להלן.

שלב 2: המשך על ידי לחיצה על כפתור ציטוט עכשיו . תועבר לדף שבו תוכל להגדיר כמה פרמטרים נוספים במידת הצורך, כמו חומר המרווח בין מסלולים וכו '. אך בעיקר ערכי ברירת המחדל יעבדו בסדר. הדבר היחיד שעלינו לקחת בחשבון כאן הוא המחיר והזמן. כפי שאתה יכול לראות זמן הבנייה הוא רק 2-3 ימים וזה פשוט עולה רק 5 $ עבור ה- PSB שלנו. לאחר מכן תוכל לבחור שיטת משלוח מועדפת על פי דרישתך.

שלב 3: השלב האחרון הוא העלאת קובץ גרבר והמשך התשלום. כדי לוודא שהתהליך חלק PCBGOGO מאמת אם קובץ הגרבר שלך תקף לפני שתמשיך עם התשלום. בדרך זו אתה יכול לוודא כי ה- PCB שלך הוא ידידותי לייצור ויגיע אליך כמחויב.

הרכבת ה- PCB

לאחר הזמנת הלוח, הוא הגיע אלי לאחר מספר ימים, אך שליח בתיבה ארוזה היטב וכמו תמיד איכות ה- PCB הייתה מדהימה. ה- PCB שהתקבל על ידי מוצג להלן

הפעלתי את מוט ההלחמה שלי והתחלתי להרכיב את הלוח. מכיוון שטביעות הרגליים, הרפידות, הוויאסות ומסך המשי הם בצורה ובגודל הנכונים לחלוטין לא הייתה לי שום בעיה להרכיב את הלוח. ה- PCB שלי שהודבק לסגן ההלחמה מוצג להלן.

רכש רכיבים

כל הרכיבים למעגל SMPS זה 12v 15w נרכשים לפי הסכמה. את ה- BOM המפורט ניתן למצוא בקובץ ה- Excel הבא להורדה.

תכנון SMPS 15W - שטר חומרים

כמעט כל הרכיבים זמינים לשימוש מהמדף. אתה עלול להיתקל בבעיה במציאת השנאי המתאים לפרויקט זה. בדרך כלל עבור שנאי זבוב החלפת מעגל SMPS אינו זמין ישירות מהספקים, ברוב המקרים עליכם להפעיל שנאי משלכם אם אתם זקוקים לתוצאות יעילות. עם זאת, זה גם בסדר להשתמש בשנאי זבוב דומה והמעגל שלך עדיין יעבוד. המפרט האידיאלי עבור השנאי שלנו יסופק על ידי תוכנת PI Expert בה השתמשנו קודם.

התרשים המכני והחשמלי של השנאי שהתקבל ממומחה PI מוצג להלן.

אם אינך מצליח למצוא את הספק המתאים, תוכל להציל שנאי ממתאם 12 וולט או ממעגלי SMPS אחרים. לחלופין תוכלו גם לבנות קנייה של שנאים משלכם באמצעות החומרים הבאים והנחיות המתפתלות.

לאחר רכישת כל הרכיבים, הרכבתם אמורה להיות קלה. אתה יכול להשתמש בקובץ הגרבר וב- BOM לצורך התייחסות והרכבת את לוח ה- PCB. לאחר שסיימתי את הצד הקדמי ואת הצד האחורי של ה- PCB נראה משהו כזה למטה

בודק את מעגל ה- SMPS 15W שלנו

עכשיו, כשהמעגל שלנו מוכן, הגיע הזמן לקחת אותו לסיבוב. אנו נחבר את הלוח לרשת החשמל שלנו באמצעות VARIAC ונטען את צד הפלט במכונת עומס ונמדוד את מתח האדווה כדי לבדוק את ביצועי המעגל שלנו. סרטון הליך בדיקה מלא ניתן למצוא גם בסוף עמוד זה. התמונה למטה מציגה את המעגל שנבדק עם מתח AC כניסה של 230V AC עבורו אנו מקבלים פלט של 12.08V

מדידת מתח אדווה באמצעות אוסצילוסקופ

למדידת מתח האדווה עם אוסצילוסקופ, שנה את קלט ההיקף ל- AC עם רווח של פי 1. לאחר מכן חבר קבל אלקטרוליטי בעל ערך נמוך וקבל קרמי בעל ערך נמוך להפעלת הפחתת רעשים עקב חיווט. ניתן לעיין בעמוד 40 של מסמך RDR-295 זה מתוך Power Integration למידע נוסף על הליך זה.

תמונת המצב שלמטה צולמה במצב ללא עומס גם על 85 וולט וגם על 230 וולט. הסולם נקבע על 10mV לכל חלוקה וכפי שאתה יכול לראות האדווה היא כמעט 10mV pk-pk.

בכניסה 90VAC ועם עומס מלא ניתן לראות את האדווה בסביבות 20mV pk-pk

במתח 230 וולט ועל מתח מלא אדווה נמדדת בסביבות 30mV pk-pk שזה התרחיש הגרוע ביותר.

זהו זה; כך תוכלו לעצב מעגל SMPS 12V משלכם. לאחר שהבנתם את העבודה, תוכלו לשנות את תרשים המעגלים SMV 12V כך שיתאים לדרישות המתח וההספק שלכם. מקווה שהבנת את ההדרכה ונהנית ללמוד משהו שימושי. אם יש לך שאלות השאיר אותן בסעיף ההערות או השתמש בפורומים שלנו לדיונים טכניים. אפגוש אותך שוב עם עיצוב מעניין נוסף של SMPS, עד אז ייחתם….