- Mạch 12v SMPS - Cân nhắc thiết kế
- Lựa chọn IC quản lý nguồn
- Thiết kế mạch SMPS 12v 1Amp
- Sơ đồ và giải thích mạch 12V SMPS
- Chế tạo PCB cho mạch 12v 1A SMPS
- Lắp ráp PCB
- Mua sắm linh kiện
- Kiểm tra mạch SMPS 15W của chúng tôi
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. Trong hướng dẫn này, chúng ta sẽ học cách xây dựng mạch SMPS 12vđiều đó sẽ chuyển đổi nguồn điện AC 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 cho bạn pin chì và pin lithium. Nếu mạch cấp nguồn 12v 15watt này không phù hợp với yêu cầu của bạn, bạn có thể kiểm tra mạch cấp nguồn khác nhau với các xếp hạng khác nhau.
Mạch 12v SMPS - 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 điện áp đầu vào phổ quátphạm vi. 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 vài tải là điện trở, một vài tải là cảm ứng. Tùy thuộc vào tải mà cấu trúc của một 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.
Dựa trên tải đầu ra, chúng ta cũng phải quyết định giữa việc thiết kế SMPS điện áp không đổi hoặc SMPS dòng điện không đổi. Điện áp không đổi có nghĩa là điện áp trên tải sẽ không đổi và dòng điện sẽ thay đổi tương ứng với sự thay đổi của điện trở tải. Mặt khác, chế độ dòng điện không đổi sẽ cho phép dòng điện không đổi nhưng thay đổi điện áp tương ứng với sự thay đổi của điện trở tải. Ngoài ra, cả CV và CC đều có thể có trong SMPS nhưng chúng không thể hoạt động trong một thời gian. Khi cả hai tùy chọn tồn tại trong một SMPS, cần có một phạm vi khi SMPS sẽ thay đổi hoạt động đầu ra của nó từ CV sang CC và ngược lại. Thông thường, bộ sạc chế độ CC và CV được sử dụng để sạc axit chì hoặc pin lithium.
Tính năng bảo vệ đầu vào và đầu ra
Có nhiều mạch bảo vệ khác nhau có thể được sử dụng trên SMPS để hoạt động an toàn và đáng tin cậy hơn. Mạch bảo vệ bảo vệ SMPS cũng như tải được kết nối. Tùy thuộc vào vị trí, mạch bảo vệ có thể được kết nối qua đầu vào hoặc qua đầu ra. Bảo vệ đầu vào phổ biến nhất là Bảo vệ chống xung và bộ lọc EMI. Bảo vệ chống sét lan truyền bảo vệ SMPS khỏi xung điện đầu vào hoặc quá áp xoay chiều. Bộ lọc EMI bảo vệ SMPS khỏi việc tạo EMI trên đường đầu vào. Trong dự án này, cả hai tính năng sẽ có sẵn. Bảo vệ đầu ra bao gồm bảo vệ ngắn mạch, bảo vệ quá áp và bảo vệ quá dòng. Thiết kế SMPS này cũng sẽ bao gồm tất cả các mạch bảo vệ này.
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 những lưu ý 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
- Công suất 15W. 12V 1,25A với gợn sóng pk-pk dưới 30mV khi đầy tải.
- Đánh giá đầu vào phổ quát.
- Bảo vệ đột biến đầu vào.
- Ngắn mạch đầu ra, bảo vệ quá áp và quá dòng.
- 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 công tắc nhỏ II.
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 chung. Trong một phân khúc như vậy, TNY268PN có thể cung cấp công suất 15W. Hãy xem sơ đồ chân.
Thiết kế mạch SMPS 12v 1Amp
Cách tốt nhất để xây dựng mạch là sử dụng phần mềm chuyên gia PI của Power integration. Nó là phần mềm thiết kế cung cấp điện tuyệt vời. Mạch được xây dựng bằng IC tích hợp nguồn. Quy trình thiết kế được giải thích bên dưới, hoặc bạn cũng có thể cuộn xuống video giải thích tương tự.
Bước -1: Chọn công tắc Tiny II và chọn gói bạn muốn. Chúng tôi đã chọn gói DIP. Chọn loại Bao vây, Bộ điều hợp hoặc Khung mở. Ở đây Khung mở được chọn.
Sau đó chọn loại Phản hồi. Nó là cần thiết vì cấu trúc liên kết Flyback được sử dụng. TL431 là một lựa chọn tuyệt vời cho phản hồi. TL431 là một bộ điều chỉnh shunt và nó sẽ cung cấp khả năng bảo vệ quá áp tuyệt vời và điện áp đầu ra chính xác.
Bước 2: Chọn dải điện áp đầu vào. Vì nó sẽ là một SMPS đầu vào phổ quát, điện áp đầu vào được chọn là 85-265V AC. Tần số dòng là 50 Hz.
Bước 3:
Chọn điện áp đầu ra, dòng điện và công suất. Định mức SMPS sẽ là 12V 1,25A. Công suất hiển thị là 15W. Chế độ hoạt động cũng được chọn là CV, nghĩa là chế độ hoạt động điện áp không đổi. Cuối cùng, mọi thứ được thực hiện trong ba bước đơn giản và giản đồ được tạo.
Sơ đồ và giải thích mạch 12V SMPS
Mạch bên dưới được sửa đổi một chút để phù hợp với dự án của chúng tôi.
Trước khi đi thẳng vào xây dựng phần nguyên mẫu, chúng ta hãy khám phá sơ đồ mạch 12v SMPS và hoạt động của nó. Mạch có các phần sau
- Tăng tín hiệu đầu vào và bảo vệ lỗi SMPS
- Chuyển đổi AC-DC
- Bộ lọc PI
- Mạch trình điều khiển hoặc mạch chuyển mạch
- Bảo vệ khóa điện áp dưới điện áp.
- Mạch kẹp
- Từ tính và cách ly điện
- bộ lọc EMI
- Bộ chỉnh lưu thứ cấp và mạch snubber
- Bộ lọc Phần
- Phần phản hồi.
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 quá trình tăng điện áp cao (hơn 275VAC), MOV trở nên ngắn và thổi cầu chì đầu vào. Tuy nhiên, do tính năng thổi chậm, cầu chì chịu được dòng 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. Điốt là 1N4006, nhưng tiêu chuẩn 1N4007 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 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 trái tim 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 IC điều khiển chính TNY268PN. C3 là tụ điện phụ cần thiết cho hoạt động của vi mạch trình điều khiển của chúng tôi.
Bảo vệ khóa điện áp dưới
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 một cuộn cảm lớn trên IC điều khiển nguồn TNY268PN. Do đó trong chu kỳ đóng cắt, máy biến áp tạo ra xung 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 nhỏ trên D6 cung cấp khả năng triệt tiêu điện áp quá độ trong quá trình chuyển đổi. Mạch snubber bao gồm một điện trở và một tụ điện, R3 và C5.
Bộ lọc Phần
Bộ lọc 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.
Phần phản hồi
Điện áp đầu ra được cảm nhận bởi U3 TL431 và R6 và R7. Sau khi cảm nhận dòng, U2, bộ ghép quang được điều khiển và cách ly về mặt điện hóa phần cảm biến phản hồi thứ cấp với bộ điều khiển bên chính. Optocoupler có một bóng bán dẫn và một đèn LED bên trong nó. Bằng cách điều khiển đèn LED, bóng bán dẫn được điều khiển. Vì giao tiếp được thực hiện bằng quang học, nó không có kết nối điện trực tiếp, do đó đáp ứng quá trình cách ly điện trên mạch phản hồi.
Bây giờ, khi đèn LED điều khiển trực tiếp bóng bán dẫn, bằng cách cung cấp đủ độ lệch trên đèn LED optocoupler, người ta có thể điều khiển bóng bán dẫn optocoupler, cụ thể hơn là mạch trình điều khiển. Hệ thống điều khiển này được sử dụng bởi TL431. Vì bộ điều chỉnh shunt có một bộ chia điện trở trên chân tham chiếu của nó, nó có thể điều khiển đèn led optocoupler được kết nối qua nó. Chân phản hồi có điện áp tham chiếu là 2,5V. Do đó, TL431 chỉ có thể hoạt động nếu điện áp trên bộ chia là đủ. Trong trường hợp của chúng tôi, bộ chia điện áp đặt thành giá trị 12V. Do đó, khi đầu ra đạt tới 12V, TL431 nhận được 2,5V qua chân tham chiếu và do đó kích hoạt đèn LED của bộ ghép quang điều khiển bóng bán dẫn của bộ ghép quang và điều khiển gián tiếp TNY268PN. Nếu điện áp không đủ trên đầu ra, chu kỳ chuyển mạch sẽ bị đình chỉ ngay lập tức.
Đầu tiên, TNY268PN kích hoạt chu kỳ chuyển đổi đầu tiên và sau đó cảm nhận đó là chân EN. Nếu mọi thứ đều ổn, nó sẽ tiếp tục chuyển đổi, nếu không, nó sẽ thử lại sau một lần nữa. Vòng lặp này được tiếp tục cho đến khi mọi thứ trở nên bình thường, do đó ngăn ngừa các vấn đề về ngắn mạch hoặc quá áp. Đây là lý do tại sao nó được gọi là cấu trúc liên kết bay ngược, vì điện áp đầu ra được chuyển trở lại trình điều khiển để cảm nhận các hoạt động liên quan. Ngoài ra, vòng lặp thử được gọi là một chế độ hoạt động nấc trong điều kiện hỏng hóc.
D3 là một diode rào cản Schottky. Diode này chuyển đổi đầu ra AC tần số cao thành DC. 3A 60V Schottky Diode được lựa chọn để hoạt động đáng tin cậy. R4 và R5 được lựa chọn và tính toán bởi Chuyên gia PI. Nó tạo ra một bộ chia điện áp và chuyển dòng điện đến đèn LED Optocoupler từ TL431.
R6 và R7 là một bộ chia điện áp đơn giản được tính theo công thức TL431 Điện áp REF = (Vout x R7) / R6 + R7. Điện áp tham chiếu là 2,5V và Vout là 12V. Bằng cách chọn giá trị của R6 là 23,7k, R7 trở thành xấp xỉ 9,09k.
Chế tạo PCB cho mạch 12v 1A SMPS
Bây giờ chúng ta đã hiểu cách thức hoạt động của các giản đồ, chúng ta có thể tiến hành xây dựng PCB cho SMPS của mình. Vì đây là mạch SMPS, nên sử dụng PCB vì nó có thể giải quyết vấn đề nhiễu và cách ly. Bố cục PCB cho mạch trên cũng có sẵn để tải xuống dưới dạng Gerber từ liên kết
- Tải xuống tệp Gerber cho mạch SMPS 15W
Bây giờ, Thiết kế của chúng tôi đã sẵn sàng, đã đến lúc chế tạo chúng bằng cách sử dụng tệp Gerber. Để hoàn thành PCB khá dễ dàng, bạn chỉ cần làm theo các bước dưới đây
Bước 1: Truy cập www.pcbgogo.com, đăng ký nếu đây là lần đầu tiên của bạn. Sau đó, trong tab PCB Prototype, nhập kích thước của PCB của bạn, số lớp và số lượng PCB bạn yêu cầu. Giả sử PCB là 80cm × 80cm, bạn có thể đặt kích thước như hình dưới đây.
Bước 2: Tiến hành bằng cách nhấp vào nút Trích dẫn ngay . Bạn sẽ được đưa đến một trang nơi đặt một vài thông số bổ sung nếu cần thiết như vật liệu được sử dụng khoảng cách theo dõi, v.v. Nhưng hầu hết các giá trị mặc định sẽ hoạt động tốt. Điều duy nhất mà chúng ta phải xem xét ở đây là giá cả và thời gian. Như bạn có thể thấy Thời gian xây dựng chỉ là 2-3 ngày và nó chỉ tốn $ 5 cho PSB của chúng tôi. Sau đó, bạn có thể chọn một phương thức vận chuyển ưa thích dựa trên yêu cầu của bạn.
Bước 3: Bước cuối cùng bạn tải file Gerber lên và tiến hành thanh toán. Để đảm bảo quá trình diễn ra suôn sẻ, PCBGOGO xác minh xem tệp Gerber của bạn có hợp lệ hay không trước khi tiến hành thanh toán. Bằng cách này, bạn có thể chắc chắn rằng PCB của bạn được chế tạo thân thiện và sẽ đến tay bạn theo cam kết.
Lắp ráp PCB
Sau khi bo mạch được đặt hàng, nó đã đến tay tôi sau một vài ngày mặc dù chuyển phát nhanh trong một hộp được đóng gói cẩn thận được dán nhãn và giống như mọi khi chất lượng của PCB thật tuyệt vời. PCB đã được tôi nhận được hiển thị bên dưới
Tôi bật que hàn của mình và bắt đầu lắp ráp Bo mạch. Vì Dấu chân, miếng đệm, vias và tấm lụa hoàn toàn có hình dạng và kích thước phù hợp nên tôi không gặp vấn đề gì khi lắp ráp bảng. PCB của tôi được kẹp vào phó hàn được hiển thị bên dưới.
Mua sắm linh kiện
Tất cả các thành phần cho mạch SMPS 12v 15w này được mua sắm theo sơ đồ. Chi tiết BOM có thể được tìm thấy trong tệp excel bên dưới để tải xuống.
- Thiết kế SMPS 15W - Hóa đơn vật liệu
Hầu hết tất cả các thành phần đều có sẵn để sử dụng ngay sau khi bán. Bạn có thể gặp khó khăn khi tìm máy biến áp phù hợp cho dự án này. Thông thường, đối với biến áp flyback chuyển mạch SMPS không có sẵn trực tiếp từ các nhà cung cấp, trong hầu hết các trường hợp, bạn phải quấn biến áp của riêng mình nếu bạn cần kết quả hiệu quả. Tuy nhiên, bạn cũng có thể sử dụng một biến áp flyback tương tự và mạch của bạn sẽ vẫn hoạt động. Thông số kỹ thuật lý tưởng cho máy biến áp của chúng tôi sẽ được cung cấp bởi phần mềm PI Expert mà chúng tôi đã sử dụng trước đó.
Sơ đồ Cơ và Điện của máy biến áp thu được từ Chuyên gia PI được hiển thị bên dưới.
Nếu không tìm được nhà cung cấp phù hợp, bạn có thể cứu máy biến áp từ bộ chuyển đổi 12V hoặc các mạch SMPS khác. Ngoài ra, bạn cũng có thể xây dựng mua máy biến áp của riêng mình bằng cách sử dụng các tài liệu và hướng dẫn quấn dây sau đây.
Khi tất cả các thành phần được mua sắm, việc lắp ráp chúng sẽ trở nên dễ dàng. Bạn có thể sử dụng tệp Gerber và BOM để tham khảo và lắp ráp bảng mạch PCB. Sau khi hoàn thành mặt trước và mặt sau PCB của tôi trông giống như sau
Kiểm tra mạch SMPS 15W của chúng tôi
Bây giờ mạch của chúng ta đã sẵn sàng, đã đến lúc bắt đầu quay. Chúng tôi sẽ kết nối bo mạch với nguồn điện AC của chúng tôi thông qua VARIAC và tải phía đầu ra bằng máy tải và đo điện áp gợn sóng để kiểm tra hiệu suất của mạch của chúng tôi. Bạn cũng có thể tìm thấy video quy trình thử nghiệm đầy đủ ở cuối trang này. Hình ảnh bên dưới cho thấy mạch được thử nghiệm với điện áp xoay chiều đầu vào là 230V AC mà chúng tôi nhận được đầu ra 12,08V
Đo điện áp gợn sóng bằng Máy hiện sóng
Để đo điện áp gợn sóng bằng máy hiện sóng, hãy thay đổi đầu vào của phạm vi thành AC với độ lợi 1x. Sau đó, kết nối tụ điện có giá trị thấp và tụ gốm có giá trị thấp để giảm nhiễu do dây dẫn. Bạn có thể tham khảo trang 40 của tài liệu RDR-295 này từ Tích hợp nguồn để biết thêm thông tin về quy trình này.
Ảnh chụp nhanh dưới đây được chụp ở điều kiện không tải trên cả 85VAC và 230VAC. Thang đo được đặt ở 10mV trên mỗi vạch chia và như bạn có thể thấy độ gợn sóng là gần 10mV pk-pk.
Ở đầu vào 90VAC và khi đầy tải, gợn sóng có thể được nhìn thấy ở khoảng 20mV pk-pk
Trong 230VAC và trên toàn tải, điện áp gợn sóng được đo ở khoảng 30mV pk-pk, đây là trường hợp xấu nhất
Đó là nó; đây là cách bạn có thể thiết kế mạch SMPS 12v của riêng mình. Khi bạn đã hiểu cách làm việc, bạn có thể thay đổi sơ đồ mạch 12v SMPS cho phù hợp với yêu cầu điện áp và công suất của bạn. Hy vọng bạn đã hiểu hướng dẫn và thích học một cái gì đó hữu ích. Nếu bạn có bất kỳ câu hỏi nào, hãy để lại chúng trong phần bình luận hoặc sử dụng diễn đàn của chúng tôi để thảo luận kỹ thuật. Sẽ gặp lại bạn với một thiết kế SMPS thú vị khác, cho đến khi ký kết….