การออกแบบวงจรจ่ายไฟ 12V 1A SMPS: 4 ขั้นตอน

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:04

ไงพวก!

อุปกรณ์หรือผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ทุกชิ้นต้องมีหน่วยจ่ายไฟ (PSU) ที่เชื่อถือได้เพื่อใช้งาน อุปกรณ์เกือบทั้งหมดในบ้านของเรา เช่น ทีวี เครื่องพิมพ์ เครื่องเล่นเพลง ฯลฯ ประกอบด้วยหน่วยจ่ายไฟในตัวซึ่งจะแปลงแรงดันไฟ AC เป็นระดับแรงดัน DC ที่เหมาะสมเพื่อให้ทำงานได้ วงจรจ่ายไฟประเภทที่ใช้บ่อยที่สุดคือ SMPS (Switching Mode Power Supply) คุณสามารถค้นหาวงจรประเภทนี้ได้อย่างง่ายดายในอะแดปเตอร์ 12V หรือเครื่องชาร์จมือถือ/แล็ปท็อป ในบทช่วยสอนนี้ เราจะเรียนรู้วิธีสร้างวงจร 12v SMPS ที่จะแปลงไฟหลัก AC เป็น 12V DC ด้วยอัตรากระแสไฟสูงสุด 1.25A วงจรนี้สามารถใช้เพื่อจ่ายไฟให้กับโหลดขนาดเล็ก หรือแม้แต่ดัดแปลงเป็นเครื่องชาร์จเพื่อชาร์จแบตเตอรีตะกั่วกรดและลิเธียม หากวงจรจ่ายไฟ 12v 15 วัตต์นี้ไม่ตรงกับความต้องการของคุณ คุณสามารถตรวจสอบวงจรจ่ายไฟต่างๆ ที่มีพิกัดต่างกันได้

ขั้นตอนที่ 1: วงจร SMPS 12v – ข้อควรพิจารณาในการออกแบบ

ก่อนดำเนินการออกแบบแหล่งจ่ายไฟใดๆ จะต้องวิเคราะห์ความต้องการโดยพิจารณาจากสภาพแวดล้อมที่จะใช้แหล่งจ่ายไฟของเรา แหล่งจ่ายไฟประเภทต่างๆ ทำงานในสภาพแวดล้อมที่แตกต่างกันและมีขอบเขตอินพุต-เอาท์พุตเฉพาะ

อินพุตข้อมูลจำเพาะ:

เริ่มจากอินพุตกันก่อน แรงดันไฟฟ้าขาเข้าเป็นสิ่งแรกที่ SMPS ใช้และจะถูกแปลงเป็นค่าที่มีประโยชน์ในการป้อนโหลด เนื่องจากการออกแบบนี้ถูกกำหนดไว้สำหรับการแปลง AC-DC อินพุตจะเป็นกระแสสลับ (AC) สำหรับอินเดีย อินพุต AC มีให้ใน 220-230 โวลต์ สำหรับสหรัฐอเมริกา มีพิกัดที่ 110 โวลต์ นอกจากนี้ยังมีประเทศอื่นๆ ที่ใช้ระดับแรงดันไฟฟ้าต่างกัน โดยทั่วไป SMPS จะทำงานกับช่วงแรงดันไฟฟ้าอินพุตสากล ซึ่งหมายความว่าแรงดันไฟฟ้าขาเข้าอาจแตกต่างจาก 85V AC ถึง 265V AC SMPS สามารถใช้ได้ในทุกประเทศและสามารถให้เอาต์พุตที่เสถียรของโหลดเต็มที่หากแรงดันไฟฟ้าอยู่ระหว่าง 85-265V AC SMPS ควรทำงานตามปกติภายใต้ความถี่ 50Hz และ 60Hz เช่นกัน นี่คือเหตุผลว่าทำไมเราจึงสามารถใช้ที่ชาร์จโทรศัพท์และแล็ปท็อปของเราได้ในทุกประเทศ

ข้อกำหนดเอาต์พุต:

ที่ด้านเอาต์พุต โหลดไม่กี่ตัวเป็นตัวต้านทาน มีน้อยเป็นอุปนัย โครงสร้าง SMPS อาจแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับโหลด สำหรับ SMPS นี้ จะถือว่าโหลดเป็นโหลดความต้านทาน อย่างไรก็ตาม ไม่มีอะไรที่เหมือนกับโหลดความต้านทาน แต่ละโหลดประกอบด้วยตัวเหนี่ยวนำและความจุอย่างน้อยจำนวนหนึ่ง ที่นี่สันนิษฐานว่าความเหนี่ยวนำและความจุของโหลดนั้นเล็กน้อย

ข้อมูลจำเพาะเอาท์พุตของ SMPS นั้นขึ้นอยู่กับโหลดได้สูง เช่น โหลดต้องใช้แรงดันและกระแสไฟเท่าใดภายใต้สภาวะการทำงานทั้งหมด สำหรับโครงการนี้ SMPS สามารถให้เอาต์พุต 15W เป็น 12V และ 1.25A ระลอกเอาต์พุตเป้าหมายถูกเลือกให้น้อยกว่า 30mV pk-pk ที่แบนด์วิดท์ 20000 Hz

ขั้นตอนที่ 2: การเลือก IC การจัดการพลังงาน

ทุกวงจร SMPS ต้องใช้ IC การจัดการพลังงานหรือที่เรียกว่าสวิตชิ่ง IC หรือ SMPS IC หรือ IC แบบแห้ง มาสรุปข้อควรพิจารณาในการออกแบบเพื่อเลือก Power Management IC ที่เหมาะสมกับการออกแบบของเรา ข้อกำหนดการออกแบบของเราคือ:

1. เอาต์พุต 15W 12V 1.25A พร้อมระลอก pk-pk น้อยกว่า 30mV ที่โหลดเต็มที่
2. คะแนนอินพุตสากล
3. การป้องกันไฟกระชากอินพุต
4. เอาต์พุตลัดวงจร การป้องกันแรงดันเกินและกระแสเกิน
5. การทำงานของแรงดันคงที่

จากข้อกำหนดข้างต้น มี IC ให้เลือกมากมาย แต่สำหรับโครงการนี้ เราได้เลือกการรวมพลังงาน การรวมกำลังไฟฟ้าเป็นบริษัทเซมิคอนดักเตอร์ที่มีไอซีตัวขับพลังงานที่หลากหลายในช่วงเอาต์พุตกำลังต่างๆ ตามข้อกำหนดและความพร้อมใช้งาน เราได้ตัดสินใจใช้ TNY268PN จากตระกูลสวิตช์ II ขนาดเล็ก

ในภาพด้านบน แสดงกำลังไฟสูงสุด 15W อย่างไรก็ตาม เราจะสร้าง SMPS ในเฟรมเปิดและสำหรับการให้คะแนนอินพุตสากล ในส่วนดังกล่าว TNY268PN สามารถให้เอาต์พุต 15W มาดูแผนภาพพินกัน

ขั้นตอนที่ 3: แผนภาพวงจร SMPS 12V และคำอธิบาย

ก่อนเข้าสู่การสร้างชิ้นส่วนต้นแบบ เรามาสำรวจแผนภาพวงจร 12v SMPS และการทำงานของมันกันก่อน วงจรมีส่วนต่อไปนี้:

1. ไฟกระชากอินพุตและการป้องกันความผิดพลาด SMPS
2. การแปลง AC-DC
3. ตัวกรอง PI
4. วงจรขับหรือวงจรสวิตชิ่ง
5. การป้องกันการปิดด้วยแรงดันไฟตก
6. วงจรแคลมป์
7. การแยกแม่เหล็กและกัลวานิก
8. ตัวกรองอีเอ็มไอ
9. วงจรเรียงกระแสรองและวงจร snubber
10. ส่วนตัวกรอง

ไฟกระชากอินพุตและการป้องกันความผิดพลาด SMPS

ส่วนนี้ประกอบด้วยสององค์ประกอบคือ F1 และ RV1 F1 เป็นฟิวส์เป่าช้า 1A 250VAC และ RV1 คือ 7 มม. 275V MOV (วาริสเตอร์โลหะออกไซด์) ระหว่างที่ไฟกระชากแรงสูง (มากกว่า 275VAC) MOV จะลัดวงจรและทำให้ฟิวส์อินพุตขาด อย่างไรก็ตาม เนื่องจากคุณสมบัติการเป่าช้า ฟิวส์จึงทนทานต่อกระแสไฟกระชากผ่าน SMPS

การแปลง AC-DC

ส่วนนี้ควบคุมโดยไดโอดบริดจ์ ไดโอดสี่ตัวนี้ (ภายใน DB107) สร้างวงจรเรียงกระแสแบบเต็มบริดจ์ ไดโอดคือ 1N4006 แต่มาตรฐาน 1N4007 สามารถทำงานได้อย่างสมบูรณ์ ในโครงการนี้ ไดโอดทั้งสี่นี้จะถูกแทนที่ด้วยวงจรเรียงกระแสแบบเต็มบริดจ์ DB107

ตัวกรอง PI

รัฐต่างๆ มีมาตรฐานการปฏิเสธ EMI ที่แตกต่างกัน การออกแบบนี้ยืนยันมาตรฐาน EN61000-Class 3 และตัวกรอง PI ได้รับการออกแบบเพื่อลดการปฏิเสธ EMI ในโหมดทั่วไป ส่วนนี้สร้างขึ้นโดยใช้ C1, C2 และ L1 C1 และ C2 เป็นตัวเก็บประจุ 400V 18uF เป็นค่าคี่จึงเลือก 22uF 400V สำหรับแอปพลิเคชันนี้ L1 เป็นโหมดทั่วไปที่ทำให้หายใจไม่ออกซึ่งรับสัญญาณ EMI ที่ต่างกันเพื่อยกเลิกทั้งสองอย่าง

วงจรขับหรือวงจรสวิตชิ่ง

เป็นหัวใจของ SMPS ด้านหลักของหม้อแปลงไฟฟ้าถูกควบคุมโดยวงจรสวิตชิ่ง TNY268PN ความถี่ในการสลับคือ 120-132khz เนื่องจากความถี่สวิตชิ่งที่สูงนี้ จึงสามารถใช้หม้อแปลงไฟฟ้าขนาดเล็กได้ วงจรสวิตชิ่งมีสององค์ประกอบคือ U1 และ C3 U1 เป็นตัวขับเคลื่อนหลักของ IC TNY268PN C3 เป็นตัวเก็บประจุบายพาสซึ่งจำเป็นสำหรับการทำงานของ IC ไดรเวอร์ของเรา

การป้องกันการปิดด้วยแรงดันไฟตก

การป้องกันการปิดด้วยแรงดันไฟต่ำทำได้โดยตัวต้านทานความรู้สึก R1 และ R2 ใช้เมื่อ SMPS เข้าสู่โหมดรีสตาร์ทอัตโนมัติและตรวจจับแรงดันไฟฟ้าของสาย

วงจรแคลมป์

D1 และ D2 เป็นวงจรแคลมป์ D1 คือไดโอด TVS และ D2 เป็นไดโอดการกู้คืนที่รวดเร็วเป็นพิเศษ หม้อแปลงทำหน้าที่เป็นตัวเหนี่ยวนำขนาดใหญ่ทั่วตัวขับกำลัง IC TNY268PN ดังนั้นในระหว่างการปิดวงจร หม้อแปลงไฟฟ้าจะสร้างกระแสไฟแรงสูงเนื่องจากการเหนี่ยวนำการรั่วไหลของหม้อแปลงไฟฟ้า แรงดันไฟฟ้าแหลมความถี่สูงเหล่านี้ถูกระงับโดยแคลมป์ไดโอดในหม้อแปลง UF4007 ถูกเลือกเนื่องจากการคืนสภาพที่รวดเร็วเป็นพิเศษ และเลือก P6KE200A สำหรับการทำงานของ TVS

การแยกแม่เหล็กและกัลวานิก

หม้อแปลงไฟฟ้าเป็นหม้อแปลงแม่เหล็กไฟฟ้า และไม่เพียงแต่แปลงไฟฟ้ากระแสสลับแรงสูงเป็นไฟฟ้ากระแสสลับแรงดันต่ำเท่านั้น แต่ยังให้การแยกไฟฟ้าด้วยไฟฟ้าด้วย

ตัวกรองอีเอ็มไอ

การกรอง EMI ทำได้โดยตัวเก็บประจุ C4 ช่วยเพิ่มภูมิคุ้มกันของวงจรเพื่อลดสัญญาณรบกวน EMI ที่สูง

วงจรเรียงกระแสรองและวงจร Snubber

เอาต์พุตจากหม้อแปลงจะถูกแก้ไขและแปลงเป็น DC โดยใช้ D6 ซึ่งเป็นไดโอดเรียงกระแส Schottky วงจร snubber ทั่วทั้ง D6 ให้การปราบปรามของแรงดันไฟฟ้าชั่วคราวในระหว่างการดำเนินการสลับ วงจรสนูเบอร์ประกอบด้วยตัวต้านทานหนึ่งตัวและตัวเก็บประจุหนึ่งตัว R3 และ C5

ส่วนตัวกรอง

ส่วนตัวกรองประกอบด้วยตัวเก็บประจุตัวกรอง C6 เป็นตัวเก็บประจุ ESR ต่ำเพื่อการปฏิเสธการกระเพื่อมที่ดีขึ้น นอกจากนี้ ตัวกรอง LC ที่ใช้ L2 และ C7 ยังให้การปฏิเสธการกระเพื่อมที่ดีขึ้นทั่วทั้งเอาต์พุต

ขั้นตอนที่ 4: การผลิต PCB

คุณสามารถวาด PCB Schematic ด้วยซอฟต์แวร์ใดก็ได้ตามความสะดวกของคุณ และส่งไปยังผู้ผลิต PCB ที่คุณเลือก ฉันมี Gerber พร้อมแล้ว ฉันสามารถแบ่งปันได้

ฉันอยากจะแนะนำ LIONCIRCUITS เพราะพวกเขามีบริการผลิตต้นแบบในราคาประหยัดซึ่งเหมาะสำหรับผู้ที่ชอบ DIY อย่างเรา พวกเขามีแพลตฟอร์มออนไลน์อัตโนมัติที่คุณสามารถอัปโหลดไฟล์ Gerber ของคุณและสั่งซื้อออนไลน์ได้ จัดส่งทั่วอินเดียฟรี