如何構(gòu)建一個12v SMPS電路

每個電子設(shè)備或產(chǎn)品都需要可靠的電源單元（PSU）來運(yùn)行它。我們家中的幾乎所有設(shè)備，如電視、打印機(jī)、音樂播放器等，都包含一個內(nèi)置的電源單元，它將交流電源電壓轉(zhuǎn)換為適合它們運(yùn)行的直流電壓電平。最常用的電源電路類型是SMPS（開關(guān)模式電源），您可以在 12V 適配器或移動/筆記本電腦充電器中輕松找到此類電路。在本教程中，我們將學(xué)習(xí)如何構(gòu)建一個 12v SMPS 電路，該電路將交流電源轉(zhuǎn)換為 12V DC，最大額定電流為 1.25A。該電路可用于為小負(fù)載供電，甚至可以改裝成充電器為鉛酸充電，鋰電池。如果這個 12v 15watt 電源電路不符合您的要求，您可以檢查不同額定值的各種電源電路。

12v SMPS 電路 – 設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

在進(jìn)行任何類型的電源設(shè)計(jì)之前，必須根據(jù)我們電源的使用環(huán)境進(jìn)行需求分析。不同種類的電源工作在不同的環(huán)境和特定的輸入輸出邊界。

輸入規(guī)范

讓我們從輸入開始。輸入電源電壓是 SMPS 將首先使用的東西，并將被轉(zhuǎn)換為有用的值來為負(fù)載供電。由于該設(shè)計(jì)專門用于AC-DC 轉(zhuǎn)換，因此輸入將是交流電（AC）。對于印度，輸入交流電的電壓為 220-230 伏，對于美國，其額定電壓為 110 伏。還有其他國家使用不同的電壓等級。通常，SMPS 與通用輸入電壓一起工作范圍。這意味著輸入電壓可以從 85V AC 到 265V AC 不同。SMPS可以在任何國家使用，如果電壓在85-265V AC之間，可以提供穩(wěn)定的滿載輸出。SMPS 也應(yīng)在 50Hz 和 60Hz 頻率下正常工作。這就是我們能夠在任何國家/地區(qū)使用手機(jī)和筆記本電腦充電器的原因。

輸出規(guī)格

在輸出端，很少有負(fù)載是電阻性的，很少是電感性的。根據(jù)負(fù)載的不同，SMPS 的結(jié)構(gòu)可能會有所不同。對于此 SMPS，負(fù)載假定為電阻負(fù)載。但是，沒有什么能比得上電阻負(fù)載，每個負(fù)載至少包含一定數(shù)量的電感和電容；這里假設(shè)負(fù)載的電感和電容可以忽略不計(jì)。

SMPS 的輸出規(guī)格高度依賴于負(fù)載，例如在所有工作條件下負(fù)載需要多少電壓和電流。對于這個項(xiàng)目，SMPS 可以提供15W 的輸出。它是 12V 和 1.25A。目標(biāo)輸出紋波選擇為小于20000 Hz 帶寬下的 30mV 峰峰值。

根據(jù)輸出負(fù)載，我們還必須在設(shè)計(jì)恒壓 SMPS或恒流 SMPS之間做出決定。恒壓是指負(fù)載兩端的電壓恒定，電流隨著負(fù)載電阻的變化而變化。另一方面，恒流模式將允許電流恒定，但電壓會隨著負(fù)載電阻的變化而相應(yīng)改變。此外，CV 和 CC 都可以在 SMPS 中使用，但它們不能同時工作。當(dāng) SMPS 中存在這兩個選項(xiàng)時，需要有一個范圍，當(dāng) SMPS 將其輸出操作從 CV 更改為 CC 時，反之亦然。通常CC 和 CV 模式充電器用于為鉛酸或鋰電池充電。

輸入和輸出保護(hù)功能

SMPS 上可以使用各種保護(hù)電路，以實(shí)現(xiàn)更安全可靠的操作。保護(hù)電路保護(hù) SMPS 以及連接的負(fù)載。根據(jù)位置，保護(hù)電路可以跨輸入或跨輸出連接。最常見的輸入保護(hù)是浪涌保護(hù)和EMI 濾波器。浪涌保護(hù)保護(hù) SMPS 免受輸入浪涌或交流過壓的影響。EMI 濾波器保護(hù) SMPS 免受輸入線路產(chǎn)生 EMI 的影響。在這個項(xiàng)目中，這兩個功能都將可用。輸出保護(hù)包括短路保護(hù)、過壓保護(hù)和過流保護(hù)。該 SMPS 設(shè)計(jì)還將包括所有這些保護(hù)電路。

電源管理 IC的選擇

每個 SMPS 電路都需要一個電源管理 IC，也稱為開關(guān) IC 或 SMPS IC 或干燥器 IC。讓我們總結(jié)一下設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)，以選擇適合我們設(shè)計(jì)的理想電源管理 IC。我們的設(shè)計(jì)要求是

15W輸出。12V 1.25A，滿載時紋波小于 30mV 峰峰峰值。

通用輸入額定值。

輸入浪涌保護(hù)。

輸出短路、過壓、過流保護(hù)。

恒壓操作。

根據(jù)上述要求，可供選擇的 IC 范圍很廣，但對于這個項(xiàng)目，我們選擇了Power integration。Power integration 是一家半導(dǎo)體公司，擁有各種功率輸出范圍內(nèi)的各種功率驅(qū)動器 IC。根據(jù)要求和可用性，我們決定使用微型開關(guān) II 系列的 TNY268PN。

在上圖中，顯示了最大功率 15W。但是，我們將在開放式框架中制作 SMPS，并用于通用輸入額定值。在這樣的細(xì)分市場中，TNY268PN 可以提供 15W 的輸出。讓我們看看引腳圖。

設(shè)計(jì) 12v 1Amp SMPS 電路

構(gòu)建電路的最佳方法是使用Power integration 的 PI 專家軟件。是一款優(yōu)秀的電源設(shè)計(jì)軟件。該電路是使用功率集成 IC 構(gòu)建的。設(shè)計(jì)過程解釋如下，或者您也可以向下滾動查看解釋相同的視頻。

步驟-1：選擇Tiny switch II并選擇所需的封裝。我們選擇了 DIP 封裝。選擇機(jī)箱類型、適配器或開放式框架。這里選擇了開放框架。

然后選擇反饋類型。這是必不可少的，因?yàn)槭褂昧朔醇ね負(fù)?。TL431 是反饋的絕佳選擇。TL431 是一款并聯(lián)穩(wěn)壓器，它將提供出色的過壓保護(hù)和準(zhǔn)確的輸出電壓。

Step-2：選擇輸入電壓范圍。由于它將是通用輸入 SMPS，因此輸入電壓選擇為 85-265V AC。線路頻率為 50 Hz。

第 3 步：

選擇輸出電壓、電流和功率。SMPS 額定值為 12V 1.25A。功率顯示為 15W。操作模式也選擇為CV，即恒壓操作模式。最后，一切都通過三個簡單的步驟完成，原理圖就生成了。

12V SMPS電路圖及說明

下面的電路稍作修改以適應(yīng)我們的項(xiàng)目。

在直接開始構(gòu)建原型部件之前，讓我們先了解一下12v SMPS 電路圖及其操作。該電路有以下部分

輸入浪涌和 SMPS 故障保護(hù)

AC-DC 轉(zhuǎn)換

PI 過濾器

驅(qū)動電路或開關(guān)電路

欠壓鎖定保護(hù)。

鉗位電路

磁性和電流隔離

EMI濾波器

次級整流器和緩沖電路

過濾器部分

反饋部分。

輸入浪涌和 SMPS 故障保護(hù)

本節(jié)由 F1 和 RV1 兩個組件組成。F1 是 1A 250VAC 慢熔保險絲，RV1 是 7mm 275V MOV（金屬氧化物壓敏電阻）。在高壓浪涌（超過 275VAC）期間，MOV 短路并燒斷輸入保險絲。然而，由于慢熔特性，保險絲可以承受通過 SMPS 的浪涌電流。

AC-DC 轉(zhuǎn)換

該部分由二極管電橋控制。這四個二極管（DB107 內(nèi)部）構(gòu)成一個全橋整流器。二極管是 1N4006，但標(biāo)準(zhǔn)的 1N4007 可以完美地完成這項(xiàng)工作。在這個項(xiàng)目中，這四個二極管被一個全橋整流器 DB107 取代。

PI 過濾器

不同的州有不同的 EMI 抑制標(biāo)準(zhǔn)。該設(shè)計(jì)符合 EN61000-Class 3 標(biāo)準(zhǔn)，并且 PI 濾波器的設(shè)計(jì)方式可降低共模 EMI 抑制。此部分是使用 C1、C2 和 L1 創(chuàng)建的。C1和C2是400V 18uF電容。這是一個奇數(shù)值，因此為此應(yīng)用選擇了 22uF 400V。L1 是一個共模扼流圈，它采用差分 EMI 信號來抵消兩者。

驅(qū)動電路或開關(guān)電路

它是 SMPS 的核心。變壓器的初級側(cè)由開關(guān)電路 TNY268PN 控制。開關(guān)頻率為120-132khz。由于這種高開關(guān)頻率，可以使用更小的變壓器。開關(guān)電路有兩個元件，U1和C3。U1是主驅(qū)動IC TNY268PN。C3是我們驅(qū)動IC工作所需的旁路電容。

欠壓鎖定保護(hù)

欠壓鎖定保護(hù)由檢測電阻 R1 和 R2 完成。它在 SMPS 進(jìn)入自動重啟模式并檢測線路電壓時使用。

鉗位電路

D1和D2是鉗位電路。D1 是TVS 二極管，D2 是超快恢復(fù)二極管。變壓器在功率驅(qū)動器 IC TNY268PN 上充當(dāng)一個巨大的電感器。因此，在開關(guān)關(guān)閉周期期間，變壓器會由于變壓器的漏感而產(chǎn)生高壓尖峰。這些高頻電壓尖峰被變壓器兩端的二極管鉗位抑制。選擇 UF4007 是因?yàn)榛謴?fù)速度超快，選擇 P6KE200A 進(jìn)行 TVS 操作。

磁性和電流隔離

變壓器是一種鐵磁變壓器，它不僅將高壓交流電轉(zhuǎn)換為低壓交流電，還提供電流隔離。

EMI濾波器

EMI 濾波由 C4 電容完成。它增加了電路的抗擾度以減少高EMI干擾。

次級整流器和緩沖電路

變壓器的輸出通過肖特基整流二極管D6 進(jìn)行整流并轉(zhuǎn)換為直流電。D6 上的緩沖電路可抑制開關(guān)操作期間的電壓瞬變。緩沖電路由一個電阻和一個電容、R3和C5組成。

過濾器部分

濾波部分由濾波電容C6組成。它是一種低 ESR 電容器，可提供更好的紋波抑制。此外，使用 L2 和 C7 的 LC 濾波器可提供更好的輸出紋波抑制。

反饋部分

輸出電壓由 U3 TL431 和 R6 和 R7 感測。在感測線路 U2 后，光耦合器受到控制，并將次級反饋感測部分與初級側(cè)控制器電流隔離。光耦合器內(nèi)部有一個晶體管和一個 LED。通過控制LED，控制晶體管。由于通信是通過光進(jìn)行的，它沒有直接的電氣連接，因此也滿足了反饋電路上的電流隔離。

現(xiàn)在，由于 LED 直接控制晶體管，通過在光耦 LED 上提供足夠的偏置，可以控制光耦晶體管，更具體地說是驅(qū)動電路。該控制系統(tǒng)由 TL431 采用。由于并聯(lián)穩(wěn)壓器在其參考引腳上有一個電阻分壓器，它可以控制連接在其上的光耦合器 LED。反饋引腳的參考電壓為 2.5V。因此，只有當(dāng)分壓器兩端的電壓足夠時，TL431 才能激活。在我們的例子中，分壓器設(shè)置為 12V. 因此，當(dāng)輸出達(dá)到 12V 時，TL431 在參考引腳上獲得 2.5V，從而激活光耦合器的 LED，該 LED 控制光耦合器的晶體管并間接控制 TNY268PN。如果輸出兩端的電壓不足，則開關(guān)周期立即暫停。

首先，TNY268PN 激活第一個開關(guān)周期，然后檢測它的 EN 引腳。如果一切正常，它會繼續(xù)切換，如果沒有，它會過一段時間再試一次。這個循環(huán)一直持續(xù)到一切正常，從而防止短路或過壓問題。這就是為什么它被稱為反激拓?fù)涞脑?，因?yàn)檩敵鲭妷簳骰仳?qū)動器以進(jìn)行相關(guān)操作。此外，嘗試循環(huán)被稱為故障條件下的打嗝操作模式。

D3 是肖特基勢壘二極管。該二極管將高頻交流輸出轉(zhuǎn)換為直流。選擇 3A 60V 肖特基二極管以確?？煽窟\(yùn)行。R4 和 R5 由 PI 專家選擇和計(jì)算。它創(chuàng)建一個分壓器并將電流從 TL431 傳遞到光耦合器 LED。

R6 和 R7 是一個簡單的分壓器，由公式 TL431 REF 電壓 = （Vout x R7） / R6 + R7計(jì)算得出。參考電壓為 2.5V，Vout 為 12V。通過選擇 R6 23.7k 的值，R7 大約變?yōu)?9.09k。

組裝印刷電路板

訂購電路板后，幾天后它到達(dá)了我的手中，盡管快遞員裝在一個標(biāo)簽整齊、包裝完好的盒子里，而且 PCB 的質(zhì)量一如既往地棒極了。我收到的PCB如下圖

我打開焊條并開始組裝電路板。由于腳印、焊盤、通孔和絲網(wǎng)印刷的形狀和尺寸都非常合適，因此我在組裝電路板時沒有問題。我的 PCB 夾在焊鉗上如下所示。

零部件采購

此12v 15w SMPS 電路的所有組件均按照原理圖采購。

幾乎所有組件都可以現(xiàn)成使用。您可能會發(fā)現(xiàn)為該項(xiàng)目尋找合適的變壓器時遇到困難。通常，供應(yīng)商無法直接提供 SMPS 電路開關(guān)反激變壓器，在大多數(shù)情況下，如果您需要高效的結(jié)果，您必須自己纏繞變壓器。但是，也可以使用類似的反激式變壓器，您的電路仍然可以工作。我們之前使用的 PI Expert 軟件將為我們的變壓器提供理想的規(guī)格。

從 PI Expert 獲得的變壓器的機(jī)械和電氣圖如下所示。

如果您無法找到合適的供應(yīng)商，您可以從 12V 適配器或其他 SMPS 電路中回收變壓器?；蛘?，您也可以使用以下材料和繞組說明構(gòu)建自己的變壓器購買。

一旦采購了所有組件，組裝它們應(yīng)該很容易。

測試我們的 15W SMPS 電路

現(xiàn)在我們的電路已經(jīng)準(zhǔn)備好了，是時候試一試了。我們將通過 VARIAC 將電路板連接到我們的交流電源，并用負(fù)載機(jī)加載輸出端并測量紋波電壓以檢查電路的性能。完整的測試過程視頻也可以在本頁末尾找到。下圖顯示了輸入交流電壓為 230V AC 的電路測試，我們得到的輸出為 12.08V