طراحی مدار منبع تغذیه 12 ولت 1 آمپر SMPS روی PCB

هر دستگاه یا محصول الکترونیکی برای راه اندازی به یک منبع تغذیه قابل اعتماد (PSU) نیاز دارد. تقریباً تمام دستگاه‌های موجود در خانه ما، مانند تلویزیون، چاپگر، پخش‌کننده موسیقی و غیره از یک منبع تغذیه ساخته شده در آن تشکیل شده‌اند که ولتاژ شبکه AC را به سطح مناسبی از ولتاژ DC برای کارکرد آنها تبدیل می‌کند. رایج ترین نوع مدار منبع تغذیه SMPS (منبع تغذیه حالت سوئیچینگ) است که می توانید به راحتی این نوع مدارها را در آداپتور 12 ولت یا شارژر موبایل/لپ تاپ خود پیدا کنید. در این آموزش نحوه ساخت یک مدار SMPS 12 ولتی را یاد می گیریم که برق شبکه AC را به 12 ولت DC با حداکثر جریان 1.25 آمپر تبدیل می کند. از این مدار می توان برای تغذیه بارهای کوچک استفاده کرد یا حتی در یک شارژر برای شارژ کردن اسید سرب وباتری های لیتیومی اگر این مدار منبع تغذیه 12 ولت 15 وات با نیاز شما مطابقت ندارد، می توانید مدارهای مختلف منبع تغذیه را با درجه بندی های مختلف بررسی کنید.

مدار 12 ولت SMPS – ملاحظات طراحی

قبل از شروع هر نوع طراحی منبع تغذیه، تجزیه و تحلیل نیاز باید بر اساس محیطی که منبع تغذیه ما در آن استفاده خواهد شد، انجام شود. انواع مختلف منبع تغذیه در محیط های مختلف و با مرزهای ورودی-خروجی خاص کار می کنند.

مشخصات ورودی

بیایید با ورودی شروع کنیم. ولتاژ تغذیه ورودی اولین چیزی است که توسط SMPS استفاده می شود و به یک مقدار مفید برای تغذیه بار تبدیل می شود. همانطور که این طرح برای تبدیل AC-DC مشخص شده است ، ورودی جریان متناوب (AC) خواهد بود. برای هند، AC ورودی در 220-230 ولت در دسترس است، برای ایالات متحده آمریکا برای 110 ولت در دسترس است. کشورهای دیگری نیز وجود دارند که از سطوح مختلف ولتاژ استفاده می کنند. به طور کلی، SMPS با ولتاژ ورودی جهانی کار می کنددامنه. این بدان معناست که ولتاژ ورودی می تواند از 85 ولت AC تا 265 ولت AC متفاوت باشد. SMPS را می توان در هر کشوری مورد استفاده قرار داد و در صورتی که ولتاژ بین 85-265 ولت AC باشد، می تواند خروجی ثابت بار کامل را ارائه دهد. SMPS همچنین باید به طور معمول زیر فرکانس 50 هرتز و 60 هرتز نیز کار کند. به همین دلیل است که ما می توانیم از شارژرهای تلفن و لپ تاپ خود در هر کشوری استفاده کنیم.

مشخصات خروجی

در سمت خروجی، تعداد کمی از بارها مقاومتی هستند، تعداد کمی از آنها القایی هستند. بسته به بار، ساخت SMPS می تواند متفاوت باشد. برای این SMPS بار به عنوان یک بار مقاومتی در نظر گرفته می شود . با این حال، هیچ چیزی مانند یک بار مقاومتی وجود ندارد، هر بار حداقل از مقداری اندوکتانس و خازن تشکیل شده است. در اینجا فرض می شود که اندوکتانس و ظرفیت بار ناچیز است.

مشخصات خروجی یک SMPS به شدت به بار بستگی دارد، مانند مقدار ولتاژ و جریان مورد نیاز بار تحت همه شرایط عملیاتی. برای این پروژه، SMPS می تواند خروجی 15 وات را ارائه دهد . 12 ولت و 1.25 آمپر است. ریپل خروجی هدف کمتر از 30mV pk-pk در پهنای باند 20000 هرتز انتخاب می شود .

بر اساس بار خروجی، ما همچنین باید بین طراحی SMPS ولتاژ ثابت یا SMPS جریان ثابت تصمیم گیری کنیم . ولتاژ ثابت به این معنی است که ولتاژ در سراسر بار ثابت خواهد بود و جریان مطابق با تغییرات مقاومت بار تغییر می کند. از طرف دیگر، حالت جریان ثابت اجازه می دهد تا جریان ثابت باشد اما ولتاژ را متناسب با تغییرات مقاومت بار تغییر دهد. همچنین، هر دو CV و CC می توانند در یک SMPS در دسترس باشند اما نمی توانند در یک زمان واحد کار کنند. وقتی هر دو گزینه در یک SMPS وجود دارند، باید محدوده ای وجود داشته باشد که SMPS عملکرد خروجی خود را از CV به CC و بالعکس تغییر دهد. به طور معمول از شارژرهای CC و CV حالت برای شارژ باتری های سرب اسید یا لیتیوم استفاده می شود.

ویژگی های حفاظت از ورودی و خروجی

مدارهای حفاظتی مختلفی وجود دارد که می‌توان از آنها برای عملیات ایمن‌تر و مطمئن‌تر در SMPS استفاده کرد. مدار حفاظت از SMPS و همچنین بار متصل محافظت می کند. بسته به محل، مدار حفاظتی را می توان در ورودی یا خروجی متصل کرد. رایج‌ترین محافظ ورودی، فیلترهای حفاظت از جریان و EMI است. حفاظت از ولتاژ از SMPS در برابر نوسانات ورودی یا اضافه ولتاژ AC محافظت می کند . فیلتر EMI از SMPS در برابر تولید EMI در سراسر خط ورودی محافظت می کند. در این پروژه هر دو ویژگی در دسترس خواهند بود. حفاظت خروجی شامل حفاظت از اتصال کوتاه ، حفاظت از ولتاژ بیش از حد و حفاظت جریان بیش از حد است. این طراحی SMPS شامل تمام این مدارهای حفاظتی نیز می شود.

انتخاب آی سی مدیریت انرژی

هر مدار SMPS به یک آی سی مدیریت انرژی نیاز دارد که به نام آی سی سوئیچینگ یا آی سی SMPS یا آی سی خشک کن نیز شناخته می شود. بیایید ملاحظات طراحی را برای انتخاب آی سی مدیریت انرژی ایده آل که برای طراحی ما مناسب است، جمع بندی کنیم. الزامات طراحی ما هستند

1. خروجی 15 وات 12 ولت 1.25 آمپر با ریپل کمتر از 30 میلی ولت pk-pk در بار کامل.
2. رتبه بندی ورودی جهانی
3. حفاظت از نوسانات ورودی
4. اتصال کوتاه خروجی، حفاظت از بیش از ولتاژ و جریان بیش از حد.
5. عملیات ولتاژ ثابت

از بین الزامات فوق، طیف گسترده ای از آی سی ها برای انتخاب وجود دارد، اما برای این پروژه ما یکپارچه سازی Power را انتخاب کرده ایم . Power integration یک شرکت نیمه هادی است که دارای طیف گسترده ای از آی سی های درایور قدرت در محدوده های مختلف خروجی برق است. بر اساس الزامات و در دسترس بودن، ما تصمیم گرفتیم از TNY268PN خانواده‌های کوچک سوئیچ II استفاده کنیم.

در تصویر بالا حداکثر توان 15W نشان داده شده است. با این حال، ما SMPS را در قاب باز و برای رتبه‌بندی ورودی جهانی می‌سازیم. در چنین قسمتی، TNY268PN می تواند خروجی 15 وات را ارائه دهد. بیایید نمودار پین را ببینیم.

طراحی مدار 12 ولت 1 آمپر SMPS

بهترین راه برای ساخت مدار استفاده از نرم افزار تخصصی PI Power integration است . این نرم افزار طراحی منبع تغذیه عالی است. مدار با استفاده از آی سی یکپارچه برق ساخته شده است. روش طراحی در زیر توضیح داده شده است، همچنین می توانید برای ویدیویی که همان را توضیح می دهد، به پایین اسکرول کنید.

مرحله -1: Tiny switch II را انتخاب کرده و بسته مورد نظر را نیز انتخاب کنید. ما بسته DIP را انتخاب کردیم. نوع Enclosure، Adapter یا Open Frame را انتخاب کنید. در اینجا Open Frame انتخاب شده است.

سپس نوع Feedback را انتخاب کنید. زیرا از توپولوژی Flyback استفاده می شود ضروری است. TL431 یک انتخاب عالی برای بازخورد است. TL431 یک تنظیم کننده شنت است و محافظت عالی در برابر ولتاژ و ولتاژ خروجی دقیق را ارائه می دهد.

مرحله 2: محدوده ولتاژ ورودی را انتخاب کنید. از آنجایی که یک SMPS ورودی جهانی خواهد بود، ولتاژ ورودی به عنوان 85-265 ولت AC انتخاب می شود. فرکانس خط 50 هرتز است.

مرحله 3:

ولتاژ، جریان و وات خروجی را انتخاب کنید. امتیاز SMPS 12V 1.25A خواهد بود. وات 15 وات را نشان می دهد. حالت عملیات نیز به عنوان CV انتخاب شده است، به معنی حالت کار با ولتاژ ثابت. در نهایت، همه چیز در سه مرحله آسان انجام می شود و شماتیک تولید می شود.

نمودار مدار 12 ولت SMPS و توضیح

مدار زیر کمی تغییر یافته است تا مطابق با پروژه ما باشد.

قبل از شروع مستقیم به ساخت نمونه اولیه، بیایید نمودار مدار 12 ولت SMPS و عملکرد آن را بررسی کنیم. مدار دارای بخش های زیر است

1. حفاظت از نوسانات ورودی و خطای SMPS
2. تبدیل AC-DC
3. فیلتر PI
4. مدار درایور یا مدار سوئیچینگ
5. حفاظت از قفل تحت ولتاژ
6. مدار گیره
7. عایق مغناطیسی و گالوانیکی
8. فیلتر EMI
9. مدار یکسو کننده ثانویه و اسنابر
10. بخش فیلتر
11. بخش بازخورد

حفاظت از نوسانات ورودی و خطای SMPS

این بخش از دو جزء F1 و RV1 تشکیل شده است. F1 یک فیوز آهسته 1A 250VAC و RV1 یک MOV 7mm 275V (متال اکسید واریستور) است. در طول یک نوسان ولتاژ بالا (بیش از 275 VAC)، MOV کوتاه شد و فیوز ورودی را منفجر کرد. با این حال، به دلیل ویژگی ضربه آهسته، فیوز در برابر جریان هجومی از طریق SMPS مقاومت می کند.

تبدیل AC-DC

این بخش توسط پل دیودی اداره می شود. این چهار دیود (داخل DB107) یک یکسو کننده پل کامل را می سازند . دیودها 1N4006 هستند، اما استاندارد 1N4007 می تواند کار را به خوبی انجام دهد. در این پروژه، این چهار دیود با یکسو کننده پل کامل DB107 جایگزین شده است.

فیلتر PI

ایالت های مختلف استاندارد رد EMI متفاوتی دارند. این طراحی استاندارد EN61000-Class 3 را تایید می کند و فیلتر PI به گونه ای طراحی شده است که رد EMI حالت معمولی را کاهش دهد . این بخش با استفاده از C1، C2 و L1 ایجاد شده است. C1 و C2 خازن های 400 ولت 18uF هستند. این یک مقدار عجیب و غریب است بنابراین 22uF 400V برای این برنامه انتخاب شده است. L1 یک چوک حالت معمولی است که سیگنال دیفرانسیل EMI را برای لغو هر دو دریافت می کند.

مدار درایور یا مدار سوئیچینگ

این قلب یک SMPS است. سمت اولیه ترانسفورماتور توسط مدار سوئیچینگ TNY268PN کنترل می شود. فرکانس سوئیچینگ 120-132 کیلو هرتز است. با توجه به این فرکانس سوئیچینگ بالا ، می توان از ترانسفورماتورهای کوچکتر استفاده کرد. مدار سوئیچینگ دارای دو جزء U1 و C3 می باشد. U1 درایور اصلی آی سی TNY268PN است. C3 خازن بای پس است که برای کار آی سی درایور ما مورد نیاز است.

حفاظت از قفل تحت ولتاژ

حفاظت از قفل تحت ولتاژ توسط مقاومت حسی R1 و R2 انجام می شود. زمانی استفاده می شود که SMPS به حالت راه اندازی مجدد خودکار می رود و ولتاژ خط را حس می کند.

مدار گیره

D1 و D2 مدار گیره هستند. D1 دیود TVS و D2 دیود بازیابی فوق سریع است . ترانسفورماتور یک سلف بزرگ در سراسر درایور برق IC TNY268PN عمل می کند. بنابراین در طول چرخه خاموش شدن، ترانسفورماتور به دلیل اندوکتانس نشتی ترانسفورماتور، سنبله های ولتاژ بالایی ایجاد می کند . این سنبله های ولتاژ فرکانس بالا توسط گیره دیود در سراسر ترانسفورماتور سرکوب می شوند. UF4007 به دلیل بازیابی فوق سریع و P6KE200A برای عملیات TVS انتخاب شده است.

عایق مغناطیسی و گالوانیکی

ترانسفورماتور یک ترانسفورماتور فرومغناطیسی است و نه تنها ولتاژ AC ولتاژ بالا را به ولتاژ AC پایین تبدیل می کند، بلکه عایق گالوانیکی را نیز فراهم می کند .

فیلتر EMI

فیلتر EMI توسط خازن C4 انجام می شود. برای کاهش تداخل EMI بالا، ایمنی مدار را افزایش می دهد.

مدار یکسو کننده ثانویه و اسنابر

خروجی ترانسفورماتور با استفاده از D6، یک دیود یکسو کننده شاتکی ، یکسو شده و به DC تبدیل می شود . مدار snubber در سراسر D6 باعث سرکوب ولتاژ گذرا در طول عملیات سوئیچینگ می شود. مدار اسنابر شامل یک مقاومت و یک خازن R3 و C5 است.

بخش فیلتر

بخش فیلتر از یک خازن فیلتر C6 تشکیل شده است. این یک خازن کم ESR برای دفع بهتر ریپل است. همچنین، یک فیلتر LC با استفاده از L2 و C7 رد ریپل بهتری را در خروجی ارائه می دهد.

بخش بازخورد

ولتاژ خروجی توسط U3 TL431 و R6 و R7 حس می شود. پس از سنجش خط، U2، اپتوکوپلر کنترل می شود و بخش حسگر بازخورد ثانویه را با کنترل کننده جانبی اولیه به صورت گالوانیکی جدا می کند. Optocoupler دارای یک ترانزیستور و یک LED در داخل آن است. با کنترل LED، ترانزیستور کنترل می شود. از آنجایی که ارتباط از طریق نوری انجام می شود، اتصال الکتریکی مستقیم ندارد، بنابراین عایق گالوانیکی در مدار بازخورد نیز تامین می شود. 

اکنون، از آنجایی که LED مستقیماً ترانزیستور را کنترل می کند، با ارائه بایاس کافی در سراسر LED اپتوکوپلر، می توان ترانزیستور اپتوکوپلر ، به ویژه مدار درایور را کنترل کرد. این سیستم کنترل توسط TL431 استفاده می شود. از آنجایی که رگولاتور شنت دارای یک تقسیم کننده مقاومت در سرتاسر پایه مرجع خود است، می تواند led optocoupler را که در سراسر آن متصل است، کنترل کند. پایه فیدبک دارای ولتاژ مرجع 2.5 ولت است. بنابراین، TL431 تنها در صورتی می تواند فعال باشد که ولتاژ دو طرف تقسیم کننده کافی باشد. در مورد ما، تقسیم کننده ولتاژ به مقدار 12 ولت تنظیم شده است. بنابراین، هنگامی که خروجی به 12 ولت می رسد، TL431 2.5 ولت در سراسر پایه مرجع دریافت می کند و بنابراین LED کوپلر را فعال می کند که ترانزیستور کوپلر را کنترل می کند و به طور غیر مستقیم TNY268PN را کنترل می کند. اگر ولتاژ در سرتاسر خروجی کافی نباشد، سیکل سوئیچینگ فوراً به حالت تعلیق در می آید. 

ابتدا، TNY268PN اولین چرخه سوئیچینگ را فعال می کند و سپس حس می کند که پین ​​EN است. اگر همه چیز درست باشد، تغییر را ادامه می دهد، اگر نه، بعد از گاهی اوقات یک بار دیگر تلاش می کند. این حلقه تا زمانی که همه چیز عادی شود ادامه می یابد، بنابراین از مشکلات اتصال کوتاه یا اضافه ولتاژ جلوگیری می کند. به همین دلیل است که توپولوژی flyback نامیده می شود، زیرا ولتاژ خروجی برای سنجش عملیات مربوطه به درایور باز می گردد. همچنین، حلقه تلاش در شرایط شکست، حالت سککه‌ای نامیده می‌شود.

D3 یک دیود مانع شاتکی است. این دیود خروجی AC فرکانس بالا را به DC تبدیل می کند. دیود شاتکی 3A 60 ولت برای عملکرد قابل اعتماد انتخاب شده است. R4 و R5 توسط PI Expert انتخاب و محاسبه می شود. این یک تقسیم کننده ولتاژ ایجاد می کند و جریان را از TL431 به LED Optocoupler منتقل می کند.

R6 و R7 یک تقسیم کننده ولتاژ ساده است که با فرمول TL431 REF ولتاژ = (Vout x R7) / R6 + R7 محاسبه می شود. ولتاژ مرجع 2.5 ولت و Vout 12 ولت است. با انتخاب مقدار R6 23.7k، R7 تقریباً 9.09k شد.

ساخت PCB برای مدار 12 ولت 1 آمپر SMPS

اکنون که متوجه شدیم شماتیک ها چگونه کار می کنند، می توانیم به ساخت PCB برای SMPS خود ادامه دهیم. از آنجایی که این یک مدار SMPS است، یک PCB توصیه می شود زیرا می تواند با مشکل نویز و ایزوله مقابله کند. طرح مدار چاپی مدار فوق نیز با عنوان Gerber از لینک قابل دانلود است

• دانلود فایل Gerber برای مدار 15W SMPS

اکنون که طرح ما آماده است، زمان آن رسیده است که آنها را با استفاده از فایل Gerber ساخته شوند. انجام PCB بسیار آسان است، به سادگی مراحل زیر را دنبال کنید

مرحله 1:   وارد  www.pcbgogo.com شوید ، اگر اولین بار است که ثبت نام کنید. سپس در تب PCB Prototype ابعاد PCB خود، تعداد لایه ها و تعداد PCB مورد نیاز خود را وارد کنید. با فرض اینکه PCB 80cm×80cm باشد، می توانید ابعاد را مطابق شکل زیر تنظیم کنید.

مرحله 2:  با کلیک بر روی  دکمه Quote Now  ادامه دهید. شما به صفحه ای هدایت خواهید شد که در صورت نیاز می توانید چند پارامتر اضافی مانند متریال استفاده شده از فاصله مسیر و غیره را تنظیم کنید. اما عمدتاً مقادیر پیش فرض به خوبی کار می کنند. تنها چیزی که در اینجا باید در نظر بگیریم قیمت و زمان است. همانطور که می بینید زمان ساخت تنها 2-3 روز است و فقط 5 دلار برای PSB ما هزینه دارد. سپس می توانید یک روش حمل و نقل ترجیحی را بر اساس نیاز خود انتخاب کنید.

مرحله 3:  مرحله آخر این است که فایل Gerber را آپلود کرده و پرداخت را ادامه دهید. برای اطمینان از روان بودن فرآیند، PCBGOGO قبل از پرداخت، تأیید می کند که آیا فایل Gerber شما معتبر است یا خیر. به این ترتیب می توانید مطمئن شوید که PCB شما برای ساخت مناسب است و به عنوان متعهد به دست شما می رسد.

مونتاژ PCB

پس از سفارش برد، پس از چند روز به دست من رسید، اما با پیک در جعبه ای که به خوبی برچسب بسته بندی شده بود و مانند همیشه کیفیت PCB عالی بود. PCB دریافت شده توسط من در زیر نشان داده شده است

میله لحیم کاری خود را روشن کردم و شروع به مونتاژ برد کردم. از آنجایی که ردپاها، پدها، ویاها و صفحه ابریشمی کاملاً از شکل و اندازه مناسبی برخوردارند، مشکلی در مونتاژ تخته نداشتم. مدار چاپی من که به محل اتصال لحیم کاری گیره شده است در زیر نشان داده شده است.

تامین قطعات

تمام اجزای این مدار 12 ولت 15 واتی SMPS طبق طرح شماتیک تهیه شده است. جزئیات BOM را می توانید در فایل اکسل زیر برای دانلود بیابید.

• طراحی SMPS 15 واتی – صورتحساب مواد

تقریباً همه اجزا به راحتی در دسترس هستند تا از قفسه استفاده شوند. ممکن است در یافتن ترانسفورماتور مناسب برای این پروژه با مشکل مواجه شوید. معمولاً برای یک ترانسفورماتور فلای بک سوئیچینگ مدار SMPS مستقیماً از سوی فروشندگان در دسترس نیست، در بیشتر موارد در صورت نیاز به نتایج کارآمد باید ترانسفورماتور خود را باد کنید. با این حال، استفاده از ترانسفورماتور فلای بک مشابه نیز اشکالی ندارد و مدار شما همچنان کار خواهد کرد. مشخصات ایده آل برای ترانسفورماتور ما توسط نرم افزار PI Expert که قبلا استفاده کردیم ارائه می شود. 

نمودار مکانیکی و الکتریکی ترانسفورماتور بدست آمده از PI Expert در زیر نشان داده شده است.

اگر نمی توانید فروشنده مناسب را پیدا کنید، می توانید یک ترانسفورماتور را از یک آداپتور 12 ولت یا سایر مدارهای SMPS نجات دهید. همچنین می توانید ترانسفورماتور خود را با استفاده از مواد و دستورالعمل سیم پیچ زیر بسازید.

پس از تهیه تمام اجزاء، مونتاژ آنها باید آسان باشد. می توانید از فایل Gerber و BOM برای مرجع استفاده کنید و برد PCB را مونتاژ کنید. پس از اتمام، سمت جلو و پشت PCB من چیزی شبیه به این در زیر به نظر می رسد

آزمایش مدار 15W SMPS ما

اکنون که مدار ما آماده است، وقت آن است که آن را برای چرخش برداریم. ما برد را از طریق VARIAC به شبکه Ac خود وصل می کنیم و سمت خروجی را با یک ماشین بارگذاری می کنیم و ولتاژ ریپل را اندازه می گیریم تا عملکرد مدار خود را بررسی کنیم. ویدئوی کامل مراحل تست نیز در انتهای این صفحه موجود است. تصویر زیر مدار تست شده با ولتاژ AC ورودی 230 ولت AC را نشان می دهد که خروجی آن 12.08 ولت است.

اندازه گیری ولتاژ ریپل با استفاده از اسیلوسکوپ

برای اندازه گیری ولتاژ ریپل با اسیلوسکوپ، ورودی دامنه را به AC با بهره 1x تغییر دهید. سپس یک خازن الکترولیتی کم ارزش و یک خازن سرامیکی کم ارزش را برای کاهش نویز ناشی از سیم کشی وصل کنید. برای اطلاعات بیشتر در مورد این روش می توانید به صفحه 40 این سند RDR-295 از Power Integration مراجعه کنید. 

عکس فوری زیر در شرایط بدون بار در هر دو ولتاژ 85 ولت و 230 ولت گرفته شده است. مقیاس در هر تقسیم 10 میلی ولت تنظیم شده است و همانطور که می بینید ریپل تقریباً 10 میلی ولت pk-pk است.

در ورودی 90VAC و با بار کامل، ریپل را می توان در حدود 20mV pk-pk مشاهده کرد.

در ولتاژ 230 VAC و در بار کامل، ولتاژ ریپل در حدود 30 میلی ولت pk-pk اندازه گیری می شود که بدترین حالت ممکن است.

همین است؛ به این ترتیب می توانید مدار 12 ولت SMPS خود را طراحی کنید . هنگامی که کار را فهمیدید، می توانید نمودار مدار 12 ولت SMPS را متناسب با ولتاژ و توان مورد نیاز خود تغییر دهید. امیدوارم که آموزش را متوجه شده باشید و از یادگیری مطالب مفیدی لذت برده باشید. اگر سوالی دارید در بخش نظرات مطرح کنید یا از انجمن های ما برای بحث های فنی استفاده کنید. با یکی دیگر از طراحی های جالب SMPS دوباره شما را ملاقات خواهم کرد، تا آن زمان

منبع

https://circuitdigest.com/electronic-circuits/12v-smps-power-supply-circuit-design-on-pcb