Projeto de circuito de fonte de alimentação 12V 1a smps no pcb

Cada dispositivo ou produto eletrônico requer uma unidade de fonte de alimentação (PSU) confiável para operá-lo. Quase todos os dispositivos em nossa casa, como TV, impressora, reprodutor de música, etc., consistem em uma fonte de alimentação integrada que converte a tensão CA da rede elétrica em um nível adequado de tensão CC para que funcionem. O tipo de circuito de fonte de alimentação mais comumente usado é o SMPS (Switching Mode Power Supply), você pode encontrar facilmente este tipo de circuito em seu adaptador de 12V ou carregador de celular / laptop. Neste tutorial, aprenderemos como construir um circuito SMPS de 12vque converteria a alimentação CA em 12 V CC com uma classificação de corrente máxima de 1,25 A. Este circuito pode ser usado para alimentar pequenas cargas ou até mesmo ser adaptado a um carregador para carregar baterias de chumbo-ácido e de lítio. Se este circuito de fonte de alimentação 12v 15watt não atender aos seus requisitos, você pode verificar vários circuitos de fonte de alimentação com classificações diferentes.

Circuito 12v SMPS - Considerações sobre o projeto

Antes de prosseguir com qualquer tipo de projeto de fonte de alimentação, a análise de requisitos deve ser feita com base no ambiente em que nossa fonte de alimentação será usada. Diferentes tipos de fonte de alimentação funcionam em diferentes ambientes e com limites específicos de entrada e saída.

Especificação de entrada

Vamos começar com a entrada. Uma tensão de alimentação de entrada é a primeira coisa que será usada pelo SMPS e será transformada em um valor útil para alimentar a carga. Como este projeto é especificado para conversão AC-DC, a entrada será corrente alternada (AC). Para a Índia, a entrada AC está disponível em 220-230 volts, para os EUA é classificada para 110 volts. Existem também outras nações que usam diferentes níveis de tensão. Geralmente, SMPS funciona com tensão de entrada universalalcance. Isso significa que a tensão de entrada pode ser diferente de 85 Vca a 265 Vca. O SMPS pode ser usado em qualquer país e pode fornecer uma saída estável de carga total se a tensão estiver entre 85-265 V CA. O SMPS também deve funcionar normalmente nas frequências de 50 Hz e 60 Hz. Esta é a razão pela qual podemos usar nossos carregadores de telefone e laptop em qualquer país.

Especificação de saída

Do lado da saída, poucas cargas são resistivas, poucas são indutivas. Dependendo da carga, a construção de um SMPS pode ser diferente. Para este SMPS, a carga é assumida como uma carga resistiva. No entanto, não há nada como uma carga resistiva, cada carga consiste em pelo menos alguma quantidade de indutância e capacitância; aqui é assumido que a indutância e a capacitância da carga são desprezíveis.

A especificação de saída de um SMPS é altamente confiável na carga, como quanta tensão e corrente serão exigidas pela carga em todas as condições operacionais. Para este projeto, o SMPS poderia fornecer 15W de saída. É 12V e 1,25A. A ondulação de saída desejada é selecionada como menos 30mV pk-pk na largura de banda de 20.000 Hz.

Com base na carga de saída, também temos que decidir entre projetar um SMPS de tensão constante ou um SMPS de corrente constante. Tensão constante significa que a tensão na carga será constante e a corrente será alterada de acordo com as mudanças na resistência da carga. Por outro lado, o modo de corrente constante permitirá que a corrente seja constante, mas mudará a tensão de acordo com as mudanças na resistência da carga. Além disso, CV e CC podem estar disponíveis em um SMPS, mas não podem funcionar ao mesmo tempo. Quando ambas as opções existem em um SMPS, deve haver um intervalo em que o SMPS mudará sua operação de saída de CV para CC e vice-versa. Normalmente, os carregadores de modo CC e CV são usados para carregar baterias de chumbo-ácido ou de lítio.

Recursos de proteção de entrada e saída

Existem vários circuitos de proteção que podem ser empregados no SMPS para operações mais seguras e confiáveis. O circuito de proteção protege o SMPS, bem como a carga conectada. Dependendo da localização, o circuito de proteção pode ser conectado na entrada ou na saída. A proteção de entrada mais comum é a proteção contra surtos e filtros EMI. Proteção contra surtos protege os SMPS da entrada surtos ou sobretensão AC. O filtro EMI protege o SMPS da geração de EMI na linha de entrada. Neste projeto, ambos os recursos estarão disponíveis. A proteção de saída inclui proteção contra curto-circuito, proteção contra sobretensão e proteção contra sobrecarga de corrente. Este projeto SMPS também incluirá todos esses circuitos de proteção.

Seleção do CI de gerenciamento de energia

Cada circuito SMPS requer um IC de gerenciamento de energia, também conhecido como switching IC ou SMPS IC ou Drier IC. Vamos resumir as considerações de design para selecionar o CI de gerenciamento de energia ideal que será adequado para nosso design. Nossos requisitos de design são

Saída de 15W. 12 V 1,25 A com menos de 30 mV de ondulação pk-pk em carga total.
Classificação de entrada universal.
Proteção contra surtos de entrada.
Saída de curto-circuito, sobretensão e proteção contra sobrecarga de corrente.
Operações de tensão constante.

Dos requisitos acima, há uma grande variedade de ICs para escolher, mas para este projeto, selecionamos integração de energia. A Power Integration é uma empresa de semicondutores que possui uma ampla variedade de CIs de driver de potência em várias faixas de potência de saída. Com base nos requisitos e disponibilidade, decidimos usar o TNY268PN de famílias de pequenos switches II.

Na imagem acima, a potência máxima de 15W é mostrada. No entanto, faremos o SMPS no quadro aberto e para a classificação de entrada universal. Em tal segmento, TNY268PN poderia fornecer 15W de saída. Vamos ver o diagrama de pinos.

Projetando o circuito 12v 1Amp SMPS

A melhor maneira de construir o circuito é usar o software PI expert do Power integration. É um excelente software de design de fonte de alimentação. O circuito é construído usando Power Integration IC. O procedimento de design é explicado abaixo, alternativamente, você também pode rolar para baixo para o vídeo explicando o mesmo.

Passo -1: Selecione o switch Tiny II e também selecione o pacote desejado. Selecionamos o pacote DIP. Selecione o tipo de gabinete, adaptador ou estrutura aberta. Aqui, Open Frame é selecionado.

Em seguida, selecione o tipo de feedback. É essencial porque a topologia Flyback é usada. TL431 é uma excelente escolha para feedback. O TL431 é um regulador de derivação e fornecerá excelente proteção contra sobretensão e tensão de saída precisa.

Etapa 2: Selecione a faixa de tensão de entrada. Como será um SMPS de entrada universal, a tensão de entrada é selecionada como 85-265 V CA. A frequência da linha é 50 Hz.

Etapa 3:

Selecione a tensão, a corrente e a potência de saída. A classificação SMPS será 12V 1,25A. A potência está mostrando 15W. O modo de operação também é selecionado como CV, significa modo de operação de tensão constante. Por fim, tudo é feito em três etapas fáceis e o esquema é gerado.

Diagrama de circuito SMPS 12V e explicação

O circuito abaixo foi ligeiramente modificado para se adequar ao nosso projeto.

Antes de ir direto para a construção do protótipo, vamos explorar o diagrama de circuito SMPS 12v e sua operação. O circuito tem as seguintes seções

Proteção contra surto de entrada e falha SMPS
Conversão AC-DC
Filtro PI
Circuito do driver ou circuito de comutação
Proteção de bloqueio de subtensão.
Circuito de grampo
Isolamento magnético e galvânico
Filtro EMI
Retificador secundário e circuito de amortecimento
Seção de Filtro
Seção de feedback.

Proteção contra surto de entrada e falha SMPS

Esta seção consiste em dois componentes, F1 e RV1. F1 é um fusível lento 1A 250VAC e RV1 é um MOV (varistor de óxido metálico) de 7 mm 275V. Durante um surto de alta tensão (mais de 275 VCA), o MOV ficou em curto e queima o fusível de entrada. No entanto, devido ao recurso de queima lenta, o fusível resiste à corrente de inrush através do SMPS.

Conversão AC-DC

Esta seção é governada pela ponte de diodos. Esses quatro diodos (dentro do DB107) fazem um retificador de ponte completa. Os diodos são 1N4006, mas o padrão 1N4007 pode fazer o trabalho perfeitamente. Neste projeto, esses quatro diodos são substituídos por um retificador de ponte completa DB107.

Filtro PI

Diferentes estados têm diferentes padrões de rejeição de EMI. Este projeto confirma o padrão EN61000-Classe 3 e o filtro PI é projetado de forma a reduzir a rejeição EMI de modo comum. Esta seção é criada usando C1, C2 e L1. C1 e C2 são capacitores de 400 V 18uF. É um valor ímpar, portanto 22uF 400 V é selecionado para esta aplicação. O L1 é um choke de modo comum que recebe o sinal EMI diferencial para cancelar ambos.

Circuito do driver ou circuito de comutação

É o coração de um SMPS. O lado primário do transformador é controlado pelo circuito de comutação TNY268PN. A frequência de comutação é 120-132 khz. Devido a esta alta frequência de chaveamento, transformadores menores podem ser usados. O circuito de comutação tem dois componentes, U1 e C3. U1 é o principal driver IC TNY268PN. O C3 é o capacitor de bypass necessário para o funcionamento do nosso driver IC.

Proteção de bloqueio de subtensão

A proteção de bloqueio de subtensão é feita pelo resistor de detecção R1 e R2. É usado quando o SMPS entra no modo de reinicialização automática e detecta a tensão da linha.

Circuito de grampo

D1 e D2 são o circuito do grampo. D1 é o diodo TVS e D2 é um diodo de recuperação ultrarrápido. O transformador atua como um indutor enorme em todo o driver de potência IC TNY268PN. Portanto, durante o ciclo de desligamento, o transformador cria picos de alta tensão devido à indutância de fuga do transformador. Esses picos de tensão de alta frequência são suprimidos pelo grampo do diodo no transformador. UF4007 é selecionado devido à recuperação ultrarrápida e P6KE200A é selecionado para a operação TVS.

Isolamento magnético e galvânico

O transformador é um transformador ferromagnético e não apenas converte CA de alta tensão em CA de baixa tensão, mas também fornece isolamento galvânico.

Filtro EMI

A filtragem EMI é feita pelo capacitor C4. Aumenta a imunidade do circuito para reduzir a alta interferência EMI.

Circuito retificador secundário e amortecedor

A saída do transformador é retificada e convertida para CC usando D6, um diodo retificador Schottky. O circuito de amortecimento através do D6 fornece supressão do transiente de tensão durante as operações de comutação. O circuito de amortecimento consiste em um resistor e um capacitor, R3 e C5.

Seção de Filtro

A seção do filtro consiste em um capacitor de filtro C6. É um capacitor de baixo ESR para melhor rejeição de ondulação. Além disso, um filtro LC usando L2 e C7 fornece melhor rejeição de ondulação na saída.

Seção de feedback

A tensão de saída é detectada pelo U3 TL431 e R6 e R7. Depois de detectar a linha U2, o optoacoplador é controlado e isola galvanicamente a porção de detecção de feedback secundário com o controlador lateral primário. O optoacoplador possui um transistor e um LED dentro dele. Ao controlar o LED, o transistor é controlado. Como a comunicação é feita opticamente, não há conexão elétrica direta, satisfazendo também o isolamento galvânico no circuito de realimentação.

Agora, como o LED controla diretamente o transistor, fornecendo polarização suficiente através do LED do optoacoplador, pode-se controlar o transistor do optoacoplador, mais especificamente o circuito do driver. Este sistema de controle é empregado pelo TL431. Como o regulador shunt tem um divisor de resistor em seu pino de referência, ele pode controlar o led do optoacoplador que está conectado a ele. O pino de feedback tem uma voltagem de referência de 2,5V. Portanto, o TL431 pode estar ativo somente se a tensão através do divisor for suficiente. Em nosso caso, o divisor de tensão definido para um valor de 12V. Portanto, quando a saída atinge 12 V, o TL431 obtém 2,5 V no pino de referência e, assim, ativa o LED do optoacoplador que controla o transistor do optoacoplador e indiretamente controla o TNY268PN. Se a tensão não for suficiente na saída, o ciclo de comutação é imediatamente suspenso.

Primeiro, o TNY268PN ativa o primeiro ciclo de comutação e, em seguida, detecta seu pino EN. Se tudo estiver bem, ele continuará a troca, caso contrário, ele tentará novamente depois de algumas vezes. Este loop continua até que tudo fique normal, evitando problemas de curto-circuito ou sobretensão. É por isso que é chamada de topologia flyback, uma vez que a tensão de saída é enviada de volta ao driver para detectar operações relacionadas. Além disso, o loop de tentativa é chamado de modo de operação soluço na condição de falha.

O D3 é um diodo de barreira Schottky. Este diodo converte a saída CA de alta frequência em CC. 3A Diodo Schottky 60V é selecionado para operação confiável. R4 e R5 são selecionados e calculados pelo PI Expert. Ele cria um divisor de tensão e passa a corrente para o LED do optoacoplador do TL431.

R6 e R7 é um divisor de tensão simples calculado pela fórmula TL431 REF tensão = (Vout x R7) / R6 + R7. A tensão de referência é 2,5 V e o Vout é 12 V. Ao selecionar o valor de R6 23,7k, o R7 tornou-se aproximadamente 9,09k.

Fabricação de PCB para circuito 12v 1A SMPS

Agora que entendemos como o esquema funciona, podemos prosseguir com a construção do PCB para nosso SMPS. Como este é um circuito SMPS, um PCB é recomendado, pois pode lidar com problemas de ruído e isolamento. O layout de PCB para o circuito acima também está disponível para download como Gerber no link

Baixe o arquivo Gerber para o circuito SMPS de 15W

Agora que o nosso Design está pronto, é hora de fabricá-los usando o arquivo Gerber. Para fazer o PCB é muito fácil, basta seguir as etapas abaixo

Etapa 1: Acesse www.pcbgogo.com, inscreva-se se esta for sua primeira vez. Então, na guia Protótipo de PCB, insira as dimensões de seu PCB, o número de camadas e o número de PCB que você precisa. Assumindo que o PCB tem 80 cm × 80 cm, você pode definir as dimensões conforme mostrado abaixo.

Etapa 2: Continue clicando no botão Citar Agora . Você será levado a uma página onde definir alguns parâmetros adicionais, se necessário, como o material usado, espaçamento entre pistas, etc. Mas principalmente os valores padrão funcionarão bem. A única coisa que devemos considerar aqui é o preço e o tempo. Como você pode ver, o Build Time é de apenas 2-3 dias e custa apenas US $ 5 para nosso PSB. Você pode então selecionar um método de envio preferido com base em sua necessidade.

Etapa 3: A última etapa é fazer o upload do arquivo Gerber e prosseguir com o pagamento. Para garantir que o processo está tranquilo, o PCBGOGO verifica se seu arquivo Gerber é válido antes de prosseguir com o pagamento. Dessa forma, você pode ter certeza de que seu PCB é amigável para a fabricação e chegará até você quando estiver comprometido.

Montagem do PCB

Depois que a placa foi encomendada, ela chegou até mim depois de alguns dias através do correio em uma caixa bem etiquetada e bem embalada e como sempre a qualidade do PCB era incrível. O PCB que foram recebidos por mim é mostrado abaixo

Liguei minha haste de solda e comecei a montar a placa. Como as pegadas, pads, vias e silkscreen são perfeitamente do tamanho e formato corretos, não tive problemas para montar a placa. Meu PCB preso ao torno de solda é mostrado abaixo.

Aquisição de Componentes

Todos os componentes para este circuito SMPS 12v 15w são adquiridos de acordo com o esquema. O BOM detalhado pode ser encontrado no arquivo Excel abaixo para download.

Projeto SMPS 15W - Lista de Materiais

Quase todos os componentes estão prontamente disponíveis para serem usados na prateleira. Você pode encontrar problemas para encontrar o transformador certo para este projeto. Normalmente, para um circuito SMPS, o transformador flyback de comutação não está disponível diretamente com os fornecedores; na maioria dos casos, você deve enrolar seu próprio transformador se precisar de resultados eficientes. No entanto, também não há problema em usar um transformador flyback semelhante e seu circuito ainda funcionará. A especificação ideal para nosso transformador será fornecida pelo software PI Expert que usamos anteriormente.

O diagrama mecânico e elétrico do transformador obtido do PI Expert é mostrado abaixo.

Se você não conseguir encontrar o fornecedor certo, pode recuperar um transformador de um adaptador de 12 V ou de outros circuitos SMPS. Alternativamente, você também pode construir seu próprio transformador, usando os seguintes materiais e instruções de enrolamento.

Depois que todos os componentes forem adquiridos, montá-los deve ser fácil. Você pode usar o arquivo Gerber e o BOM para referência e montar a placa PCB. Uma vez feito meu PCB frente e verso parece algo assim abaixo

Testando nosso circuito SMPS de 15W

Agora que nosso circuito está pronto, é hora de dar uma volta. Iremos conectar a placa à nossa rede AC através de um VARIAC e carregar o lado de saída com uma máquina de carga e medir a tensão de ondulação para verificar o desempenho do nosso circuito. O vídeo completo do procedimento de teste também pode ser encontrado no final desta página. A imagem abaixo mostra o circuito testado com uma tensão CA de entrada de 230 V CA para a qual obtemos uma saída de 12,08 V

Medindo a tensão de ondulação usando o osciloscópio

Para medir a tensão de ondulação com osciloscópio, mude a entrada do osciloscópio para CA com um ganho de 1x. Em seguida, conecte um capacitor eletrolítico de baixo valor e um capacitor de cerâmica de baixo valor para obter reduções de ruído devido à fiação. Você pode consultar a página 40 deste documento RDR-295 da Power Integration para obter mais informações sobre este procedimento.

O instantâneo abaixo foi obtido na condição sem carga em 85VAC e 230VAC. A escala é definida em 10mV por divisão e como você pode ver a ondulação é quase 10mV pk-pk.

Na entrada de 90 VCA e com carga total, a ondulação pode ser vista em torno de 20mV pk-pk

Em 230VAC e em plena carga, a tensão ondulada é medida em cerca de 30mV pk-pk, que é o pior cenário

É isso; é assim que você pode projetar seu próprio circuito SMPS de 12v. Depois de entender o funcionamento, você pode alterar o diagrama de circuito SMPS de 12v para se adequar aos seus requisitos de tensão e energia. Espero que você tenha entendido o tutorial e gostado de aprender algo útil. Se você tiver alguma dúvida, deixe-a na seção de comentários ou use nossos fóruns para discussões técnicas. Encontrarei você novamente com outro design SMPS interessante, até então assinando….