Desain rangkaian power supply 12V 1a smps pada pcb

Setiap perangkat atau produk elektronik membutuhkan unit catu daya (PSU) yang andal untuk mengoperasikannya. Hampir semua perangkat di rumah kita, seperti TV, Printer, Pemutar Musik, dll. Terdiri dari unit catu daya yang terpasang di dalamnya yang mengubah tegangan listrik AC ke tingkat tegangan DC yang sesuai untuk dioperasikan. Jenis rangkaian catu daya yang paling umum digunakan adalah SMPS (Switching Mode Power Supply), Anda dapat dengan mudah menemukan jenis rangkaian ini di adaptor 12V atau pengisi daya Seluler / Laptop. Dalam tutorial ini kita akan belajar bagaimana membangun sirkuit SMP 12vyang akan mengubah daya listrik AC menjadi 12V DC dengan nilai arus maksimum 1,25A. Sirkuit ini dapat digunakan untuk memberi daya pada beban kecil atau bahkan diadaptasi menjadi pengisi daya untuk mengisi daya baterai timbal-asam dan litium. Jika rangkaian catu daya 12v 15watt ini tidak sesuai dengan kebutuhan Anda, Anda dapat memeriksa berbagai rangkaian catu daya dengan peringkat berbeda.

Sirkuit SMPS 12v - Pertimbangan Desain

Sebelum melanjutkan dengan segala jenis desain catu daya, analisis kebutuhan harus dilakukan berdasarkan lingkungan tempat catu daya kami akan digunakan. Jenis catu daya yang berbeda bekerja di lingkungan yang berbeda dan dengan batasan input-output tertentu.

Spesifikasi Input

Mari kita mulai dengan masukan. Tegangan suplai input adalah hal pertama yang akan digunakan oleh SMPS dan akan diubah menjadi nilai yang berguna untuk memberi makan beban. Karena desain ini ditentukan untuk konversi AC-DC, inputnya adalah Arus bolak-balik (AC). Untuk India, input AC tersedia dalam 220-230 volt, untuk AS nilainya 110 volt. Ada juga negara lain yang menggunakan level voltase berbeda. Umumnya, SMP bekerja dengan tegangan input universaljarak. Ini berarti tegangan input dapat berbeda dari 85V AC hingga 265V AC. SMPS dapat digunakan di negara mana pun dan dapat memberikan output beban penuh yang stabil jika voltase antara 85-265V AC. SMPS juga harus berfungsi normal di bawah frekuensi 50Hz dan 60Hz. Inilah alasan mengapa kami dapat menggunakan pengisi daya ponsel dan laptop kami di negara mana pun.

Spesifikasi Keluaran

Di sisi keluaran, beberapa beban bersifat resistif, sedikit yang induktif. Bergantung pada beban, konstruksi SMP bisa berbeda. Untuk SMP ini beban diasumsikan sebagai beban resistif. Namun, tidak ada yang seperti beban resistif, setiap beban terdiri dari setidaknya sejumlah induktansi dan kapasitansi; di sini diasumsikan bahwa induktansi dan kapasitansi beban dapat diabaikan.

Spesifikasi keluaran dari sebuah SMP sangat bergantung pada Beban, seperti berapa banyak tegangan dan arus yang akan dibutuhkan oleh beban dalam semua kondisi operasi. Untuk proyek ini, SMPS dapat menyediakan output 15W. Ini adalah 12V dan 1,25A. Riak keluaran yang ditargetkan dipilih sebagai kurang dari 30mV pk-pk pada bandwidth 20000 Hz.

Berdasarkan beban keluaran, kita juga harus memutuskan antara merancang sebuah SMPS Tegangan Konstan atau SMPS Arus Konstan. Tegangan konstan berarti tegangan yang melintasi beban akan konstan dan arus akan berubah sesuai dengan perubahan resistansi beban. Di sisi lain, mode arus konstan akan memungkinkan arus menjadi konstan tetapi mengubah tegangan sesuai dengan perubahan resistansi beban. Selain itu, CV dan CC dapat tersedia di SMP tetapi tidak dapat berfungsi dalam satu waktu. Jika kedua opsi tersebut ada di SMP, perlu ada rentang saat SMPS akan mengubah operasi keluarannya dari CV ke CC dan sebaliknya. Biasanya pengisi daya mode CC dan CV digunakan untuk mengisi baterai asam timbal atau lithium.

Fitur Perlindungan Input dan Output

Ada berbagai sirkuit perlindungan yang dapat digunakan pada SMP untuk operasi yang lebih aman dan andal. Sirkuit proteksi melindungi SMP serta beban yang terhubung. Bergantung pada lokasinya, sirkuit perlindungan dapat dihubungkan melintasi input atau melintasi output. Perlindungan masukan yang paling umum adalah Perlindungan Surge dan filter EMI. Perlindungan lonjakan melindungi SMP dari lonjakan input atau tegangan berlebih AC. Filter EMI melindungi SMP dari pembuatan EMI di seluruh jalur input. Dalam proyek ini, kedua fitur tersebut akan tersedia. Proteksi keluaran meliputi proteksi hubung singkat, proteksi tegangan berlebih dan proteksi arus berlebih. Desain SMPS ini juga akan mencakup semua sirkuit perlindungan ini.

Pemilihan IC Manajemen Daya

Setiap rangkaian SMPS membutuhkan IC Manajemen Daya yang juga dikenal sebagai IC switching atau IC SMPS atau IC Drier. Mari kita simpulkan pertimbangan desain untuk memilih IC Manajemen Daya yang ideal yang akan cocok untuk desain kita. Persyaratan Desain kami adalah

Keluaran 15W. 12V 1,25A dengan riak pk-pk kurang dari 30mV pada beban penuh.
Peringkat masukan universal.
Perlindungan lonjakan input.
Output hubung singkat, tegangan berlebih dan proteksi arus berlebih.
Operasi tegangan konstan.

Dari persyaratan di atas ada berbagai macam IC untuk dipilih, tetapi untuk proyek ini kami telah memilih Integrasi daya. Integrasi daya adalah perusahaan semi-konduktor yang memiliki berbagai IC driver daya dalam berbagai rentang keluaran daya. Berdasarkan persyaratan dan ketersediaan kami telah memutuskan untuk menggunakan TNY268PN dari kelompok kecil saklar II.

Pada gambar di atas, daya maksimum 15W ditampilkan. Namun, kami akan membuat SMP dalam bingkai terbuka dan untuk peringkat input universal. Di segmen seperti itu, TNY268PN bisa menyediakan output 15W. Mari kita lihat diagram pin.

Merancang Sirkuit SMPS 12v 1Amp

Cara terbaik untuk membangun sirkuit adalah dengan menggunakan perangkat lunak pakar PI integrasi Daya. Ini adalah perangkat lunak desain catu daya yang sangat baik. Sirkuit ini dibangun menggunakan IC Integrasi Daya. Prosedur desain dijelaskan di bawah, sebagai alternatif Anda juga dapat menggulir ke bawah untuk video yang menjelaskan hal yang sama.

Langkah -1: Pilih Tiny switch II dan juga pilih paket yang diinginkan. Kami memilih paket DIP. Pilih tipe Enklosur, Adaptor atau Bingkai Terbuka. Di sini Open Frame dipilih.

Kemudian pilih jenis Umpan Balik. Ini penting karena topologi flyback digunakan. TL431 adalah pilihan tepat untuk umpan balik. TL431 adalah regulator shunt dan akan memberikan perlindungan tegangan berlebih yang sangat baik dan tegangan keluaran yang akurat.

Langkah-2: Pilih kisaran tegangan input. Karena ini akan menjadi SMP input universal, tegangan input dipilih sebagai 85-265V AC. Frekuensi Saluran adalah 50 Hz.

Langkah- 3:

Pilih tegangan keluaran, arus, dan watt. Peringkat SMPS akan menjadi 12 V 1,25A. Watt menunjukkan 15W. Mode operasi juga dipilih sebagai CV, berarti mode operasi tegangan konstan. Akhirnya, semuanya dilakukan dalam tiga langkah mudah, dan skema dibuat.

Diagram Sirkuit dan Penjelasan 12V SMPS

Sirkuit di bawah ini sedikit dimodifikasi agar sesuai dengan proyek kami.

Sebelum langsung membuat bagian prototipe, mari jelajahi diagram sirkuit SMPS 12v dan operasinya. Sirkuit memiliki bagian-bagian berikut

Lonjakan input dan perlindungan kesalahan SMPS
Konversi AC-DC
Filter PI
Sirkuit driver atau sirkuit Switching
Perlindungan penguncian di bawah tegangan.
Sirkuit penjepit
Magnet dan isolasi galvanik
Filter EMI
Rectifier Sekunder dan sirkuit snubber
Bagian Filter
Bagian umpan balik.

Lonjakan input dan perlindungan kesalahan SMPS

Bagian ini terdiri dari dua komponen, F1 dan RV1. F1 adalah sekering slow blow 1A 250VAC dan RV1 adalah MOV (Metal Oxide Varistor) 7mm 275V. Selama lonjakan tegangan tinggi (lebih dari 275VAC), MOV menjadi mati pendek dan putus sekring input. Namun, karena fitur slow blow, sekring menahan arus masuk melalui SMPS.

Konversi AC-DC

Bagian ini diatur oleh jembatan dioda. Keempat dioda ini (di dalam DB107) membuat penyearah jembatan penuh. Dioda adalah 1N4006, tetapi 1N4007 standar dapat melakukan pekerjaan dengan sempurna. Dalam proyek ini, keempat dioda ini diganti dengan penyearah jembatan penuh DB107.

Filter PI

Negara bagian yang berbeda memiliki standar penolakan EMI yang berbeda. Desain ini menegaskan standar EN61000-Class 3 dan filter PI dirancang sedemikian rupa untuk mengurangi penolakan EMI mode-umum. Bagian ini dibuat menggunakan C1, C2, dan L1. C1 dan C2 adalah kapasitor 400V 18uF. Ini adalah nilai ganjil sehingga 22uF 400V dipilih untuk aplikasi ini. L1 adalah mode tersedak umum yang mengambil sinyal EMI diferensial untuk membatalkan keduanya.

Sirkuit driver atau sirkuit switching

Itu adalah inti dari sebuah SMP. Sisi utama transformator dikendalikan oleh rangkaian switching TNY268PN. Frekuensi switching 120-132khz. Karena frekuensi switching yang tinggi ini, transformator yang lebih kecil dapat digunakan. Sirkuit switching memiliki dua komponen, U1, dan C3. U1 adalah IC driver utama TNY268PN. C3 adalah kapasitor bypass yang diperlukan untuk kerja IC driver kami.

Perlindungan penguncian di bawah tegangan

Perlindungan penguncian di bawah tegangan dilakukan oleh resistor sensor R1 dan R2. Ini digunakan ketika SMP masuk ke mode restart otomatis dan merasakan tegangan saluran.

Sirkuit penjepit

D1 dan D2 adalah sirkuit penjepit. D1 adalah dioda TVS dan D2 adalah dioda pemulihan sangat cepat. Trafo bertindak sebagai induktor besar di seluruh IC driver daya TNY268PN. Oleh karena itu selama mematikan-siklus, transformator menciptakan lonjakan tegangan tinggi karena induktansi kebocoran transformator. Lonjakan tegangan frekuensi tinggi ini ditekan oleh penjepit dioda yang melintasi transformator. UF4007 dipilih karena pemulihan yang sangat cepat dan P6KE200A dipilih untuk pengoperasian TVS.

Magnet dan isolasi galvanik

Trafo adalah trafo feromagnetik dan tidak hanya mengubah AC tegangan tinggi menjadi ac tegangan rendah tetapi juga menyediakan isolasi galvanik.

Filter EMI

Penyaringan EMI dilakukan oleh kapasitor C4. Ini meningkatkan kekebalan sirkuit untuk mengurangi gangguan EMI yang tinggi.

Sirkuit Penyearah dan Snubber Sekunder

Output dari transformator diperbaiki dan diubah menjadi DC menggunakan D6, dioda penyearah Schottky. Sirkuit snubber melintasi D6 memberikan penekanan transien tegangan selama operasi switching. Rangkaian snubber terdiri dari satu resistor dan satu kapasitor, R3, dan C5.

Bagian Filter

Bagian filter terdiri dari kapasitor filter C6. Ini adalah kapasitor ESR Rendah untuk penolakan riak yang lebih baik. Selain itu, filter LC yang menggunakan L2 dan C7 memberikan penolakan riak yang lebih baik di seluruh output.

Bagian umpan balik

Tegangan keluaran dirasakan oleh U3 TL431 dan R6 dan R7. Setelah merasakan garis, U2, optocoupler dikontrol dan secara galvanis mengisolasi bagian penginderaan umpan balik sekunder dengan pengontrol sisi primer. Optocoupler memiliki transistor dan LED di dalamnya. Dengan mengontrol LED, transistor dikontrol. Karena komunikasi dilakukan secara optik, ia tidak memiliki sambungan listrik langsung, sehingga isolasi galvanik pada rangkaian umpan balik juga memuaskan.

Sekarang, karena LED secara langsung mengontrol transistor, dengan memberikan bias yang cukup di seluruh LED optocoupler, seseorang dapat mengontrol transistor optocoupler, lebih khusus lagi rangkaian driver. Sistem kontrol ini digunakan oleh TL431. Karena regulator shunt memiliki pembagi resistor di pin referensi, ia dapat mengontrol led optocoupler yang terhubung di atasnya. Pin umpan balik memiliki tegangan referensi 2.5V. Oleh karena itu, TL431 hanya dapat aktif jika tegangan yang melintasi pembagi cukup. Dalam kasus kami, pembagi tegangan diatur ke nilai 12V. Oleh karena itu, ketika output mencapai 12V, TL431 mendapatkan 2.5V melintasi pin referensi dan dengan demikian mengaktifkan LED optocoupler yang mengontrol transistor optocoupler dan secara tidak langsung mengontrol TNY268PN. Jika tegangan tidak cukup di seluruh output, siklus switching segera ditangguhkan.

Pertama, TNY268PN mengaktifkan siklus pertama peralihan dan kemudian merasakan pin EN-nya. Jika semuanya baik-baik saja, itu akan melanjutkan peralihan, jika tidak, itu akan mencoba sekali lagi setelah beberapa saat. Loop ini dilanjutkan sampai semuanya menjadi normal, sehingga mencegah masalah arus pendek atau tegangan berlebih. Inilah sebabnya mengapa disebut topologi flyback, karena tegangan keluaran dialirkan kembali ke driver untuk merasakan operasi terkait. Juga, loop percobaan disebut mode operasi cegukan pada kondisi kegagalan.

D3 adalah dioda penghalang Schottky. Dioda ini mengubah output AC frekuensi tinggi menjadi DC. 3A 60V Schottky Diode dipilih untuk pengoperasian yang andal. R4 dan R5 dipilih dan dihitung oleh Pakar PI. Ini menciptakan pembagi tegangan dan meneruskan arus ke LED Optocoupler dari TL431.

R6 dan R7 merupakan pembagi tegangan sederhana yang dihitung dengan rumus TL431 REF voltage = (Vout x R7) / R6 + R7. Tegangan referensi adalah 2.5V dan Vout adalah 12V. Dengan memilih nilai R6 23.7k, R7 menjadi sekitar 9.09k.

Fabrikasi PCB untuk Sirkuit SMPS 12v 1A

Sekarang setelah kita memahami cara kerja skema, kita dapat melanjutkan dengan membangun PCB untuk SMP kita. Karena ini adalah sirkuit SMPS, PCB direkomendasikan karena dapat menangani masalah kebisingan dan isolasi. Tata letak PCB untuk rangkaian di atas juga tersedia untuk diunduh sebagai Gerber dari tautan

Unduh file Gerber untuk sirkuit SMPS 15W

Sekarang, setelah Desain kita siap, sekarang saatnya membuatnya dibuat menggunakan file Gerber. Untuk menyelesaikan PCB cukup mudah, cukup ikuti langkah-langkah di bawah ini

Langkah 1: Masuk ke www.pcbgogo.com, daftar jika ini adalah pertama kalinya Anda. Kemudian, pada tab Prototipe PCB masukkan dimensi PCB Anda, jumlah lapisan dan jumlah PCB yang Anda butuhkan. Dengan asumsi PCB 80cm × 80cm Anda dapat mengatur dimensi seperti yang ditunjukkan di bawah ini.

Langkah 2: Lanjutkan dengan mengklik tombol Kutip Sekarang . Anda akan dibawa ke halaman di mana untuk mengatur beberapa parameter tambahan jika diperlukan seperti material yang digunakan jarak trek dll. Tetapi sebagian besar nilai default akan berfungsi dengan baik. Satu-satunya hal yang harus kita pertimbangkan di sini adalah harga dan waktu. Seperti yang Anda lihat, Build Time hanya 2-3 hari dan biayanya hanya $ 5 untuk PSB kami. Anda kemudian dapat memilih metode pengiriman yang disukai berdasarkan kebutuhan Anda.

Langkah 3: Langkah terakhir adalah mengunggah file Gerber dan melanjutkan pembayaran. Untuk memastikan prosesnya lancar, PCBGOGO memverifikasi apakah file Gerber Anda valid sebelum melanjutkan pembayaran. Dengan cara ini Anda dapat memastikan bahwa PCB Anda ramah fabrikasi dan akan menghubungi Anda sesuai komitmen.

Merakit PCB

Setelah papan dipesan, itu sampai kepada saya setelah beberapa hari melalui kurir dalam kotak yang diberi label rapi dan seperti biasa kualitas PCBnya luar biasa. PCB yang saya terima ditampilkan di bawah ini

Saya menyalakan batang solder saya dan mulai memasang Papan. Karena Footprints, pad, vias, dan silkscreen memiliki bentuk dan ukuran yang tepat, saya tidak mengalami masalah dalam merakit board. PCB saya yang dijepit ke wakil solder ditunjukkan di bawah ini.

Pengadaan Komponen

Semua komponen untuk rangkaian SMP 12v 15w ini diperoleh sesuai skema. Detail BOM dapat ditemukan di file excel di bawah ini untuk diunduh.

Desain SMP 15W - Bill of Material

Hampir semua komponen sudah tersedia untuk digunakan di luar rak. Anda mungkin kesulitan menemukan trafo yang tepat untuk proyek ini. Biasanya untuk trafo flyback switching sirkuit SMPS tidak tersedia dari vendor secara langsung, dalam banyak kasus Anda harus memutar trafo sendiri jika Anda membutuhkan hasil yang efisien. Namun, Anda juga boleh menggunakan trafo flyback serupa dan sirkuit Anda akan tetap berfungsi. Spesifikasi ideal untuk trafo kami akan disediakan oleh perangkat lunak PI Expert yang kami gunakan sebelumnya.

Diagram Mekanik dan Elektrikal dari trafo yang diperoleh dari PI Expert ditunjukkan di bawah ini.

Jika Anda tidak dapat menemukan vendor yang tepat, Anda dapat menyelamatkan trafo dari adaptor 12V atau sirkuit SMPS lainnya. Sebagai alternatif, Anda juga dapat membangun trafo Anda sendiri dengan menggunakan bahan dan instruksi berliku berikut.

Setelah semua komponen diperoleh, perakitannya harus mudah. Anda dapat menggunakan file Gerber dan BOM untuk referensi dan memasang papan PCB. Setelah selesai, sisi depan dan belakang PCB saya terlihat seperti ini di bawah ini

Menguji sirkuit SMPS 15W kami

Sekarang sirkuit kita sudah siap, saatnya untuk memutar. Kami akan menghubungkan papan ke sumber listrik AC kami melalui VARIAC dan memuat sisi keluaran dengan mesin beban dan mengukur tegangan riak untuk memeriksa kinerja sirkuit kami. Video prosedur pengujian lengkap juga dapat ditemukan di akhir halaman ini. Gambar di bawah ini menunjukkan rangkaian yang diuji dengan tegangan input AC 230V AC yang kami dapatkan outputnya 12.08V

Mengukur Tegangan Riak menggunakan Osiloskop

Untuk mengukur tegangan riak dengan osiloskop, ubah input ruang lingkup ke AC dengan penguatan 1x. Kemudian sambungkan kapasitor elektrolit bernilai rendah dan kapasitor keramik bernilai rendah untuk mendeteksi pengurangan kebisingan karena kabel. Anda dapat merujuk ke halaman 40 dokumen RDR-295 ini dari Power Integration untuk informasi lebih lanjut tentang prosedur ini.

Snapshot di bawah ini diambil pada kondisi tanpa beban pada 85VAC dan 230VAC. Skala diatur pada 10mV per divisi dan seperti yang Anda lihat, riaknya hampir 10mV pk-pk.

Pada input 90VAC dan dengan beban penuh, riak dapat dilihat pada sekitar 20mV pk-pk

Dalam 230VAC dan tegangan riak beban penuh diukur pada sekitar 30mV pk-pk yang merupakan skenario kasus terburuk

Hanya itu saja; ini adalah bagaimana Anda dapat merancang sirkuit SMP 12v Anda sendiri. Setelah Anda memahami cara kerjanya, Anda dapat mengubah diagram sirkuit SMPS 12v agar sesuai dengan kebutuhan voltase dan daya Anda. Semoga Anda memahami tutorialnya dan menikmati mempelajari sesuatu yang bermanfaat. Jika Anda memiliki pertanyaan, tinggalkan di bagian komentar atau gunakan forum kami untuk diskusi teknis. Akan bertemu lagi dengan Anda dengan desain SMP lain yang menarik, sampai kemudian keluar….