Diseño de circuito de fuente de alimentación SMPS de 12V 1A: 4 pasos

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:41

¡Hola chicos!

Cada dispositivo o producto electrónico requiere una unidad de fuente de alimentación (PSU) confiable para operarlo. Casi todos los dispositivos de nuestra casa, como televisores, impresoras, reproductores de música, etc., constan de una fuente de alimentación incorporada que convierte la tensión de red de CA en un nivel adecuado de tensión de CC para que funcionen. El tipo de circuito de fuente de alimentación más utilizado es el SMPS (fuente de alimentación de modo de conmutación), puede encontrar fácilmente este tipo de circuitos en su adaptador de 12 V o cargador de portátil / móvil. En este tutorial, aprenderemos cómo construir un circuito SMPS de 12v que convertiría la energía de la red de CA en 12V CC con una clasificación de corriente máxima de 1.25A. Este circuito se puede utilizar para alimentar cargas pequeñas o incluso adaptarse a un cargador para cargar baterías de plomo-ácido y litio. Si este circuito de suministro de energía de 12 V y 15 vatios no coincide con sus requisitos, puede verificar varios circuitos de suministro de energía con diferentes clasificaciones.

Paso 1: Circuito SMPS de 12v - Consideraciones de diseño

Antes de proceder con cualquier tipo de diseño de fuente de alimentación, se debe realizar un análisis de requisitos en función del entorno en el que se utilizará nuestra fuente de alimentación. Los diferentes tipos de fuente de alimentación funcionan en diferentes entornos y con límites de entrada-salida específicos.

Especificación de entrada:

Comencemos con la entrada. Una tensión de alimentación de entrada es lo primero que utilizará el SMPS y se transformará en un valor útil para alimentar la carga. Como este diseño está especificado para conversión CA-CC, la entrada será corriente alterna (CA). Para la India, la entrada de CA está disponible en 220-230 voltios, para los EE. UU. Está clasificada para 110 voltios. También hay otras naciones que usan diferentes niveles de voltaje. Generalmente, SMPS funciona con un rango de voltaje de entrada universal. Esto significa que el voltaje de entrada puede diferir de 85 VCA a 265 VCA. SMPS se puede utilizar en cualquier país y podría proporcionar una salida estable de carga completa si el voltaje está entre 85-265 V CA. El SMPS también debería funcionar normalmente con frecuencias de 50 Hz y 60 Hz. Esta es la razón por la que podemos utilizar nuestros cargadores de teléfonos y portátiles en cualquier país.

Especificación de salida:

En el lado de salida, pocas cargas son resistivas, pocas son inductivas. Dependiendo de la carga, la construcción de un SMPS puede ser diferente. Para este SMPS, la carga se asume como una carga resistiva. Sin embargo, no hay nada como una carga resistiva, cada carga consta de al menos cierta cantidad de inductancia y capacitancia; aquí se supone que la inductancia y capacitancia de la carga son despreciables.

La especificación de salida de un SMPS depende en gran medida de la carga, como la cantidad de voltaje y corriente que requerirá la carga en todas las condiciones de funcionamiento. Para este proyecto, el SMPS podría proporcionar una salida de 15W. Son 12V y 1.25A. La ondulación de salida objetivo se selecciona como menos de 30 mV pk-pk a un ancho de banda de 20000 Hz.

Paso 2: Selección del IC de administración de energía

Cada circuito SMPS requiere un IC de administración de energía también conocido como IC de conmutación o SMPS IC o Drier IC. Resumamos las consideraciones de diseño para seleccionar el IC de administración de energía ideal que sea adecuado para nuestro diseño. Nuestros requisitos de diseño son:

1. Salida de 15W. 12V 1.25A con menos de 30mV de ondulación pk-pk a plena carga.
2. Clasificación de entrada universal.
3. Entrada de protección contra sobretensiones.
4. Salida de protección contra cortocircuitos, sobretensiones y sobrecorrientes.
5. Operaciones de voltaje constante.

A partir de los requisitos anteriores, existe una amplia gama de circuitos integrados para seleccionar, pero para este proyecto, hemos seleccionado la integración de energía. Power Integration es una empresa de semiconductores que tiene una amplia gama de circuitos integrados de controladores de potencia en varios rangos de potencia de salida. En función de los requisitos y la disponibilidad, hemos decidido utilizar el TNY268PN de las pequeñas familias de conmutadores II.

En la imagen de arriba, se muestra la potencia máxima de 15W. Sin embargo, crearemos el SMPS en el marco abierto y para la clasificación de entrada universal. En tal segmento, TNY268PN podría proporcionar una salida de 15W. Veamos el diagrama de clavijas.

Paso 3: Diagrama y explicación del circuito SMPS de 12V

Antes de comenzar directamente a construir la pieza del prototipo, exploremos el diagrama del circuito SMPS de 12v y su funcionamiento. El circuito tiene las siguientes secciones:

1. Protección contra sobretensiones de entrada y fallas SMPS
2. Conversión AC-DC
3. Filtro PI
4. Circuito del controlador o circuito de conmutación
5. Protección de bloqueo por bajo voltaje.
6. Circuito de abrazadera
7. Aislamiento magnético y galvánico
8. Filtro EMI
9. Rectificador secundario y circuito amortiguador
10. Sección de filtro

Protección contra sobretensiones de entrada y fallas SMPS

Esta sección consta de dos componentes, F1 y RV1. F1 es un fusible de acción lenta de 1A 250VAC y RV1 es un MOV (Varistor de óxido metálico) de 7 mm 275V. Durante una sobretensión de alto voltaje (más de 275 VCA), el MOV se quedó corto y quemó el fusible de entrada. Sin embargo, debido a la función de acción lenta, el fusible soporta la corriente de entrada a través del SMPS.

Conversión AC-DC

Esta sección está gobernada por el puente de diodos. Estos cuatro diodos (dentro de DB107) forman un puente rectificador completo. Los diodos son 1N4006, pero el 1N4007 estándar puede hacer el trabajo perfectamente. En este proyecto, estos cuatro diodos se reemplazan con un rectificador de puente completo DB107.

Filtro PI

Los diferentes estados tienen diferentes estándares de rechazo de EMI. Este diseño confirma la norma EN61000-Class 3 y el filtro PI está diseñado de tal manera que reduce el rechazo de EMI de modo común. Esta sección se crea utilizando C1, C2 y L1. C1 y C2 son condensadores de 400V 18uF. Es un valor impar, por lo que se selecciona 22uF 400V para esta aplicación. El L1 es un estrangulador de modo común que toma una señal EMI diferencial para cancelar ambos.

Circuito del controlador o circuito de conmutación

Es el corazón de un SMPS. El lado primario del transformador está controlado por el circuito de conmutación TNY268PN. La frecuencia de conmutación es de 120-132 kHz. Debido a esta alta frecuencia de conmutación, se pueden utilizar transformadores más pequeños. El circuito de conmutación tiene dos componentes, U1 y C3. U1 es el controlador principal de IC TNY268PN. El C3 es el condensador de derivación que se necesita para el funcionamiento de nuestro controlador IC.

Protección de bloqueo por bajo voltaje

La protección de bloqueo por bajo voltaje se realiza mediante la resistencia de detección R1 y R2. Se utiliza cuando el SMPS entra en el modo de reinicio automático y detecta el voltaje de la línea.

Circuito de abrazadera

D1 y D2 son el circuito de abrazadera. D1 es el diodo TVS y D2 es un diodo de recuperación ultrarrápida. El transformador actúa como un inductor enorme a través del controlador de potencia IC TNY268PN. Por lo tanto, durante el ciclo de apagado, el transformador crea picos de alto voltaje debido a la inductancia de fuga del transformador. Estos picos de voltaje de alta frecuencia son suprimidos por la abrazadera de diodo a través del transformador. Se selecciona UF4007 debido a la recuperación ultrarrápida y se selecciona P6KE200A para la operación del TVS.

Aislamiento magnético y galvánico

El transformador es un transformador ferromagnético y no solo convierte la CA de alto voltaje en una CA de bajo voltaje, sino que también proporciona aislamiento galvánico.

Filtro EMI

El filtrado EMI lo realiza el condensador C4. Aumenta la inmunidad del circuito para reducir la alta interferencia EMI.

Circuito secundario de rectificador y amortiguador

La salida del transformador se rectifica y se convierte a CC utilizando D6, un diodo rectificador Schottky. El circuito amortiguador a través del D6 proporciona supresión del voltaje transitorio durante las operaciones de conmutación. El circuito amortiguador consta de una resistencia y un condensador, R3 y C5.

Sección de filtro

La sección de filtro consta de un condensador de filtro C6. Es un condensador de baja ESR para un mejor rechazo de ondulación. Además, un filtro LC que utiliza L2 y C7 proporciona un mejor rechazo de ondulación en la salida.

Paso 4: Fabricación de PCB

Puede dibujar el esquema de PCB con cualquier software según su conveniencia y enviarlo al fabricante de PCB de su elección. Tengo un Gerber listo, puedo compartirlo.

Recomendaría LIONCIRCUITS ya que tienen un servicio de fabricación de prototipos de bajo costo que es realmente bueno para personas como nosotros, los entusiastas del bricolaje. Tienen una plataforma en línea automatizada donde puede cargar sus archivos Gerber y realizar un pedido en línea. El envío a toda la India es gratuito.