Conception de circuit d'alimentation 12V 1A SMPS sur PCB

Chaque appareil ou produit électronique nécessite un bloc d'alimentation (PSU) fiable pour le faire fonctionner. Presque tous les appareils de notre maison, tels que les téléviseurs, les imprimantes, les lecteurs de musique, etc. se composent d'un bloc d'alimentation intégré qui convertit la tension secteur CA en un niveau de tension CC approprié pour qu'ils fonctionnent. Le type de circuit d'alimentation le plus couramment utilisé est le SMPS (Switching Mode Power Supply), vous pouvez facilement trouver ce type de circuits dans votre adaptateur 12V ou votre chargeur mobile / ordinateur portable. Dans ce tutoriel, nous allons apprendre à construire un circuit SMPS 12vcela convertirait l'alimentation secteur CA en 12 V CC avec un courant nominal maximum de 1,25 A. Ce circuit peut être utilisé pour alimenter de petites charges ou même être adapté dans un chargeur pour charger vos batteries au plomb et au lithium. Si ce circuit d'alimentation 12v 15watt ne correspond pas à vos besoins, vous pouvez vérifier divers circuits d'alimentation avec des cotes différentes.

Circuit SMPS 12v - Considérations de conception

Avant de procéder à tout type de conception d'alimentation électrique, une analyse des besoins doit être effectuée en fonction de l'environnement dans lequel notre alimentation électrique sera utilisée. Différents types d'alimentation fonctionnent dans différents environnements et avec des limites d'entrée-sortie spécifiques.

Spécification d'entrée

Commençons par l'entrée. Une tension d'alimentation d'entrée est la première chose qui sera utilisée par le SMPS et sera transformée en une valeur utile pour alimenter la charge. Comme cette conception est spécifiée pour la conversion AC-DC, l'entrée sera un courant alternatif (AC). Pour l'Inde, l'entrée CA est disponible en 220-230 volts, pour les États-Unis, elle est évaluée à 110 volts. Il existe également d'autres pays qui utilisent des niveaux de tension différents. Généralement, SMPS fonctionne avec une tension d'entrée universelleintervalle. Cela signifie que la tension d'entrée peut différer de 85V AC à 265V AC. SMPS peut être utilisé dans n'importe quel pays et pourrait fournir une sortie stable à pleine charge si la tension est comprise entre 85-265V AC. Le SMPS devrait également fonctionner normalement sous une fréquence de 50 Hz et 60 Hz. C'est la raison pour laquelle nous pouvons utiliser nos chargeurs de téléphone et d'ordinateur portable dans n'importe quel pays.

Spécification de sortie

Côté sortie, peu de charges sont résistives, peu sont inductives. En fonction de la charge, la construction d'un SMPS peut être différente. Pour ce SMPS, la charge est considérée comme une charge résistive. Cependant, il n'y a rien de tel qu'une charge résistive, chaque charge se compose d'au moins une certaine quantité d'inductance et de capacité; ici, on suppose que l'inductance et la capacité de la charge sont négligeables.

La spécification de sortie d'un SMPS dépend fortement de la charge, comme la tension et le courant requis par la charge dans toutes les conditions de fonctionnement. Pour ce projet, le SMPS pourrait fournir la sortie 15W. C'est 12V et 1.25A. L' ondulation de sortie ciblée est sélectionnée comme étant inférieure au pk-pk de 30 mV à une bande passante de 20000 Hz.

En fonction de la charge de sortie, nous devons également choisir entre la conception d'un SMPS à tension constante ou d'un SMPS à courant constant. Une tension constante signifie que la tension aux bornes de la charge sera constante et que le courant sera modifié en conséquence avec les changements de résistance de charge. D'autre part, le mode courant constant permettra au courant d'être constant mais changera la tension en conséquence avec les changements de résistance de charge. En outre, CV et CC peuvent être disponibles dans un SMPS mais ils ne peuvent pas fonctionner en une seule fois. Lorsque les deux options existent dans un SMPS, il doit y avoir une plage dans laquelle le SMPS changera son fonctionnement de sortie de CV à CC et vice versa. Normalement, les chargeurs en mode CC et CV sont utilisés pour charger les batteries au plomb ou au lithium.

Fonctions de protection d'entrée et de sortie

Il existe différents circuits de protection qui peuvent être utilisés sur le SMPS pour des opérations plus sûres et fiables. Le circuit de protection protège le SMPS ainsi que la charge connectée. En fonction de l'emplacement, le circuit de protection peut être connecté à l'entrée ou à la sortie. La protection d'entrée la plus courante est la protection contre les surtensions et les filtres EMI. Protection contre les surtensions protège les SMPS contre les surtensions d' entrée ou de surtension AC. Le filtre EMI protège le SMPS de la génération EMI sur la ligne d'entrée. Dans ce projet, les deux fonctionnalités seront disponibles. Protection de sortie comporte une protection de court-circuit, protection contre les surtensions et protection contre courant. Cette conception SMPS comprendra également tous ces circuits de protection.

Sélection du circuit intégré de gestion de l'alimentation

Chaque circuit SMPS nécessite un IC de gestion de l'alimentation également appelé IC de commutation ou IC SMPS ou IC plus sec. Résumons les considérations de conception pour sélectionner le CI de gestion de l'alimentation idéal qui conviendra à notre conception. Nos exigences de conception sont

Sortie 15W. 12V 1.25A avec moins de 30mV d'ondulation pk-pk à pleine charge.
Puissance d'entrée universelle.
Protection contre les surtensions d'entrée.
Protection contre les courts-circuits de sortie, les surtensions et les surintensités.
Opérations à tension constante.

Parmi les exigences ci-dessus, vous avez le choix entre une large gamme de circuits intégrés, mais pour ce projet, nous avons sélectionné l' intégration d'alimentation. Power Integration est une société de semi-conducteurs qui propose une large gamme de circuits intégrés de commande d'alimentation dans diverses plages de puissance de sortie. Sur la base des exigences et de la disponibilité, nous avons décidé d'utiliser le TNY268PN de petites familles de commutateurs II.

Dans l'image ci-dessus, la puissance maximale 15W est indiquée. Cependant, nous fabriquerons le SMPS dans le cadre ouvert et pour la valeur d'entrée universelle. Dans un tel segment, TNY268PN pourrait fournir une sortie de 15 W. Voyons le diagramme des broches.

Conception du circuit SMPS 12v 1Amp

La meilleure façon de construire le circuit est d'utiliser le logiciel PI expert de Power Integration. C'est un excellent logiciel de conception d'alimentation. Le circuit est construit à l'aide d'un circuit intégré d'intégration de puissance. La procédure de conception est expliquée ci-dessous, vous pouvez également faire défiler vers le bas pour la vidéo expliquant la même chose.

Étape -1: Sélectionnez le commutateur Tiny II et sélectionnez également le package souhaité. Nous avons sélectionné le package DIP. Sélectionnez le type de boîtier, l'adaptateur ou le cadre ouvert. Ici, Open Frame est sélectionné.

Sélectionnez ensuite le type de rétroaction. C'est essentiel car la topologie Flyback est utilisée. TL431 est un excellent choix pour les commentaires. TL431 est un régulateur shunt et il fournira une excellente protection contre les surtensions et une tension de sortie précise.

Étape 2: Sélectionnez la plage de tension d'entrée. Comme il s'agira d'une entrée universelle SMPS, la tension d'entrée est sélectionnée comme 85-265V AC. La fréquence de ligne est de 50 Hz.

Étape 3:

Sélectionnez la tension de sortie, le courant et la puissance. La cote SMPS sera de 12 V 1,25 A. La puissance montre 15W. Le mode de fonctionnement est également sélectionné comme CV, ce qui signifie un mode de fonctionnement à tension constante. Enfin, tout se fait en trois étapes faciles, et le schéma est généré.

Schéma de circuit SMPS 12V et explication

Le circuit ci-dessous est légèrement modifié pour convenir à notre projet.

Avant de commencer directement à construire la pièce prototype, explorons le schéma de circuit SMPS 12v et son fonctionnement. Le circuit comprend les sections suivantes

Protection contre les surtensions d'entrée et les défauts SMPS
Conversion AC-DC
Filtre PI
Circuit de pilote ou circuit de commutation
Protection de verrouillage de sous-tension.
Circuit de serrage
Isolation magnétique et galvanique
Filtre EMI
Redresseur secondaire et circuit d'amortissement
Section Filtre
Section de rétroaction.

Protection contre les surtensions d'entrée et les défauts SMPS

Cette section se compose de deux composants, F1 et RV1. F1 est un fusible à fusion lente 1A 250VAC et RV1 est un MOV (varistance à oxyde métallique) de 7 mm 275V. Pendant une surtension (plus de 275VAC), le MOV est devenu un court-circuit et fait sauter le fusible d'entrée. Cependant, en raison de la fonction de fusion lente, le fusible résiste au courant d'appel à travers le SMPS.

Conversion AC-DC

Cette section est régie par le pont de diodes. Ces quatre diodes (à l'intérieur du DB107) forment un pont redresseur complet. Les diodes sont 1N4006, mais la norme 1N4007 peut parfaitement faire le travail. Dans ce projet, ces quatre diodes sont remplacées par un redresseur en pont complet DB107.

Filtre PI

Différents états ont une norme de rejet EMI différente. Cette conception confirme la norme EN61000-Classe 3 et le filtre PI est conçu de manière à réduire le rejet EMI en mode commun. Cette section est créée à l'aide de C1, C2 et L1. C1 et C2 sont des condensateurs 400V 18uF. C'est une valeur impaire, donc 22uF 400V est sélectionné pour cette application. La L1 est une self de mode commun qui prend un signal EMI différentiel pour annuler les deux.

Circuit de pilote ou circuit de commutation

C'est le cœur d'un SMPS. Le côté primaire du transformateur est contrôlé par le circuit de commutation TNY268PN. La fréquence de commutation est de 120 à 132 kHz. En raison de cette fréquence de commutation élevée, des transformateurs plus petits peuvent être utilisés. Le circuit de commutation a deux composants, U1 et le C3. U1 est le pilote principal IC TNY268PN. Le C3 est le condensateur de dérivation nécessaire au fonctionnement de notre circuit intégré de pilotage.

Protection de verrouillage de sous-tension

La protection contre les sous-tensions est assurée par la résistance de détection R1 et R2. Il est utilisé lorsque le SMPS passe en mode de redémarrage automatique et détecte la tension secteur.

Circuit de serrage

D1 et D2 sont le circuit de serrage. D1 est la diode TVS et D2 est une diode de récupération ultra-rapide. Le transformateur agit comme une énorme inductance à travers le circuit intégré de commande d'alimentation TNY268PN. Par conséquent, pendant le cycle d'arrêt, le transformateur crée des pics de tension élevés en raison de l' inductance de fuite du transformateur. Ces pointes de tension haute fréquence sont supprimées par la pince de diode à travers le transformateur. UF4007 est sélectionné en raison de la récupération ultra-rapide et P6KE200A est sélectionné pour le fonctionnement TVS.

Isolation magnétique et galvanique

Le transformateur est un transformateur ferromagnétique et il convertit non seulement le courant alternatif haute tension en courant alternatif basse tension, mais il fournit également une isolation galvanique.

Filtre EMI

Le filtrage EMI est effectué par le condensateur C4. Il augmente l'immunité du circuit pour réduire les interférences EMI élevées.

Redresseur secondaire et circuit d'amortissement

La sortie du transformateur est redressée et convertie en courant continu à l'aide de D6, une diode de redressement Schottky. Le circuit d'amortissement aux bornes du D6 supprime le transitoire de tension pendant les opérations de commutation. Le circuit d'amortissement se compose d'une résistance et d'un condensateur, R3 et C5.

Section Filtre

La section de filtre est constituée d'un condensateur de filtrage C6. Il s'agit d'un condensateur à faible ESR pour un meilleur rejet des ondulations. De plus, un filtre LC utilisant L2 et C7 offre un meilleur rejet d'ondulation sur la sortie.

Section de commentaires

La tension de sortie est détectée par les U3 TL431 et R6 et R7. Après avoir détecté la ligne U2, l' optocoupleur est commandé et isole galvaniquement la partie de détection de rétroaction secondaire avec le contrôleur côté primaire. L'optocoupleur a un transistor et une LED à l'intérieur. En contrôlant la LED, le transistor est contrôlé. Comme la communication se fait par voie optique, elle n'a pas de connexion électrique directe, satisfaisant donc également l'isolation galvanique sur le circuit de retour.

Maintenant, comme la LED contrôle directement le transistor, en fournissant une polarisation suffisante à travers la LED de l'optocoupleur, on peut contrôler le transistor optocoupleur, plus spécifiquement le circuit de pilotage. Ce système de contrôle est utilisé par le TL431. Comme le régulateur shunt a un diviseur de résistance sur sa broche de référence, il peut contrôler la led de l'optocoupleur qui est connectée à travers. La tige de réaction a une tension de référence de 2,5V. Par conséquent, le TL431 ne peut être actif que si la tension aux bornes du diviseur est suffisante. Dans notre cas, le diviseur de tension réglé sur une valeur de 12V. Par conséquent, lorsque la sortie atteint 12 V, le TL431 reçoit 2,5 V sur la broche de référence et active ainsi la LED de l'optocoupleur qui contrôle le transistor de l'optocoupleur et contrôle indirectement le TNY268PN. Si la tension n'est pas suffisante sur la sortie, le cycle de commutation est immédiatement suspendu.

Tout d'abord, le TNY268PN active le premier cycle de commutation, puis détecte sa broche EN. Si tout va bien, il continuera la commutation, sinon, il réessayera après parfois. Cette boucle se poursuit jusqu'à ce que tout redevienne normal, évitant ainsi les problèmes de court-circuit ou de surtension. C'est pourquoi elle est appelée topologie flyback, car la tension de sortie est renvoyée au pilote pour détecter les opérations associées. En outre, la boucle d'essai est appelée un mode de fonctionnement de hoquet en cas d'échec.

Le D3 est une diode barrière Schottky. Cette diode convertit la sortie CA haute fréquence en CC. La diode Schottky 3A 60V est sélectionnée pour un fonctionnement fiable. R4 et R5 sont sélectionnés et calculés par PI Expert. Il crée un diviseur de tension et transmet le courant à la LED de l'optocoupleur du TL431.

R6 et R7 sont un simple diviseur de tension calculé par la formule TL431 REF voltage = (Vout x R7) / R6 + R7. La tension de référence est de 2,5 V et la Vout est de 12 V. En sélectionnant la valeur de R6 23,7k, le R7 est devenu 9,09k environ.

Fabrication de PCB pour circuit SMPS 12v 1A

Maintenant que nous comprenons comment les schémas fonctionnent, nous pouvons procéder à la construction du PCB pour notre SMPS. Puisqu'il s'agit d'un circuit SMPS, un PCB est recommandé car il pourrait traiter des problèmes de bruit et d'isolation. La mise en page PCB pour le circuit ci-dessus est également disponible pour téléchargement en tant que Gerber à partir du lien

Télécharger le fichier Gerber pour circuit SMPS 15W

Maintenant que notre conception est prête, il est temps de les fabriquer à l'aide du fichier Gerber. Pour faire le PCB est assez facile, suivez simplement les étapes ci-dessous

Étape 1: Accédez à www.pcbgogo.com, inscrivez-vous si c'est votre première fois. Ensuite, dans l'onglet Prototype PCB, entrez les dimensions de votre PCB, le nombre de couches et le nombre de PCB dont vous avez besoin. En supposant que le PCB mesure 80 cm × 80 cm, vous pouvez définir les dimensions comme indiqué ci-dessous.

Étape 2: Continuez en cliquant sur le bouton Soumettre maintenant . Vous serez redirigé vers une page où définir quelques paramètres supplémentaires si nécessaire, comme le matériau utilisé, l'espacement des pistes, etc. Mais la plupart du temps, les valeurs par défaut fonctionneront bien. La seule chose que nous devons considérer ici est le prix et le temps. Comme vous pouvez le voir, le temps de construction n'est que de 2-3 jours et il ne coûte que 5 $ pour notre PSB. Vous pouvez ensuite sélectionner une méthode d'expédition préférée en fonction de vos besoins.

Étape 3: La dernière étape consiste à télécharger le fichier Gerber et à procéder au paiement. Pour vous assurer que le processus est fluide, PCBGOGO vérifie si votre fichier Gerber est valide avant de procéder au paiement. De cette façon, vous pouvez être sûr que votre PCB est facile à fabriquer et vous atteindra comme engagé.

Assemblage du PCB

Après la commande de la carte, elle m'est parvenue au bout de quelques jours par courrier dans une boîte bien emballée soigneusement étiquetée et, comme toujours, la qualité du PCB était excellente. Le PCB que j'ai reçu est illustré ci-dessous

J'ai allumé ma tige à souder et j'ai commencé à assembler la carte. Comme les empreintes, les pads, les vias et la sérigraphie sont parfaitement de la bonne forme et de la bonne taille, je n'ai eu aucun problème à assembler la planche. Mon PCB fixé à l'étau à souder est illustré ci-dessous.

Achat de composants

Tous les composants de ce circuit SMPS 12v 15w sont fournis selon le schéma. La nomenclature détaillée se trouve dans le fichier Excel ci-dessous à télécharger.

Conception SMPS 15 W - Nomenclature

Presque tous les composants sont facilement disponibles pour être utilisés dans le commerce. Vous pourriez avoir du mal à trouver le bon transformateur pour ce projet. Normalement, pour un circuit SMPS, le transformateur flyback n'est pas disponible directement auprès des vendeurs, dans la plupart des cas, vous devez enrouler votre propre transformateur si vous avez besoin de résultats efficaces. Cependant, il est également acceptable d'utiliser un transformateur flyback similaire et votre circuit fonctionnera toujours. La spécification idéale pour notre transformateur sera fournie par le logiciel PI Expert que nous avons utilisé précédemment.

Le schéma mécanique et électrique du transformateur obtenu auprès de PI Expert est présenté ci-dessous.

Si vous ne parvenez pas à trouver le bon fournisseur, vous pouvez récupérer un transformateur d'un adaptateur 12V ou d'autres circuits SMPS. Vous pouvez également construire votre propre transformateur en utilisant les matériaux et les instructions d'enroulement suivants.

Une fois que tous les composants sont achetés, leur assemblage devrait être facile. Vous pouvez utiliser le fichier Gerber et la nomenclature pour référence et assembler la carte PCB. Une fois terminé, la face avant et arrière de mon PCB ressemble à ceci ci-dessous

Test de notre circuit SMPS 15W

Maintenant que notre circuit est prêt, il est temps de le faire tourner. Nous connecterons la carte à notre secteur CA via un VARIAC et chargerons le côté sortie avec une machine de charge et mesurerons la tension d'ondulation pour vérifier les performances de notre circuit. Une vidéo complète de la procédure de test est également disponible à la fin de cette page. L'image ci-dessous montre le circuit testé avec une tension d'entrée AC de 230V AC pour laquelle nous obtenons une sortie de 12.08V

Mesure de la tension d'ondulation à l'aide de l'oscilloscope

Pour mesurer la tension d'ondulation avec l'oscilloscope, changez l'entrée de l'oscilloscope en AC avec un gain de 1x. Ensuite, connectez un condensateur électrolytique de faible valeur et un condensateur céramique de faible valeur pour capter les réductions de bruit dues aux câblages. Vous pouvez vous référer à la page 40 de ce document RDR-295 de Power Integration pour plus d'informations sur cette procédure.

L'image ci-dessous a été prise à vide sur 85VAC et 230VAC. L'échelle est fixée à 10 mV par division et comme vous pouvez le voir, l'ondulation est de presque 10 mV pk-pk.

À l'entrée 90VAC et à pleine charge, l'ondulation peut être vue à environ 20mV pk-pk

En 230VAC et à pleine charge, la tension d'ondulation est mesurée à environ 30mV pk-pk, ce qui est le pire des cas

C'est ça; c'est ainsi que vous pouvez concevoir votre propre circuit SMPS 12v. Une fois que vous avez compris le fonctionnement, vous pouvez modifier le schéma de circuit SMPS 12v en fonction de vos besoins en tension et en puissance. J'espère que vous avez compris le didacticiel et que vous avez aimé apprendre quelque chose d'utile. Si vous avez des questions, laissez-les dans la section des commentaires ou utilisez nos forums pour des discussions techniques. Je vous reverrai avec un autre design SMPS intéressant, en attendant la signature….