- 12v SMPS 회로 – 설계 고려 사항
- 전력 관리 IC 선택
- 12v 1Amp SMPS 회로 설계
- 12V SMPS 회로 다이어그램 및 설명
- 12v 1A SMPS 회로 용 PCB 제작
- PCB 조립
- 부품 조달
- 15W SMPS 회로 테스트
모든 전자 장치 또는 제품을 작동하려면 안정적인 전원 공급 장치 (PSU) 가 필요합니다. TV, 프린터, 음악 플레이어 등과 같은 우리 가정의 거의 모든 장치는 AC 주전원 전압을 적절한 수준의 DC 전압으로 변환하여 작동하는 전원 공급 장치로 구성됩니다. 가장 일반적으로 사용되는 전원 공급 장치 회로 유형은 SMPS (스위칭 모드 전원 공급 장치) 이며 12V 어댑터 또는 모바일 / 노트북 충전기에서 이러한 유형의 회로를 쉽게 찾을 수 있습니다. 이 튜토리얼에서는 12v SMPS 회로를 구축하는 방법을 배웁니다.AC 주전원을 최대 전류 정격 1.25A로 12V DC로 변환합니다. 이 회로는 작은 부하에 전력을 공급하거나 납축 배터리와 리튬 배터리를 충전하는 충전기에 적용 할 수 있습니다. 이 12v 15watt 전원 공급 장치 회로가 귀하의 요구 사항과 일치하지 않으면 다양한 정격의 다양한 전원 공급 장치 회로를 확인할 수 있습니다.
12v SMPS 회로 – 설계 고려 사항
모든 종류의 전원 공급 장치 설계를 진행하기 전에 전원 공급 장치를 사용할 환경을 기반으로 요구 사항 분석을 수행해야합니다. 서로 다른 종류의 전원 공급 장치는 서로 다른 환경과 특정 입력-출력 경계에서 작동합니다.
입력 사양
입력부터 시작하겠습니다. 입력 공급 전압은 SMPS에서 가장 먼저 사용되며 부하를 공급하는 데 유용한 값으로 변환됩니다. 이 설계는 AC-DC 변환에 대해 지정 되었으므로 입력은 교류 (AC)가됩니다. 인도의 경우 입력 AC는 220-230V로, 미국의 경우 110V로 정격입니다. 다른 전압 레벨을 사용하는 다른 국가도 있습니다. 일반적으로 SMPS는 범용 입력 전압으로 작동합니다.범위. 이는 입력 전압이 85V AC에서 265V AC까지 다를 수 있음을 의미합니다. SMPS는 모든 국가에서 사용할 수 있으며 전압이 85-265V AC 인 경우 전체 부하의 안정적인 출력을 제공 할 수 있습니다. SMPS는 50Hz 및 60Hz 주파수에서도 정상적으로 작동해야합니다. 이것이 우리가 어느 나라에서나 휴대폰과 노트북 충전기를 사용할 수있는 이유입니다.
출력 사양
출력 측에서는 저항성이있는 부하가 거의없고 유도 성 부하가 거의 없습니다. 부하에 따라 SMPS의 구성이 다를 수 있습니다. 이 SMPS의 경우 부하는 저항성 부하 로 간주됩니다. 그러나 저항성 부하와 같은 것은 없습니다. 각 부하는 최소한 어느 정도의 인덕턴스와 커패시턴스로 구성됩니다. 여기에서는 부하의 인덕턴스와 커패시턴스가 무시할 만하다고 가정합니다.
SMPS의 출력 사양은 모든 작동 조건에서 부하에 필요한 전압과 전류의 양과 같이 부하에 따라 크게 달라집니다. 이 프로젝트의 경우 SMPS는 15W 출력을 제공 할 수 있습니다. 12V 및 1.25A입니다. 목표 출력 리플 은 20000Hz 대역폭에서 30mV pk-pk 미만으로 선택됩니다.
출력 부하를 기반으로 정전압 SMPS 또는 정전류 SMPS 설계 중에서 결정해야합니다. 정전압은 부하의 전압이 일정하고 부하 저항의 변화에 따라 전류가 변경됨을 의미합니다. 반면 정전류 모드는 전류를 일정하게 유지하지만 부하 저항의 변화에 따라 전압을 변경합니다. 또한 CV와 CC는 모두 SMPS에서 사용할 수 있지만 한 번에 작동 할 수는 없습니다. 두 옵션이 모두 SMPS에있는 경우 SMPS가 출력 작업을 CV에서 CC로 또는 그 반대로 변경하는 범위가 있어야합니다. 일반적으로 CC 및 CV 모드 충전기는 납산 또는 리튬 배터리를 충전하는 데 사용됩니다.
입력 및 출력 보호 기능
보다 안전하고 안정적인 작동을 위해 SMPS에 사용할 수있는 다양한 보호 회로가 있습니다. 보호 회로는 SMPS와 연결된 부하를 보호합니다. 위치에 따라 보호 회로는 입력 또는 출력에 걸쳐 연결될 수 있습니다. 가장 일반적인 입력 보호는 서지 보호 및 EMI 필터 입니다. 서지 보호는 입력 서지 또는 AC 과전압 으로부터 SMPS를 보호합니다. EMI 필터는 입력 라인에서 EMI 생성으로부터 SMPS를 보호합니다. 이 프로젝트에서는 두 기능을 모두 사용할 수 있습니다. 출력 보호에는 단락 보호, 과전압 보호 및 과전류 보호가 포함됩니다.. 이 SMPS 설계에는 이러한 모든 보호 회로도 포함됩니다.
전력 관리 IC 선택
모든 SMPS 회로에는 스위칭 IC 또는 SMPS IC 또는 건조기 IC라고도하는 전력 관리 IC가 필요합니다. 설계에 적합한 이상적인 전원 관리 IC를 선택하기위한 설계 고려 사항을 요약 해 보겠습니다. 우리의 디자인 요구 사항은
- 15W 출력. 전체 부하에서 30mV pk-pk 리플 미만의 12V 1.25A.
- 범용 입력 등급.
- 입력 서지 보호.
- 출력 단락, 과전압 및 과전류 보호.
- 정전압 작동.
위의 요구 사항 중에서 선택할 수있는 다양한 IC가 있지만이 프로젝트에서는 Power Integration 을 선택했습니다. 전력 통합은 다양한 전력 출력 범위에서 광범위한 전력 드라이버 IC를 보유한 반도체 회사입니다. 요구 사항 및 가용성을 기반으로 우리는 소형 스위치 II 제품군 의 TNY268PN 을 사용하기로 결정했습니다.
위 이미지에서 최대 전력 15W가 표시됩니다. 그러나 우리는 개방형 프레임과 범용 입력 정격에 대해 SMPS를 만들 것입니다. 이러한 세그먼트에서 TNY268PN은 15W 출력을 제공 할 수 있습니다. 핀 다이어그램을 보겠습니다.
12v 1Amp SMPS 회로 설계
회로를 구축하는 가장 좋은 방법은 Power Integration의 PI 전문가 소프트웨어를 사용하는 것입니다. 우수한 전원 공급 장치 설계 소프트웨어입니다. 회로는 전력 통합 IC를 사용하여 구성됩니다. 디자인 절차는 아래에 설명되어 있습니다. 또는 동일한 내용을 설명하는 비디오를 보려면 아래로 스크롤 할 수도 있습니다.
단계 -1: 선택 작은 스위치 II를 하고도 원하는 패키지를 선택합니다. 우리는 DIP 패키지를 선택했습니다. 인클로저 유형, 어댑터 또는 오픈 프레임을 선택합니다. 여기서 Open Frame이 선택됩니다.
그런 다음 피드백 유형을 선택합니다. 플라이 백 토폴로지 가 사용 되므로 필수 입니다. TL431은 피드백을위한 탁월한 선택입니다. TL431은 션트 레귤레이터이며 우수한 과전압 보호 및 정확한 출력 전압을 제공합니다.
2 단계: 입력 전압 범위를 선택합니다. 범용 입력 SMPS이므로 입력 전압은 85-265V AC로 선택됩니다. 라인 주파수는 50Hz입니다.
3 단계:
출력 전압, 전류 및 와트를 선택합니다. SMPS 정격은 12V 1.25A입니다. 와트 수는 15W입니다. 작동 모드는 정전압 작동 모드를 의미하는 CV로도 선택됩니다. 마지막으로 모든 것이 간단한 세 단계로 이루어지며 회로도가 생성됩니다.
12V SMPS 회로 다이어그램 및 설명
아래 회로는 우리 프로젝트에 맞게 약간 수정되었습니다.
프로토 타입 부품을 빌드하기 전에 12v SMPS 회로 다이어그램 과 그 작동을 살펴 보겠습니다. 회로에는 다음 섹션이 있습니다.
- 입력 서지 및 SMPS 오류 보호
- AC-DC 변환
- PI 필터
- 드라이버 회로 또는 스위칭 회로
- 저전압 차단 보호.
- 클램프 회로
- 자기 및 갈바닉 절연
- EMI 필터
- 2 차 정류기 및 스 너버 회로
- 필터 섹션
- 피드백 섹션.
입력 서지 및 SMPS 오류 보호
이 섹션은 F1과 RV1의 두 가지 구성 요소로 구성됩니다. F1은 1A 250VAC 슬로우 블로우 퓨즈이고 RV1은 7mm 275V MOV (Metal Oxide Varistor)입니다. 고전압 서지 (275VAC 이상) 동안 MOV는 데드 쇼트가되어 입력 퓨즈를 차단합니다. 그러나 슬로우 블로우 기능으로 인해 퓨즈는 SMPS를 통한 돌입 전류를 견뎌냅니다.
AC-DC 변환
이 섹션은 다이오드 브리지에 의해 관리됩니다. 이 4 개의 다이오드 (DB107 내부)는 풀 브리지 정류기를 만듭니다. 다이오드는 1N4006이지만 표준 1N4007은 작업을 완벽하게 수행 할 수 있습니다. 이 프로젝트에서이 4 개의 다이오드는 풀 브리지 정류기 DB107로 대체됩니다.
PI 필터
상태마다 EMI 거부 표준이 다릅니다. 이 설계는 EN61000-Class 3 표준을 확인 하고 PI 필터는 공통 모드 EMI 제거 를 줄이는 방식으로 설계되었습니다. 이 섹션은 C1, C2 및 L1을 사용하여 생성됩니다. C1 및 C2는 400V 18uF 커패시터입니다. 홀수 값이므로이 애플리케이션에는 22uF 400V가 선택됩니다. L1은 차동 EMI 신호를 사용하여 둘 다 취소하는 공통 모드 초크입니다.
드라이버 회로 또는 스위칭 회로
SMPS의 핵심입니다. 변압기의 1 차측은 스위칭 회로 TNY268PN에 의해 제어됩니다. 스위칭 주파수는 120-132khz입니다. 이 높은 스위칭 주파수 로 인해 더 작은 변압기를 사용할 수 있습니다. 스위칭 회로에는 U1과 C3의 두 가지 구성 요소가 있습니다. U1은 메인 드라이버 IC TNY268PN입니다. C3는 드라이버 IC의 작동에 필요한 바이 패스 커패시터 입니다.
저전압 차단 보호
저전압 차단 보호는 감지 저항 R1 및 R2에 의해 수행됩니다. SMPS가 오토-리 스타트 모드로 들어가 라인 전압을 감지 할 때 사용됩니다.
클램프 회로
D1 및 D2는 클램프 회로입니다. D1은 TVS 다이오드 이고 D2는 초고속 복구 다이오드 입니다. 변압기는 파워 드라이버 IC TNY268PN에서 거대한 인덕터 역할을합니다. 따라서 스위칭 오프 사이클 동안 변압기는 변압기 의 누설 인덕턴스 로 인해 고전압 스파이크를 생성 합니다. 이러한 고주파 전압 스파이크는 변압기의 다이오드 클램프에 의해 억제됩니다. 초고속 복구로 인해 UF4007이 선택되고 TVS 작동을 위해 P6KE200A가 선택됩니다.
자기 및 갈바닉 절연
변압기는 강자성 변압기이며 고전압 AC를 저전압 AC로 변환 할뿐만 아니라 갈바닉 절연도 제공합니다.
EMI 필터
EMI 필터링은 C4 커패시터에 의해 수행됩니다. 높은 EMI 간섭을 줄이기 위해 회로의 내성을 증가시킵니다.
2 차 정류기 및 스 너버 회로
트랜스포머의 출력은 쇼트 키 정류 다이오드 인 D6을 사용하여 정류되고 DC로 변환됩니다. D6의 스 너버 회로는 스위칭 작동 중에 과도 전압을 억제합니다. 스 너버 회로는 하나의 저항과 하나의 커패시터 (R3 및 C5)로 구성됩니다.
필터 섹션
필터 섹션은 필터 커패시터 C6으로 구성됩니다. 더 나은 리플 제거를위한 낮은 ESR 커패시터입니다. 또한 L2 및 C7을 사용하는 LC 필터는 출력에서 더 나은 리플 제거를 제공합니다.
피드백 섹션
출력 전압은 U3 TL431 및 R6 및 R7에 의해 감지됩니다. 라인 U2를 감지 한 후 옵토 커플러 가 제어되고 1 차측 컨트롤러와 2 차 피드백 감지 부분을 전기적으로 절연합니다. Optocoupler에는 트랜지스터와 LED가 내부에 있습니다. LED를 제어하여 트랜지스터를 제어합니다. 통신이 광학적으로 이루어지기 때문에 직접적인 전기 연결이 없으므로 피드백 회로의 갈바닉 절연도 만족합니다.
이제 LED가 광 커플러 LED에 충분한 바이어스를 제공하여 트랜지스터를 직접 제어하므로 광 커플러 트랜지스터,보다 구체적으로 드라이버 회로를 제어 할 수 있습니다. 이 제어 시스템은 TL431에 의해 사용됩니다. 션트 레귤레이터는 레퍼런스 핀에 저항 분배기가 있기 때문에이를 통해 연결된 옵토 커플러를 제어 할 수 있습니다. 피드백 핀의 기준 전압은 2.5V 입니다. 따라서 TL431은 분배기 양단의 전압이 충분한 경우에만 활성화 될 수 있습니다. 우리의 경우 전압 분배기가 12V 값으로 설정되었습니다.. 따라서 출력이 12V에 도달하면 TL431은 기준 핀에서 2.5V를 얻으므로 옵토 커플러의 트랜지스터를 제어하고 TNY268PN을 간접적으로 제어하는 옵토 커플러의 LED를 활성화합니다. 출력에서 전압이 충분하지 않으면 스위칭 사이클이 즉시 중단됩니다.
먼저 TNY268PN은 첫 번째 스위칭 사이클을 활성화 한 다음 EN 핀을 감지합니다. 모든 것이 정상이면 전환을 계속하고, 그렇지 않으면 가끔씩 다시 시도합니다. 이 루프는 모든 것이 정상이 될 때까지 계속되어 단락 또는 과전압 문제를 방지합니다. 이것이 출력 전압이 관련 동작을 감지하기 위해 드라이버로 다시 흐르기 때문에 플라이 백 토폴로지라고 불리는 이유입니다. 또한 시도 루프를 실패 조건에서 작동 의 딸꾹질 모드 라고합니다.
D3는 쇼트 키 배리어 다이오드 입니다. 이 다이오드는 고주파 AC 출력을 DC로 변환합니다. 안정적인 작동을 위해 3A 60V 쇼트 키 다이오드가 선택되었습니다. R4 및 R5는 PI Expert가 선택하고 계산합니다. 전압 분배기를 생성하고 전류를 TL431에서 Optocoupler LED로 전달합니다.
R6 및 R7은 TL431 REF voltage = (Vout x R7) / R6 + R7 공식으로 계산 된 간단한 전압 분배기 입니다. 기준 전압은 2.5V이고 Vout은 12V입니다. R6 23.7k의 값을 선택하면 R7은 약 9.09k가되었습니다.
12v 1A SMPS 회로 용 PCB 제작
이제 회로도가 어떻게 작동하는지 이해 했으므로 SMPS 용 PCB 구축을 진행할 수 있습니다. 이것은 SMPS 회로이기 때문에 노이즈 및 절연 문제를 처리 할 수있는 PCB를 권장합니다. 위 회로의 PCB 레이아웃은 링크에서 Gerber로 다운로드 할 수도 있습니다.
- 15W SMPS 회로 용 Gerber 파일 다운로드
이제 디자인이 준비되었으므로 Gerber 파일을 사용하여 제작할 때입니다. PCB 작업을 수행하는 것은 매우 쉽습니다. 아래 단계를 따르십시오.
1 단계: www.pcbgogo.com에 접속하여 처음이라면 가입하십시오. 그런 다음 PCB 프로토 타입 탭에서 PCB 치수, 레이어 수 및 필요한 PCB 수를 입력합니다. PCB가 80cm × 80cm라고 가정하면 아래와 같이 치수를 설정할 수 있습니다.
2 단계: 지금 견적 버튼 을 클릭하여 진행 합니다. 트랙 간격 등을 사용하는 재료와 같이 필요한 경우 몇 가지 추가 매개 변수를 설정할 수있는 페이지로 이동합니다. 그러나 대부분 기본값은 정상적으로 작동합니다. 여기서 고려해야 할 유일한 것은 가격과 시간입니다. 보시다시피 빌드 시간은 2 ~ 3 일이며 PSB 비용은 5 달러입니다. 그런 다음 요구 사항에 따라 선호하는 배송 방법을 선택할 수 있습니다.
3 단계: 마지막 단계는 Gerber 파일을 업로드하고 결제를 진행하는 것입니다. 프로세스가 원활하게 진행되도록 PCBGOGO는 결제를 진행하기 전에 Gerber 파일이 유효한지 확인합니다. 이렇게하면 PCB가 제작에 친숙하고 약속 된대로 도달 할 수 있음을 확인할 수 있습니다.
PCB 조립
보드를 주문한 후 며칠 후에 깔끔하게 잘 포장 된 상자에 택배를 보내어 항상 PCB의 품질이 훌륭했습니다. 제가받은 PCB는 아래와 같습니다.
납땜 봉을 켜고 보드 조립을 시작했습니다. 풋 프린트, 패드, 비아 및 실크 스크린이 완벽한 모양과 크기이므로 보드를 조립하는 데 문제가 없었습니다. 납땜 바이스에 고정 된 내 PCB는 아래와 같습니다.
부품 조달
이 12v 15w SMPS 회로의 모든 구성 요소는 회로도에 따라 조달됩니다. 상세 BOM은 아래 엑셀 파일에서 다운로드 할 수 있습니다.
- 15W SMPS 설계 – BOM
거의 모든 구성 요소를 즉시 사용할 수 있습니다. 이 프로젝트에 적합한 변압기를 찾는 데 어려움을 겪을 수 있습니다. 일반적으로 SMPS 회로 스위칭의 경우 플라이 백 변압기는 공급 업체에서 직접 구할 수 없으며 대부분의 경우 효율적인 결과가 필요한 경우 자체 변압기를 감아 야합니다. 그러나 유사한 플라이 백 변압기를 사용하는 것도 괜찮으며 회로는 계속 작동합니다. 변압기에 대한 이상적인 사양은 이전에 사용한 PI Expert 소프트웨어에서 제공합니다.
PI Expert에서 얻은 변압기의 기계 및 전기 다이어그램은 다음과 같습니다.
올바른 공급 업체를 찾을 수없는 경우 12V 어댑터 또는 기타 SMPS 회로에서 변압기를 구할 수 있습니다. 또는 다음 재료 및 권선 지침을 사용하여 변압기 구매를 직접 구축 할 수도 있습니다.
모든 구성품이 조달되면 조립이 쉬워야합니다. Gerber 파일과 BOM을 참조하여 PCB 보드를 조립할 수 있습니다. 일단 완료되면 내 PCB 앞면과 뒷면은 다음과 같습니다.
15W SMPS 회로 테스트
이제 회로가 준비되었으므로 회전을 시도 할 시간입니다. VARIAC를 통해 보드를 AC 주전원에 연결하고 부하 기계로 출력 측을로드하고 리플 전압을 측정하여 회로의 성능을 확인합니다. 전체 테스트 절차 비디오는이 페이지 끝에 있습니다. 아래 이미지는 230V AC의 입력 AC 전압으로 테스트 한 회로를 보여 주며 출력은 12.08V입니다.
오실로스코프를 사용하여 리플 전압 측정
오실로스코프로 리플 전압을 측정하려면 스코프 입력을 1x 이득의 AC로 변경합니다. 그런 다음 낮은 값의 전해 커패시터와 낮은 값의 세라믹 커패시터를 연결하여 배선으로 인한 노이즈 감소를 포착합니다. 이 절차에 대한 자세한 내용은 Power Integration에서이 RDR-295 문서의 40 페이지를 참조하십시오.
아래 스냅 샷은 85VAC 및 230VAC 모두에서 무부하 상태에서 촬영되었습니다. 눈금은 구간당 10mV로 설정되며 리플은 거의 10mV pk-pk입니다.
90VAC 입력 및 최대 부하에서 리플은 약 20mV pk-pk에서 볼 수 있습니다.
230VAC 및 최대 부하에서 리플 전압은 약 30mV pk-pk에서 측정되며 이는 최악의 시나리오입니다.
그게 다입니다. 이것이 당신이 자신의 12v SMPS 회로를 설계하는 방법 입니다. 작동을 이해했으면 전압 및 전력 요구 사항에 맞게 12v SMPS 회로 다이어그램 을 변경할 수 있습니다. 튜토리얼을 이해하고 유용한 것을 배우 셨기를 바랍니다. 질문이있는 경우 댓글 섹션에 남겨 두거나 기술 토론을 위해 포럼을 사용하십시오. 또 다른 흥미로운 SMPS 디자인으로 당신을 다시 만날 것입니다.