Diseño de circuito de fuente de alimentación smps de 12V 1a en PCB

Cada dispositivo o producto electrónico requiere una unidad de fuente de alimentación (PSU) confiable para operar. Casi todos los dispositivos de nuestra casa, como televisores, impresoras, reproductores de música, etc., constan de una fuente de alimentación incorporada que convierte el voltaje de la red de CA a un nivel adecuado de voltaje de CC para que funcionen. El tipo de circuito de fuente de alimentación más comúnmente 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 móvil / portátil. En este tutorial aprenderemos cómo construir un circuito SMPS de 12vque convertiría la alimentación de red de CA en 12V CC con una corriente nominal 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 15 vatios no coincide con sus requisitos, puede verificar varios circuitos de suministro de energía con diferentes clasificaciones.

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 y 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 voltaje de entrada universalrango. 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 usar 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. Es de 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.

En función de la carga de salida, también tenemos que decidir entre el diseño de un SMPS de voltaje constante o un SMPS de corriente constante. Voltaje constante significa que el voltaje a través de la carga será constante y la corriente cambiará de acuerdo con los cambios en la resistencia de carga. Por otro lado, el modo de corriente constante permitirá que la corriente sea constante pero cambiará el voltaje de acuerdo con los cambios en la resistencia de carga. Además, tanto CV como CC pueden estar disponibles en una SMPS, pero no pueden funcionar al mismo tiempo. Cuando existen ambas opciones en un SMPS, debe haber un rango en el que el SMPS cambiará su operación de salida de CV a CC y viceversa. Normalmente, los cargadores en modo CC y CV se utilizan para cargar baterías de plomo-ácido o de litio.

Funciones de protección de entrada y salida

Hay varios circuitos de protección que se pueden emplear en el SMPS para operaciones más seguras y confiables. El circuito de protección protege el SMPS así como la carga conectada. Dependiendo de la ubicación, el circuito de protección se puede conectar a través de la entrada o de la salida. La protección de entrada más común es la protección contra sobretensiones y los filtros EMI. Protección contra sobretensiones protege los SMPS de la entrada de las mareas o AC sobretensión. El filtro EMI protege el SMPS de la generación de EMI a través de la línea de entrada. En este proyecto, ambas funciones estarán disponibles. Protección de salida incluye protección contra cortocircuitos, protección contra sobretensiones y protección de sobre corriente. Este diseño SMPS también incluirá todos estos circuitos de protección.

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 será 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 cortocircuito, sobretensión y protección contra sobrecorriente.
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 familias diminutas 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 pines.

Diseño del circuito SMPS de 12v 1Amp

La mejor manera de construir el circuito es utilizar el software experto PI de Power Integration. Es un excelente software de diseño de fuentes de alimentación. El circuito se construye utilizando Power Integration IC. El procedimiento de diseño se explica a continuación, alternativamente también puede desplazarse hacia abajo para ver el video que explica el mismo.

Paso -1: Seleccione el Tiny switch II y también seleccione el paquete deseado. Seleccionamos el paquete DIP. Seleccione el tipo de caja, adaptador o marco abierto. Aquí se selecciona Open Frame.

Luego seleccione el tipo de Comentarios. Es esencial ya que se utiliza la topología Flyback. TL431 es una excelente opción para comentarios. TL431 es un regulador de derivación y proporcionará una excelente protección contra sobretensiones y una tensión de salida precisa.

Paso 2: Seleccione el rango de voltaje de entrada. Como será un SMPS de entrada universal, el voltaje de entrada se selecciona como 85-265V AC. La frecuencia de línea es de 50 Hz.

Paso 3:

Seleccione el voltaje de salida, la corriente y la potencia. La clasificación SMPS será de 12 V 1,25 A. El vataje muestra 15W. El modo de operación también se selecciona como CV, significa modo de operación de voltaje constante. Finalmente, todo se hace en tres sencillos pasos y se genera el esquema.

Diagrama y explicación del circuito SMPS de 12V

El siguiente circuito está ligeramente modificado para adaptarse a nuestro proyecto.

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
11. Sección de comentarios.

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 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 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 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 la 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 ondulaciones. Además, un filtro LC que utiliza L2 y C7 proporciona un mejor rechazo de ondulación en la salida.

Sección de comentarios

El voltaje de salida es detectado por U3 TL431 y R6 y R7. Después de detectar la línea, U2, se controla el optoacoplador y se aísla galvánicamente la parte de detección de retroalimentación secundaria con el controlador del lado primario. El optoacoplador tiene un transistor y un LED en su interior. Al controlar el LED, se controla el transistor. Dado que la comunicación se realiza de forma óptica, no tiene conexión eléctrica directa, por lo que también satisface el aislamiento galvánico en el circuito de retroalimentación.

Ahora, como el LED controla directamente el transistor, al proporcionar suficiente polarización a través del LED del optoacoplador, se puede controlar el transistor del optoacoplador, más específicamente el circuito del controlador. Este sistema de control es empleado por el TL431.Como el regulador de derivación tiene un divisor de resistencia en su pin de referencia, puede controlar el LED del optoacoplador que está conectado a través de él. El pin de retroalimentación tiene un voltaje de referencia de 2.5V. Por lo tanto, el TL431 puede estar activo solo si el voltaje a través del divisor es suficiente. En nuestro caso, el divisor de voltaje establecido en un valor de 12V. Por lo tanto, cuando la salida alcanza los 12V, el TL431 recibe 2.5V a través del pin de referencia y así activa el LED del optoacoplador que controla el transistor del optoacoplador e indirectamente controla el TNY268PN. Si el voltaje no es suficiente en la salida, el ciclo de conmutación se suspende inmediatamente.

Primero, el TNY268PN activa el primer ciclo de conmutación y luego detecta su pin EN. Si todo está bien, continuará el cambio, si no, lo intentará una vez más después de algunas veces. Este bucle continúa hasta que todo se normaliza, evitando así problemas de cortocircuito o sobretensión. Esta es la razón por la que se denomina topología de retorno, ya que el voltaje de salida se devuelve al controlador para detectar las operaciones relacionadas. Además, el bucle de prueba se denomina modo de funcionamiento de hipo en la condición de falla.

El D3 es un diodo de barrera Schottky. Este diodo convierte la salida de CA de alta frecuencia en CC. El diodo Schottky de 3A 60V se selecciona para un funcionamiento confiable. R4 y R5 son seleccionados y calculados por PI Expert. Crea un divisor de voltaje y pasa la corriente al LED del optoacoplador desde el TL431.

R6 y R7 es un divisor de voltaje simple calculado por la fórmula TL431 REF voltaje = (Vout x R7) / R6 + R7. El voltaje de referencia es de 2.5V y el Vout es de 12V. Al seleccionar el valor de R6 23.7k, el R7 se convirtió en 9.09k aproximadamente.

Fabricación de PCB para circuito SMPS de 12v 1A

Ahora que entendemos cómo funcionan los esquemas, podemos continuar con la construcción de la PCB para nuestro SMPS. Dado que se trata de un circuito SMPS, se recomienda una PCB, ya que podría solucionar problemas de ruido y aislamiento. El diseño de PCB para el circuito anterior también está disponible para descargar como Gerber desde el enlace

• Descargar archivo Gerber para circuito SMPS de 15W

Ahora que nuestro Diseño está listo, es hora de fabricarlos con el archivo Gerber. Hacer la PCB es bastante fácil, simplemente siga los pasos a continuación

Paso 1: Ingrese a www.pcbgogo.com, regístrese si esta es su primera vez. Luego, en la pestaña Prototipo de PCB ingrese las dimensiones de su PCB, el número de capas y el número de PCB que necesita. Suponiendo que la PCB mide 80 cm × 80 cm, puede configurar las dimensiones como se muestra a continuación.

Paso 2: Continúe haciendo clic en el botón Cotizar ahora . Se le llevará a una página donde establecer algunos parámetros adicionales si es necesario, como el material utilizado, el espaciado de pistas, etc. Pero la mayoría de los valores predeterminados funcionarán bien. Lo único que tenemos que considerar aquí es el precio y el tiempo. Como puede ver, el tiempo de construcción es de solo 2-3 días y solo cuesta $ 5 para nuestro PSB. Luego, puede seleccionar un método de envío preferido según sus necesidades.

Paso 3: El paso final es cargar el archivo Gerber y proceder con el pago. Para asegurarse de que el proceso sea fluido, PCBGOGO verifica si su archivo Gerber es válido antes de proceder con el pago. De esta manera, puede estar seguro de que su PCB es fácil de fabricar y le llegará según lo comprometido.

Montaje de la PCB

Después de que se ordenó la placa, me llegó después de algunos días a través del servicio de mensajería en una caja bien embalada y bien etiquetada y, como siempre, la calidad de la placa fue increíble. El PCB que recibí se muestra a continuación

Encendí mi varilla de soldadura y comencé a ensamblar la placa. Dado que las huellas, las almohadillas, las vías y la serigrafía tienen perfectamente la forma y el tamaño correctos, no tuve problemas para ensamblar la tabla. Mi PCB sujeta al tornillo de banco se muestra a continuación.

Adquisición de componentes

Todos los componentes de este circuito SMPS de 12v 15w se adquieren según el esquema. La lista de materiales detallada se puede encontrar en el archivo de Excel a continuación para descargar.

• Diseño SMPS de 15 W - Lista de materiales

Casi todos los componentes están disponibles para su uso inmediato. Es posible que tenga problemas para encontrar el transformador adecuado para este proyecto. Normalmente, para un transformador de retorno de conmutación de circuito SMPS no está disponible directamente de los proveedores; en la mayoría de los casos, debe enrollar su propio transformador si necesita resultados eficientes. Sin embargo, también está bien usar un transformador de retorno similar y su circuito seguirá funcionando. La especificación ideal para nuestro transformador será proporcionada por el software PI Expert que usamos anteriormente.

A continuación se muestra el diagrama mecánico y eléctrico del transformador obtenido de PI Expert.

Si no puede encontrar el proveedor adecuado, puede recuperar un transformador de un adaptador de 12 V u otros circuitos SMPS. Alternativamente, también puede construir su propia compra de transformadores utilizando los siguientes materiales e instrucciones de bobinado.

Una vez adquiridos todos los componentes, montarlos debería ser sencillo. Puede usar el archivo Gerber y BOM como referencia y ensamblar la placa PCB. Una vez hecho, la parte frontal y la parte posterior de mi PCB se ven así a continuación

Probando nuestro circuito SMPS de 15W

Ahora que nuestro circuito está listo, es hora de dar una vuelta. Conectaremos la placa a nuestra red de CA a través de un VARIAC y cargaremos el lado de salida con una máquina de carga y mediremos el voltaje de ondulación para verificar el rendimiento de nuestro circuito. El video del procedimiento de prueba completo también se puede encontrar al final de esta página. La siguiente imagen muestra el circuito probado con un voltaje de CA de entrada de 230 V CA para el que obtenemos una salida de 12,08 V

Medición de voltaje de ondulación con osciloscopio

Para medir el voltaje de ondulación con el osciloscopio, cambie la entrada del osciloscopio a CA con una ganancia de 1x. Luego, conecte un capacitor electrolítico de bajo valor y un capacitor cerámico de bajo valor para detectar reducciones de ruido debido a los cables. Puede consultar la página 40 de este documento RDR-295 de Power Integration para obtener más información sobre este procedimiento.

La siguiente instantánea se tomó sin carga en 85 VCA y 230 VCA. La escala se establece en 10 mV por división y, como puede ver, la ondulación es de casi 10 mV pk-pk.

A una entrada de 90 VCA y con una carga completa, la ondulación se puede ver en alrededor de 20 mV pk-pk

En 230 VCA y en plena carga, el voltaje de ondulación se mide en alrededor de 30 mV pk-pk, que es el peor de los casos.

Eso es; así es como puede diseñar su propio circuito SMPS de 12v. Una vez que haya entendido el funcionamiento, puede modificar el diagrama del circuito SMPS de 12v para adaptarlo a sus requisitos de voltaje y energía. Espero que hayas entendido el tutorial y hayas disfrutado aprendiendo algo útil. Si tiene alguna pregunta, déjela en la sección de comentarios o utilice nuestros foros para discusiones técnicas. Nos volveremos a encontrar con otro interesante diseño SMPS, hasta entonces despedirnos….