基于PCB的12V 1A SMPS电源电路设计

每个电子设备或产品都需要可靠的电源供应单元(PSU)来运行。我们家里几乎所有的设备，如电视、打印机、音乐播放器等，都有一个内置的电源单元，它可以将交流电源电压转换成合适的直流电压，使它们工作。最常用的电源电路类型是SMPS(开关模式电源)，你可以很容易地在你的12V适配器或移动/笔记本电脑充电器中找到这种类型的电路。在本教程中，我们将学习如何构建一个12v SMPS电路，将交流市电转换为12v直流，最大额定电流为1.25A。这种电路可以用来为小型负载供电，甚至可以改装成充电器，为铅酸电池和锂电池充电。如果这个12v 15w的供电电路不符合您的要求，您可以检查不同额定值的各种供电电路。

12v SMPS电路-设计注意事项

在进行任何类型的电源设计之前，必须根据我们的电源将被使用的环境进行需求分析。不同类型的电源工作在不同的环境中，有特定的输入输出边界。

输入规格

让我们从输入开始。输入电源电压是SMPS使用的第一件事，它将被转换成一个有用的值来馈送负载。由于本设计指定用于交流-直流转换，因此输入将为交流电(AC)。对于印度，输入交流电压为220-230伏，对于美国，它的额定电压为110伏。也有其他国家使用不同的电压等级。一般来说，SMPS工作在通用输入电压范围内。这意味着输入电压可以从85V AC到265V AC不等。SMPS可以在任何国家使用，如果电压在85-265V AC之间，则可以提供满负荷稳定输出。SMPS也应该在50Hz和60Hz频率下正常工作。这就是为什么我们可以在任何国家使用手机和笔记本电脑充电器的原因。

输出规范

在输出端，很少有电阻性负载，也很少有感性负载。根据负载的不同，SMPS的构造可能会有所不同。对于这种SMPS，假定负载为电阻性负载。然而，没有什么像一个电阻负载，每个负载由至少一定量的电感和电容;这里假定负载的电感和电容可以忽略不计。

SMPS的输出规格高度依赖于负载，例如负载在所有工作条件下需要多少电压和电流。在这个项目中，SMPS可以提供15W的输出。它是12V和1.25A。在20000hz带宽下，目标输出纹波被选择为小于30mV pk-pk。

根据输出负载的不同，我们还必须决定是设计恒压SMPS还是恒流SMPS。恒压是指负载两端的电压保持恒定，电流随着负载电阻的变化而相应变化。另一方面，恒流模式允许电流保持恒定，但随着负载电阻的变化而相应地改变电压。此外，CV和CC都可以在SMPS中使用，但它们不能在同一时间内工作。当两个选项都存在于SMPS中时，需要有一个范围，当SMPS将其输出操作从CV更改为CC，反之亦然。通常CC和CV模式充电器用于给铅酸电池或锂电池充电。

输入和输出保护功能

SMPS上可以采用各种保护电路，以实现更安全可靠的操作。保护电路保护SMPS以及连接的负载。根据位置的不同，保护电路可以跨输入或跨输出连接。最常见的输入保护是浪涌保护和电磁干扰滤波器。浪涌保护保护SMPS免受输入浪涌或交流过压的影响。电磁干扰滤波器保护SMPS免受输入线产生的电磁干扰。在这个项目中，这两个特性都可用。输出保护包括短路保护、过压保护和过流保护。该SMPS设计还将包括所有这些保护电路。

电源管理IC的选择

每个SMPS电路都需要一个电源管理IC，也称为开关IC或SMPS IC或德里亚IC。让我们总结设计考虑因素，以选择适合我们设计的理想电源管理IC。我们的设计要求是

1.15 w的输出。12V 1.25A，满载时脉动小于30mV。

2.通用输入额定。

3.输入防雷保护。

4.输出短路、过压、过流保护。

5.恒压操作。

从上述要求中有广泛的ic可供选择，但对于这个项目，我们选择了电源集成。功率集成是一家半导体公司，拥有各种功率输出范围的各种功率驱动ic。根据需求和可用性，我们决定使用微型开关II系列的TNY268PN。

在上图中，最大功率为15W。然而，我们将使SMPS在开放帧和通用输入额定值。在此段中，TNY268PN可提供15W输出。让我们看看引脚图。

12v 1Amp SMPS电路的设计

构建电路的最佳方法是使用Power integration的PI专家软件。是一款优秀的电源设计软件。该电路是使用电源集成IC构建的。下面解释了设计过程，或者您也可以向下滚动查看解释相同的视频。

步骤-1：选择微型开关II，并选择所需的封装。我们选择了DIP包。选择外壳类型，适配器或开放框架。这里选择Open Frame。

然后选择反馈类型。当使用反激拓扑时，它是必不可少的。TL431是一个很好的反馈选择。TL431是一个分流稳压器，它将提供出色的过电压保护和准确的输出电压。

步骤2：选择输入电压范围。由于它将是通用输入SMPS，因此输入电压选择为85-265V AC，“线路频率”为50hz。

步骤3:

选择输出电压、电流和瓦数。SMPS额定电压为12V 1.25A。瓦数显示为15W。工作模式也可选择CV，即恒压工作模式。最后，通过三个简单的步骤完成所有工作，并生成原理图。

12V SMPS电路图及说明

下面的电路稍作修改以适应我们的项目。

在直接进入构建原型部分之前，让我们探索12v SMPS电路图及其操作。电路由以下几个部分组成

•输入浪涌和SMPS故障保护

•交直流转换

•π过滤器

•驱动电路或开关电路

•欠压闭锁保护。

•钳位电路

•磁学和电流隔离

•EMI滤波器

•二次整流器和缓冲电路

•过滤部分

•反馈部分。

输入浪涌和SMPS故障保护

本节由F1和RV1两部分组成。F1是1A 250VAC慢熔保险丝，RV1是7mm 275V MOV(金属氧化物压敏电阻)。在高压浪涌期间(超过275VAC)， MOV变得死短并击穿输入保险丝。然而，由于慢熔特性，保险丝可以承受通过SMPS的浪涌电流。

交直流转换

这部分由二极管桥控制。这四个二极管(DB107内部)构成一个全桥整流器。二极管是1N4006，但标准的1N4007可以完美地完成这项工作。在这个项目中，这四个二极管被一个全桥整流器DB107取代。

π过滤器

不同的州有不同的电磁干扰抑制标准。本设计符合en61000 3类标准，PI滤波器设计以降低共模EMI抑制。本节是使用C1、C2和L1创建的。C1和C2是400V 18uF电容器。这是一个奇数值，所以22uF 400V选择用于此应用。L1是一个共模扼流圈，需要差分EMI信号来抵消两者。

驱动电路或开关电路

它是SMPS的核心。变压器一次侧由开关电路TNY268PN控制。开关频率为120-132khz。由于这种高开关频率，可以使用较小的变压器。开关电路由U1和C3两部分组成。U1是主要驱动IC TNY268PN。C3是我们的驱动IC工作所需的旁路电容器。

欠压闭锁保护

欠压闭锁保护由感测电阻R1和R2完成。当SMPS进入自动重启模式并检测线路电压时使用。

钳位电路

D1和D2为箝位电路。D1是TVS二极管，D2是超快速恢复二极管。变压器在功率驱动IC TNY268PN上充当巨大的电感器。因此，在开断周期期间，由于变压器的漏感，变压器会产生高电压尖峰。这些高频电压尖峰被变压器上的二极管钳位抑制。由于恢复速度超快，选择了UF4007，电视机操作选择了P6KE200A。

磁学和电流隔离

变压器是一种铁磁变压器，它不仅将高压交流电转换为低压交流电，而且还提供电流隔离。

EMI滤波器

电磁干扰滤波是由C4电容完成的。提高了电路的抗扰度，降低了高电磁干扰。

二次整流器和缓冲器电路

变压器的输出通过肖特基整流二极管D6进行整流并转换为直流电。横跨D6的缓冲电路在开关操作期间提供电压瞬态抑制。缓冲电路由一个电阻和一个电容、R3和C5组成。

过滤部分

所述滤波部分包括滤波电容器C6。它是一个低ESR电容更好的纹波抑制。此外，使用L2和C7的LC滤波器在输出端提供更好的纹波抑制。

反馈部分

输出电压由U3 TL431和R6、R7检测。在感应到线路U2后，对光耦合器进行控制，并将次级反馈感应部分与主侧控制器进行电隔离。光耦合器内部有一个晶体管和一个LED。通过控制LED，可以控制晶体管。由于通信是通过光学进行的，因此没有直接的电连接，因此也满足了反馈电路上的电流隔离。

现在，由于LED直接控制晶体管，通过在光耦LED上提供足够的偏置，可以控制光耦晶体管，更具体地说是驱动电路。该控制系统采用TL431单片机。由于分流稳压器在其参考引脚上有一个电阻分压器，它可以控制连接在其上的光耦合器led。反馈引脚的参考电压为2.5V。因此，TL431只有在分压器上的电压足够时才能被激活。在我们的例子中，分压器设置为12V的值。因此，当输出达到12V时，TL431通过参考引脚获得2.5V，从而激活光耦合器的LED，该LED控制光耦合器的晶体管并间接控制TNY268PN。如果输出端的电压不足，则开关周期立即中止。

首先，TNY268PN激活开关的第一个周期，然后感知它的EN引脚。如果一切正常，它将继续切换，如果不正常，它将在一段时间后再次尝试。这个循环一直持续到一切正常，从而防止短路或过电压问题。这就是为什么它被称为反激拓扑，因为输出电压被飞回驱动器的传感相关操作。同样，尝试循环也被称为故障条件下的hiccup操作模式。

D3是一个肖特基势垒二极管。这个二极管将高频交流输出转换成直流输出。选用3A 60V肖特基二极管，工作可靠。R4和R5由PI Expert选择和计算。它创建了一个分压器，并将电流从TL431传递到光耦合器LED。

R6和R7是一个简单的分压器，计算公式TL431 REF电压= (Vout x R7) / R6 + R7。参考电压为2.5V， Vout为12V。选取R6的值为23.7k，则R7约为9.09k。

用于12v1a SMPS电路的PCB制作

现在我们了解了原理图是如何工作的，我们可以继续为我们的SMPS构建PCB。由于这是一个SMPS电路，建议使用PCB，因为它可以处理噪声和隔离问题。上述电路的PCB布局也可从链接下载

下载15W SMPS电路的Gerber文件

现在，我们的设计已经准备好了，是时候使用Gerber文件来制作它们了。要完成PCB很容易，只需遵循以下步骤

第一步：登录，如果是第一次，就注册。然后，在PCB Prototype选项卡中输入PCB的尺寸，层数和所需PCB的数量。假设PCB是80cm×80cm，您可以设置如下所示的尺寸。

步骤2：点击Quote Now按钮继续。你将被带到一个页面，在那里设置一些额外的参数，如果需要，如所用的材料轨道间距等。但大多数情况下，默认值可以正常工作。我们唯一要考虑的是价格和时间。正如你所看到的，构建时间只有2-3天，而我们的PSB只需要5美元。然后，您可以根据您的需求选择首选的运输方式。

步骤3：最后一步是上传Gerber文件并继续付款。为了确保过程顺利，PCBGOGO在继续付款之前会验证您的Gerber文件是否有效。这样你就可以确保你的PCB是制造友好的，并将达到你的承诺。

组装PCB

在订购了电路板之后，几天后，它通过快递到达了我手中，包裹在一个标签整齐、包装良好的盒子里，和往常一样，PCB的质量非常好。我收到的PCB如下所示

我打开焊条，开始组装电路板。由于脚印，垫，过孔和丝网是完美的正确的形状和大小，我没有问题组装板。我的PCB夹在焊钳如下所示。

零部件采购

这个12v 15w SMPS电路的所有组件都是根据原理图采购的。详细的BOM可以在下面的excel文件中下载。

几乎所有的组件都是现成的。您可能会在为这个项目找到合适的变压器时遇到麻烦。通常对于SMPS电路，开关反激式变压器不能直接从供应商处获得，在大多数情况下，如果需要有效的结果，您必须自己绕组变压器。然而，它也可以使用类似的反激变压器，你的电路仍然会工作。我们的变压器的理想规格将由我们之前使用的PI Expert软件提供。

从PI Expert获得的变压器的机械和电气图如下所示。

如果您无法找到合适的供应商，您可以从12V适配器或其他SMPS电路中挽救变压器。或者，您也可以使用以下材料和绕组说明来构建自己的变压器。

一旦采购了所有的部件，组装它们应该很容易。您可以参考Gerber文件和BOM，组装PCB板。一旦完成我的PCB正面和背面看起来像下面这样

测试我们的15W SMPS电路

现在我们的电路已经准备好了，是时候试驾了。我们将通过VARIAC将电路板连接到交流电源，并用负载机加载输出侧，并测量纹波电压以检查电路的性能。完整的测试过程视频也可以在本页的末尾找到。下图显示了在输入交流电压为230V AC时测试的电路，我们得到了12.08V的输出

用示波器测量纹波电压

用示波器测量纹波电压，将示波器的输入改为交流，增益为1倍。然后连接一个低值电解电容器和一个低值陶瓷电容器，以拾取由于布线而降低的噪声。您可以参考Power Integration的RDR-295文档的第40页，了解有关此过程的更多信息。

下面的快照是在85VAC和230VAC空载条件下拍摄的。刻度设置为每分10mV，正如你所看到的，纹波几乎是10mV pk-pk。

在90VAC输入和满载时，纹波可以在20mV左右看到pk-pk

在230VAC和满载时，纹波电压测量在30mV左右，这是最坏的情况

就是这样;这就是如何设计自己的12v SMPS电路。一旦您了解了工作原理，您就可以更改12v SMPS电路图以适应您的电压和功率要求。

本文编译自circuitdigest