如何构建一个12v SMPS电路

每个电子设备或产品都需要可靠的电源单元 （PSU）来运行它。我们家中的几乎所有设备，如电视、打印机、音乐播放器等，都包含一个内置的电源单元，它将交流电源电压转换为适合它们运行的直流电压电平。最常用的电源电路类型是SMPS（开关模式电源），您可以在 12V 适配器或移动/笔记本电脑充电器中轻松找到此类电路。在本教程中，我们将学习如何构建一个 12v SMPS 电路，该电路将交流电源转换为 12V DC，最大额定电流为 1.25A。该电路可用于为小负载供电，甚至可以改装成充电器为铅酸充电，锂电池。如果这个 12v 15watt 电源电路不符合您的要求，您可以检查不同额定值的各种电源电路。

12v SMPS 电路 – 设计注意事项

在进行任何类型的电源设计之前，必须根据我们电源的使用环境进行需求分析。不同种类的电源工作在不同的环境和特定的输入输出边界。

输入规范

让我们从输入开始。输入电源电压是 SMPS 将首先使用的东西，并将被转换为有用的值来为负载供电。由于该设计专门用于AC-DC 转换，因此输入将是交流电 （AC）。对于印度，输入交流电的电压为 220-230 伏，对于美国，其额定电压为 110 伏。还有其他国家使用不同的电压等级。通常，SMPS 与通用输入电压一起工作范围。这意味着输入电压可以从 85V AC 到 265V AC 不同。SMPS可以在任何国家使用，如果电压在85-265V AC之间，可以提供稳定的满载输出。SMPS 也应在 50Hz 和 60Hz 频率下正常工作。这就是我们能够在任何国家/地区使用手机和笔记本电脑充电器的原因。

输出规格

在输出端，很少有负载是电阻性的，很少是电感性的。根据负载的不同，SMPS 的结构可能会有所不同。对于此 SMPS，负载假定为电阻负载。但是，没有什么能比得上电阻负载，每个负载至少包含一定数量的电感和电容；这里假设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，例如在所有工作条件下负载需要多少电压和电流。对于这个项目，SMPS 可以提供15W 的输出。它是 12V 和 1.25A。目标输出纹波选择为小于20000 Hz 带宽下的 30mV 峰峰值。

根据输出负载，我们还必须在设计恒压 SMPS或恒流 SMPS之间做出决定。恒压是指负载两端的电压恒定，电流随着负载电阻的变化而变化。另一方面，恒流模式将允许电流恒定，但电压会随着负载电阻的变化而相应改变。此外，CV 和 CC 都可以在 SMPS 中使用，但它们不能同时工作。当 SMPS 中存在这两个选项时，需要有一个范围，当 SMPS 将其输出操作从 CV 更改为 CC 时，反之亦然。通常CC 和 CV 模式充电器用于为铅酸或锂电池充电。

输入和输出保护功能

SMPS 上可以使用各种保护电路，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，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EMI 滤波器。浪涌保护保护 SMPS 免受输入浪涌或交流过压的影响。EMI 滤波器保护 SMPS 免受输入线路产生 EMI 的影响。在这个项目中，这两个功能都将可用。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 或干燥器 IC。让我们总结一下设计注意事项，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

15W输出。12V 1.25A，满载时纹波小于 30mV 峰峰峰值。

通用输入额定值。

输入浪涌保护。

输出短路、过压、过流保护。

恒压操作。

根据上述要求，可供选择的 IC 范围很广，但对于这个项目，我们选择了Power integration。Power integration 是一家半导体公司，拥有各种功率输出范围内的各种功率驱动器 IC。根据要求和可用性，我们决定使用微型开关 II 系列的 TNY268PN。

在上图中，显示了最大功率 15W。但是，我们将在开放式框架中制作 SMPS，并用于通用输入额定值。在这样的细分市场中，TNY268PN 可以提供 15W 的输出。让我们看看引脚图。

设计 12v 1Amp SMPS 电路

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。该电路是使用功率集成 IC 构建的。设计过程解释如下，或者您也可以向下滚动查看解释相同的视频。

步骤-1：选择Tiny switch II并选择所需的封装。我们选择了 DIP 封装。选择机箱类型、适配器或开放式框架。这里选择了开放框架。

然后选择反馈类型。这是必不可少的，因为使用了反激拓扑。TL431 是反馈的绝佳选择。TL431 是一款并联稳压器，它将提供出色的过压保护和准确的输出电压。

Step-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 50 Hz。

第 3 步：

选择输出电压、电流和功率。SMPS 额定值为 12V 1.25A。功率显示为 15W。操作模式也选择为CV，即恒压操作模式。最后，一切都通过三个简单的步骤完成，原理图就生成了。

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。

在直接开始构建原型部件之前，让我们先了解一下12v SMPS 电路图及其操作。该电路有以下部分

输入浪涌和 SMPS 故障保护

AC-DC 转换

PI 过滤器

驱动电路或开关电路

欠压锁定保护。

钳位电路

磁性和电流隔离

EMI滤波器

次级整流器和缓冲电路

过滤器部分

反馈部分。

输入浪涌和 SMPS 故障保护

本节由 F1 和 RV1 两个组件组成。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（超过 275VAC）期间，MOV 短路并烧断输入保险丝。然而，由于慢熔特性，保险丝可以承受通过 SMPS 的浪涌电流。

AC-DC 转换

该部分由二极管电桥控制。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。

PI 过滤器

不同的州有不同的 EMI 抑制标准。该设计符合 EN61000-Class 3 标准，并且 PI 滤波器的设计方式可降低共模 EMI 抑制。此部分是使用 C1、C2 和 L1 创建的。C1和C2是400V 18uF电容。这是一个奇数值，因此为此应用选择了 22uF 400V。L1 是一个共模扼流圈，它采用差分 EMI 信号来抵消两者。

驱动电路或开关电路

它是 SMPS 的核心。变压器的初级侧由开关电路 TNY268PN 控制。开关频率为120-132khz。由于这种高开关频率，可以使用更小的变压器。开关电路有两个元件，U1和C3。U1是主驱动IC TNY268PN。C3是我们驱动IC工作所需的旁路电容。

欠压锁定保护

欠压锁定保护由检测电阻 R1 和 R2 完成。它在 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是钳位电路。D1 是TVS 二极管，D2 是超快恢复二极管。变压器在功率驱动器 IC TNY268PN 上充当一个巨大的电感器。因此，在开关关闭周期期间，变压器会由于变压器的漏感而产生高压尖峰。这些高频电压尖峰被变压器两端的二极管钳位抑制。选择 UF4007 是因为恢复速度超快，选择 P6KE200A 进行 TVS 操作。

磁性和电流隔离

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，还提供电流隔离。

EMI滤波器

EMI 滤波由 C4 电容完成。它增加了电路的抗扰度以减少高EMI干扰。

次级整流器和缓冲电路

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。D6 上的缓冲电路可抑制开关操作期间的电压瞬变。缓冲电路由一个电阻和一个电容、R3和C5组成。

过滤器部分

滤波部分由滤波电容C6组成。它是一种低 ESR 电容器，可提供更好的纹波抑制。此外，使用 L2 和 C7 的 LC 滤波器可提供更好的输出纹波抑制。

反馈部分

输出电压由 U3 TL431 和 R6 和 R7 感测。在感测线路 U2 后，光耦合器受到控制，并将次级反馈感测部分与初级侧控制器电流隔离。光耦合器内部有一个晶体管和一个 LED。通过控制LED，控制晶体管。由于通信是通过光进行的，它没有直接的电气连接，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。该控制系统由 TL431 采用。由于并联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，只有当分压器两端的电压足够时，TL431 才能激活。在我们的例子中，分压器设置为 12V. 因此，当输出达到 12V 时，TL431 在参考引脚上获得 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。如果输出两端的电压不足，则开关周期立即暂停。

首先，TNY268PN 激活第一个开关周期，然后检测它的 EN 引脚。如果一切正常，它会继续切换，如果没有，它会过一段时间再试一次。这个循环一直持续到一切正常，从而防止短路或过压问题。这就是为什么它被称为反激拓扑的原因，因为输出电压会流回驱动器以进行相关操作。此外，尝试循环被称为故障条件下的打嗝操作模式。

D3 是肖特基势垒二极管。该二极管将高频交流输出转换为直流。选择 3A 60V 肖特基二极管以确保可靠运行。R4 和 R5 由 PI 专家选择和计算。它创建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，由公式 TL431 REF 电压 = （Vout x R7） / R6 + R7计算得出。参考电压为 2.5V，Vout 为 12V。通过选择 R6 23.7k 的值，R7 大约变为 9.09k。

组装印刷电路板

订购电路板后，几天后它到达了我的手中，尽管快递员装在一个标签整齐、包装完好的盒子里，而且 PCB 的质量一如既往地棒极了。我收到的PCB如下图

我打开焊条并开始组装电路板。由于脚印、焊盘、通孔和丝网印刷的形状和尺寸都非常合适，因此我在组装电路板时没有问题。我的 PCB 夹在焊钳上如下所示。

零部件采购

此12v 15w SMPS 电路的所有组件均按照原理图采购。

几乎所有组件都可以现成使用。您可能会发现为该项目寻找合适的变压器时遇到困难。通常，供应商无法直接提供 SMPS 电路开关反激变压器，在大多数情况下，如果您需要高效的结果，您必须自己缠绕变压器。但是，也可以使用类似的反激式变压器，您的电路仍然可以工作。我们之前使用的 PI Expert 软件将为我们的变压器提供理想的规格。

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 电路中回收变压器。或者，您也可以使用以下材料和绕组说明构建自己的变压器购买。

一旦采购了所有组件，组装它们应该很容易。

测试我们的 15W SMPS 电路

现在我们的电路已经准备好了，是时候试一试了。我们将通过 VARIAC 将电路板连接到我们的交流电源，并用负载机加载输出端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末尾找到。下图显示了输入交流电压为 230V AC 的电路测试，我们得到的输出为 12.08V

使用示波器测量纹波电压

要使用示波器测量纹波电压，请将示波器的输入更改为 AC，增益为 1x。然后连接一个低值电解电容器和一个低值陶瓷电容器，用于拾取因布线引起的噪声降低。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 的空载条件下拍摄的。刻度设置为每格 10mV，如您所见，纹波几乎为 10mV 峰峰值。

在 90VAC 输入和满载时，可以在 20mV pk-pk 左右看到纹波

在 230VAC 和满载时，纹波电压在 30mV pk-pk 左右测量，这是最坏的情况

这就对了; 这就是您可以设计自己的12v SMPS 电路的方法。了解工作原理后，您可以更改12v SMPS 电路图以适应您的电压和功率要求。