PCB上的12V 1A SMPS电源电路设计

每个电子设备或产品都需要一个可靠的电源设备（PSU）来操作它。我们家中几乎所有的设备，例如电视，打印机，音乐播放器等，都由内置的电源设备组成，该电源设备将交流市电电压转换为合适的直流电压水平，以使其运行。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这种类型的电路。在本教程中，我们将学习如何构建12v SMPS电路可将交流电源转换为12V DC，最大额定电流为1.25A。该电路可用于为小负载供电，甚至可用于充电器为铅酸和锂电池充电。如果此12v 15watt电源电路不符合您的要求，则可以检查具有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，必须根据使用电源的环境进行需求分析。不同类型的电源在不同的环境中并具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所使用的第一件事，并将其转换成有用的值以馈入负载。由于此设计指定用于AC-DC转换，因此输入将为交流电（AC）。在印度，输入AC的电压为220-230伏，而在美国，额定输入电压为110伏。还有其他国家使用不同的电压水平。通常，SMPS可在通用输入电压下工作范围。这意味着输入电压可以在85V AC至265V AC之间变化。SMPS可以在任何国家/地区使用，并且如果电压介于85-265V AC之间，则可以提供稳定的满负载输出。SMPS也应在50Hz和60Hz频率下正常工作。这就是为什么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，很少有电阻性负载，很少有电感性。根据负载，SMPS的结构可能会有所不同。对于此SMPS，假定负载为电阻负载。但是，没有什么比电阻负载更重要的了，每个负载都至少包含一些电感和电容。这里假设负载的电感和电容可以忽略不计。

SMPS的输出规格在很大程度上取决于负载，例如在所有工作条件下负载需要多少电压和电流。对于此项目，SMPS可以提供15W的输出。它是12V和1.25A。选择目标输出纹波，使其在20000 Hz带宽时小于30mV pk-pk。

基于输出负载，我们还必须在设计恒定电压SMPS或恒定电流SMPS之间做出选择。恒定电压意味着负载两端的电压将保持恒定，并且电流将随着负载电阻的变化而相应地变化。另一方面，恒流模式将允许电流保持恒定，但随着负载电阻的变化而相应地改变电压。同样，CPS和CC都可以在SMPS中使用，但它们不能一次工作。当两个选项同时存在于SMPS中时，SMPS将需要在一定范围内将其输出操作从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，以确保操作更安全可靠。该保护电路可保护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电涌保护和EMI滤波器。电涌保护可保护SMPS免受输入电涌或AC过压的影响。EMI滤波器可保护SMPS免受输入线路上EMI的影响。在此项目中，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Drier 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pk-pk纹波小于30mV。
通用输入额定值。
输入电涌保护。
输出短路，过压和过流保护。
恒定电压操作。

根据上述要求，可以选择各种各样的IC，但是对于该项目，我们选择了Power Integration。电源集成是一家半导体公司，在各种功率输出范围内具有广泛的电源驱动器IC。根据需求和可用性，我们决定使用纤巧型开关II系列的TNY268PN。

在上图中，显示了最大功率15W。但是，我们将在开放框架中为通用输入额定值制造SMPS。在这种情况下，TNY268PN可以提供15W的输出。让我们看一下引脚图。

设计12v 1Amp SMPS电路

构造电路的最佳方法是使用Power Integration的PI Expert软件。它是出色的电源设计软件。该电路是使用电源集成IC构建的。设计过程将在下面进行说明，或者您也可以向下滚动以观看介绍该过程的视频。

步骤-1：选择Tiny开关II，然后选择所需的包装。我们选择了DIP包。选择机箱类型，适配器或开放式框架。在这里，选择“打开框架”。

然后选择反馈类型。这是必不可少的，因为使用了反激式拓扑。TL431是反馈的绝佳选择。TL431是并联稳压器，它将提供出色的过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，因此将输入电压选择为85-265V AC。线路频率为50 Hz。

步骤3：

选择输出电压，电流和瓦数。SMPS额定值为12V 1.25A。瓦数显示为15W。操作模式也选择为CV，表示恒压操作模式。最后，所有的步骤都通过三个简单的步骤完成，并生成了原理图。

12V SMPS电路图和说明

下面的电路经过了稍微修改，以适合我们的项目。

在直接构建原型部分之前，让我们探索12v SMPS电路图及其操作。该电路包括以下部分

输入浪涌和SMPS故障保护
AC-DC转换
PI过滤器
驱动器电路或开关电路
欠压锁定保护。
钳位电路
磁电隔离
EMI滤波器
次级整流器和缓冲电路
过滤部分
反馈部分。

输入浪涌和SMPS故障保护

本部分由两个组件F1和RV1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）。在高电压浪涌（超过275VAC）下，MOV完全短路并烧毁输入保险丝。但是，由于具有慢速熔断功能，保险丝可以承受通过SMPS的浪涌电流。

AC-DC转换

此部分由二极管电桥控制。这四个二极管（在DB107内部）构成一个全桥式整流器。二极管是1N4006，但是标准的1N4007可以完美地完成工作。在该项目中，这四个二极管被全桥式整流器DB107取代。

PI过滤器

不同的状态具有不同的EMI抑制标准。该设计符合EN61000-Class 3标准，并且PI滤波器的设计旨在降低共模EMI抑制。本部分是使用C1，C2和L1创建的。C1和C2是400V 18uF电容器。这是一个奇数值，因此为此应用选择了22uF 400V。L1是共模扼流圈，采用差分EMI信号消除两者。

驱动器电路或开关电路

这是SMPS的心脏。变压器的初级侧由开关电路TNY268PN控制。开关频率为120-132khz。由于开关频率高，因此可以使用较小的变压器。开关电路具有两个组件：U1和C3。U1是TNY268PN主驱动器IC。C3是驱动器IC工作所需的旁路电容器。

欠压锁定保护

欠压锁定保护由检测电阻R1和R2完成。当SMPS进入自动重启动模式并检测线电压时使用。

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。变压器在电源驱动器IC TNY268PN上起着巨大的电感作用。因此，在关断周期中，由于变压器的漏感，变压器会产生高压尖峰。变压器两端的二极管钳位抑制了这些高频电压尖峰。选择UF4007是因为它具有超快的恢复能力，并且选择了P6KE200A进行TVS操作。

磁电隔离

该变压器是铁磁变压器，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

EMI滤波由C4电容器完成。它增加了电路的抗扰性，以减少高EMI干扰。

次级整流器和缓冲电路

变压器的输出经过整流，并使用肖特基整流二极管D6转换为DC 。D6两端的缓冲电路可抑制开关操作期间的瞬态电压。缓冲电路由一个电阻和一个电容器R3和C5组成。

过滤部分

滤波部分包括一个滤波电容器C6。它是低ESR电容器，具有更好的纹波抑制能力。同样，使用L2和C7的LC滤波器可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和R7感测。在检测到线路U2之后，对光耦合器进行控制，并将次级反馈检测部分与初级侧控制器电气隔离。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方式完成的，因此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通过在光耦合器LED上提供足够的偏压来直接控制晶体管，因此人们可以控制光耦合器晶体管，尤其是驱动器电路。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，因此可以控制跨接在其上的光耦合器LED。反馈引脚的参考电压为2.5V。因此，仅在分压器两端的电压足够时，TL431才可以激活。在本例中，分压器设置为12V。因此，当输出达到12V时，TL431在基准引脚上获得2.5V电压，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，则立即暂停开关周期。

首先，TNY268PN激活第一个开关周期，然后检测到它的EN引脚。如果一切正常，它将继续进行切换，否则，有时会再次尝试。该循环将一直持续到一切恢复正常为止，从而防止出现短路或过压问题。这就是为什么将其称为反激式拓扑的原因，因为输出电压会流回驱动器以感应相关的操作。同样，将尝试循环称为故障条件下的打ic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肖特基二极管可确保可靠的操作。R4和R5由PI Expert选择和计算。它创建一个分压器，并将电流从TL431传递到光电耦合器LED。

R6和R7是一个简单的分压器，其计算公式为TL431 REF voltage =（Vout x R7）/ R6 + R7。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。

用于12v 1A SMPS电路的制造PCB

现在我们了解了原理图的工作原理，我们可以继续为SMPS构建PCB。由于这是SMPS电路，因此建议使用PCB，因为它可以处理噪声和隔离问题。上述电路的PCB布局也可以从链接下载Gerber的形式。

下载15W SMPS电路的Gerber文件

现在，我们的设计已经准备就绪，是时候使用Gerber文件制作它们了。要完成PCB非常简单，只需执行以下步骤

第1步： 进入www.pcbgogo.com，如果这是您第一次，请注册。然后，在“ PCB原型”选项卡中，输入PCB的尺寸，层数和所需的PCB数。假设PCB为80cm×80cm，则可以如下设置尺寸。

第2步： 单击 立即报价 按钮继续。您将进入一个页面，在该页面上可以根据需要设置一些其他参数，例如使用的轨道间距等材料。但是大多数情况下，默认值都可以正常工作。我们在这里唯一需要考虑的是价格和时间。如您所见，构建时间仅为2-3天，而我们的PSB仅花费5美元。然后，您可以根据需要选择首选的运输方式。

第3步： 最后一步是上传Gerber文件并继续付款。为确保流程顺利进行，PCBGOGO在继续付款之前会验证您的Gerber文件是否有效。这样，您可以确保您的PCB易于制造，并且能够按承诺完成。

组装PCB

订购该板后，几天后便到达了我，尽管快递员装在一个整齐有序的包装良好的盒子里，而且像往常一样，PCB的质量很棒。我收到的PCB如下所示

我打开了焊锡棒，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，因此我组装电路板没有问题。我的PCB固定在焊钳上，如下所示。

零件采购

此12v 15w SMPS电路的所有组件均根据原理图购买。可以在下面的excel文件中找到详细的BOM表，以供下载。

15W SMPS设计–物料清单

几乎所有组件都可以随时使用。您可能会发现找不到适合该项目的正确变压器的麻烦。通常对于SMPS电路开关反激式变压器无法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，则必须缠绕自己的变压器。但是，也可以使用类似的反激变压器，并且电路仍然可以工作。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。

如果找不到合适的供应商，则可以从12V适配器或其他SMPS电路中抢救变压器。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购买。

一旦购买了所有组件，组装起来应该很容易。您可以使用Gerber文件和BOM表作为参考并组装PCB板。完成后，我的PCB正面和背面看起来如下所示

测试我们的15W SMPS电路

现在我们的电路已经准备就绪，是时候旋转一下了。我们将通过VARIAC将电路板连接到交流电源，并用负载机对输出端进行负载，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此页末找到。下图显示了使用230V AC输入AC电压测试的电路，其输出为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，以降低由于布线而引起的噪声。您可以参考Power Integration的本RDR-295文档的第40页，以获取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，并且您可以看到纹波几乎为10mV pk-pk。

在90VAC输入和满载情况下，纹波可以在20mV pk-pk左右看到

在230VAC和满载情况下，纹波电压约为30mV pk-pk，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电路图以适合您的电压和功率要求。希望您理解本教程并喜欢学习有用的东西。如果您有任何疑问，请将其留在评论部分或使用我们的论坛进行技术讨论。另一个有趣的SMPS设计将再次与您见面，然后签字。