- 12v SMPS回路–設計上の考慮事項
- パワーマネジメントICの選定
- 12v 1AmpSMPS回路の設計
- 12VSMPS回路図と説明
- 12v 1ASMPS回路用のPCBの製造
- PCBの組み立て
- コンポーネントの調達
- 15WSMPS回路のテスト
すべての電子機器または製品は、それを操作するために信頼性の高い電源ユニット（PSU）を必要とします。TV、プリンター、ミュージックプレーヤーなど、私たちの家にあるほとんどすべてのデバイスは、AC主電源電圧を適切なレベルのDC電圧に変換して動作させる電源ユニットが組み込まれています。最も一般的に使用されているタイプの電源回路はSMPS（スイッチングモード電源）です。このタイプの回路は、12Vアダプターまたはモバイル/ラップトップ充電器で簡単に見つけることができます。このチュートリアルでは、12vSMPS回路を構築する方法を学習しますこれにより、AC主電源が最大電流定格1.25Aの12VDCに変換されます。この回路は、小さな負荷に電力を供給するために使用できます。また、鉛蓄電池やリチウム電池を充電するための充電器に適合させることもできます。この12v15ワットの電源回路が要件に合わない場合は、さまざまな定格のさまざまな電源回路を確認できます。
12v SMPS回路–設計上の考慮事項
あらゆる種類の電源設計を進める前に、電源が使用される環境に基づいて要件分析を行う必要があります。さまざまな種類の電源が、さまざまな環境で特定の入出力境界で動作します。
入力仕様
入力から始めましょう。入力電源電圧は、SMPSによって最初に使用され、負荷に給電するための有用な値に変換されます。この設計はAC-DC変換用に指定されているため、入力は交流（AC）になります。インドの場合、入力ACは220〜230ボルトで利用でき、米国の場合、定格は110ボルトです。異なる電圧レベルを使用する他の国もあります。一般的に、SMPSはユニバーサル入力電圧で動作します範囲。これは、入力電圧が85VACから265VACと異なる可能性があることを意味します。SMPSはどの国でも使用でき、電圧が85〜265V ACの場合、全負荷の安定した出力を提供できます。SMPSは、50Hzおよび60Hzの周波数でも正常に機能するはずです。これが、私たちがどの国でも電話とラップトップの充電器を使用できる理由です。
出力仕様
出力側では、抵抗性の負荷はほとんどなく、誘導性の負荷はほとんどありません。負荷に応じて、SMPSの構造は異なる場合があります。このSMPSの場合、負荷は抵抗性負荷と見なされます。ただし、抵抗性負荷のようなものはありません。各負荷は、少なくともある程度のインダクタンスと静電容量で構成されます。ここでは、負荷のインダクタンスと静電容量は無視できると仮定しています。
SMPSの出力仕様は、すべての動作条件下で負荷に必要な電圧と電流の量など、負荷に大きく依存します。このプロジェクトでは、SMPSは15Wの出力を提供できます。 12V、1.25Aです。目標とする出力リップルは、20000Hz帯域幅で30mVpk-pk未満として選択されます。
また、出力負荷に基づいて、定電圧SMPSと定電流SMPSのどちらを設計するかを決定する必要があります。定電圧とは、負荷両端の電圧が一定であり、負荷抵抗の変化に応じて電流が変化することを意味します。一方、定電流モードでは、電流は一定になりますが、負荷抵抗の変化に応じて電圧が変化します。また、CVとCCの両方をSMPSで使用できますが、一度に機能させることはできません。SMPSに両方のオプションが存在する場合、SMPSが出力動作をCVからCCに、またはその逆に変更する範囲が必要です。通常、CCおよびCVモードの充電器は、鉛蓄電池またはリチウム電池の充電に使用されます。
入力および出力保護機能
より安全で信頼性の高い動作のためにSMPSに採用できるさまざまな保護回路があります。保護回路は、SMPSと接続された負荷を保護します。場所に応じて、保護回路を入力または出力の両端に接続できます。最も一般的な入力保護は、サージ保護とEMIフィルタです。サージ保護は、SMPSを入力サージまたはAC過電圧から保護します。EMIフィルタは、入力ライン全体でのEMI生成からSMPSを保護します。このプロジェクトでは、両方の機能が利用可能になります。出力保護には、短絡保護、過電圧保護、および過電流保護が含まれます。このSMPS設計には、これらすべての保護回路も含まれます。
パワーマネジメントICの選定
すべてのSMPS回路には、スイッチングIC、SMPS IC、またはドライヤーICとも呼ばれる電源管理ICが必要です。設計上の考慮事項を要約して、設計に適した理想的なパワーマネジメントICを選択しましょう。私たちの設計要件は
- 15W出力。全負荷で30mVpk-pkリップル未満の12V1.25A。
- ユニバーサル入力定格。
- 入力サージ保護。
- 出力短絡、過電圧および過電流保護。
- 定電圧動作。
上記の要件から、選択できるICは多岐にわたりますが、このプロジェクトでは、電力統合を選択しました。電力統合は、さまざまな電力出力範囲で幅広いパワードライバICを保有する半導体企業です。要件と可用性に基づいて、小さなスイッチIIファミリのTNY268PNを使用することにしました。
上の画像では、最大電力15Wが示されています。ただし、SMPSはオープンフレームでユニバーサル入力定格用に作成します。このようなセグメントでは、TNY268PNは15Wの出力を提供できます。ピン配列を見てみましょう。
12v 1AmpSMPS回路の設計
回路を構築する最良の方法は、PowerIntegrationのPIエキスパートソフトウェアを使用することです。優れた電源設計ソフトです。回路はPowerIntegrationICを使用して構築されています。設計手順を以下に説明します。または、同じことを説明するビデオを下にスクロールすることもできます。
ステップ-1：選択タイニースイッチIIをしても、目的のパッケージを選択します。DIPパッケージを選択しました。エンクロージャタイプ、アダプタ、またはオープンフレームを選択します。ここでは、オープンフレームが選択されています。
次に、フィードバックタイプを選択します。フライバックトポロジが使用されるため、これは不可欠です。TL431はフィードバックに最適です。TL431はシャントレギュレータであり、優れた過電圧保護と正確な出力電圧を提供します。
ステップ-2：入力電圧範囲を選択します。ユニバーサル入力SMPSとなるため、入力電圧は85〜265VACを選択します。ライン周波数は50Hzです。
ステップ-3：
出力電圧、電流、およびワット数を選択します。SMPS定格は12V1.25Aになります。ワット数は15Wを示しています。動作モードはCVとしても選択され、定電圧動作モードを意味します。最後に、すべてが3つの簡単なステップで実行され、回路図が生成されます。
12VSMPS回路図と説明
以下の回路は、私たちのプロジェクトに合うように少し変更されています。
プロトタイプパーツの作成に取り掛かる前に、12vSMPS回路図とその動作について見ていきましょう。回路には次のセクションがあります
- 入力サージとSMPS障害保護
- AC-DC変換
- PIフィルター
- ドライバ回路またはスイッチング回路
- 低電圧ロックアウト保護。
- クランプ回路
- 磁気およびガルバニック絶縁
- EMIフィルター
- 二次整流器とスナバ回路
- フィルターセクション
- フィードバックセクション。
入力サージとSMPS障害保護
このセクションは、F1とRV1の2つのコンポーネントで構成されています。F1は1A250VACスローブローヒューズで、RV1は7mm 275V MOV（金属酸化物バリスタ）です。高電圧サージ（275VAC以上）中に、MOVは完全に短絡し、入力ヒューズを飛ばします。ただし、スローブロー機能により、ヒューズはSMPSを流れる突入電流に耐えます。
AC-DC変換
このセクションは、ダイオードブリッジによって制御されます。これらの4つのダイオード（DB107内）は、フルブリッジ整流器を構成します。ダイオードは1N4006ですが、標準の1N4007で完全に機能します。このプロジェクトでは、これらの4つのダイオードがフルブリッジ整流器DB107に置き換えられます。
PIフィルター
州が異なれば、EMI除去基準も異なります。この設計はEN61000-クラス3規格を確認し、PIフィルタはコモンモードEMI除去を低減するように設計されています。このセクションは、C1、C2、およびL1を使用して作成されます。C1とC2は400V18uFコンデンサです。これは奇数値であるため、このアプリケーションには22uF400Vが選択されています。L1は、差動EMI信号を使用して両方をキャンセルするコモンモードチョークです。
ドライバ回路またはスイッチング回路
それはSMPSの心臓部です。トランスの一次側は、スイッチング回路TNY268PNによって制御されます。スイッチング周波数は120-132khzです。この高いスイッチング周波数により、より小さなトランスを使用できます。スイッチング回路には、U1とC3の2つのコンポーネントがあります。U1はメインドライバーICTNY268PNです。C3は、ドライバICの動作に必要なバイパスコンデンサです。
低電圧ロックアウト保護
低電圧ロックアウト保護は、センス抵抗R1およびR2によって行われます。SMPSが自動再起動モードに入り、線間電圧を検出するときに使用されます。
クランプ回路
D1とD2はクランプ回路です。D1はTVSダイオードで、D2は超高速回復ダイオードです。トランスは、パワードライバICTNY268PN全体で巨大なインダクタとして機能します。したがって、スイッチのオフサイクル中に、トランスの漏れインダクタンスにより、トランスは高電圧スパイクを生成します。これらの高周波電圧スパイクは、トランスの両端のダイオードクランプによって抑制されます。超高速リカバリのためにUF4007が選択され、TVS操作にはP6KE200Aが選択されています。
磁気およびガルバニック絶縁
トランスは強磁性トランスであり、高電圧ACを低電圧ACに変換するだけでなく、ガルバニック絶縁も提供します。
EMIフィルター
EMIフィルタリングはC4コンデンサによって行われます。回路のイミュニティを高めて、高EMI干渉を低減します。
二次整流器とスナバ回路
トランスからの出力は、ショットキー整流ダイオードであるD6を使用して整流され、DCに変換されます。D6の両端のスナバ回路は、スイッチング動作中の過渡電圧を抑制します。スナバ回路は、1つの抵抗と1つのコンデンサ、R3、およびC5で構成されています。
フィルターセクション
フィルタ部はフィルタコンデンサC6で構成されています。これは、リップル除去を向上させるための低ESRコンデンサです。また、L2とC7を使用するLCフィルタは、出力全体でより優れたリップル除去を提供します。
フィードバックセクション
出力電圧は、U3TL431とR6およびR7によって検出されます。ラインU2を検出した後、オプトカプラーが制御され、2次フィードバック検出部分を1次側コントローラーで電気的に絶縁します。オプトカプラーには、トランジスタとLEDが内蔵されています。 LEDを制御することにより、トランジスタを制御します。通信は光学的に行われるため、直接電気接続がなく、フィードバック回路のガルバニック絶縁も満たします。
ここで、LEDがトランジスタを直接制御するため、フォトカプラLEDに十分なバイアスをかけることで、フォトカプラトランジスタ、より具体的にはドライバ回路を制御できます。この制御システムはTL431で採用されています。シャントレギュレータは基準ピンの両端に抵抗分割器を備えているため、両端に接続されているオプトカプラLEDを制御できます。フィードバックピンの基準電圧は2.5Vです。したがって、TL431は、分圧器の両端の電圧が十分である場合にのみアクティブにできます。私たちの場合、分圧器は12Vの値に設定されています。したがって、出力が12Vに達すると、TL431はリファレンスピンの両端で2.5Vを取得し、オプトカプラのトランジスタを制御し、TNY268PNを間接的に制御するオプトカプラのLEDをアクティブにします。出力の両端の電圧が十分でない場合、スイッチングサイクルはただちに中断されます。
まず、TNY268PNはスイッチングの最初のサイクルをアクティブにしてから、ENピンを検知します。すべてが正常であれば、切り替えを続行します。そうでない場合は、時々再試行します。このループは、すべてが正常になるまで継続されるため、短絡や過電圧の問題が防止されます。これがフライバックトポロジと呼ばれる理由です。出力電圧がドライバに戻され、関連する動作を検出するためです。また、試行ループは、障害状態での動作のヒカップモードと呼ばれます。
D3はショットキーバリアダイオードです。このダイオードは、高周波AC出力をDCに変換します。信頼性の高い動作のために、3A60Vショットキーダイオードが選択されています。R4とR5は、PIExpertによって選択および計算されます。分圧器を作成し、TL431からオプトカプラーLEDに電流を渡します。
R6およびR7は、式TL431 REF電圧=（Vout x R7）/ R6 + R7によって計算される単純な分圧器です。基準電圧は2.5V、Voutは12Vです。R6 23.7kの値を選択すると、R7は約9.09kになります。
12v 1ASMPS回路用のPCBの製造
回路図がどのように機能するかを理解したので、SMPS用のPCBの構築に進むことができます。これはSMPS回路であるため、ノイズとアイソレーションの問題に対処できるPCBをお勧めします。上記の回路のPCBレイアウトは、リンクからGerberとしてダウンロードすることもできます。
- 15WSMPS回路のガーバーファイルをダウンロード
これで、デザインの準備ができたので、ガーバーファイルを使用してそれらを作成します。PCBを完成させるのは非常に簡単で、以下の手順に従ってください。
ステップ1： www.pcbgogo.comにアクセスし、初めての場合はサインアップします。次に、[PCBプロトタイプ]タブで、PCBの寸法、層の数、および必要なPCBの数を入力します。PCBが80cm×80cmであると仮定すると、以下に示すように寸法を設定できます。
ステップ2： [今すぐ見積もり ]ボタンをクリックして 続行し ます。使用するトラック間隔など、必要に応じていくつかの追加パラメータを設定するページが表示されます。ただし、ほとんどの場合、デフォルト値で問題なく機能します。ここで考慮しなければならないのは、価格と時間だけです。ご覧のとおり、ビルド時間はわずか2〜3日で、PSBの費用はわずか5ドルです。その後、要件に基づいて希望の配送方法を選択できます。
ステップ3： 最後のステップは、ガーバーファイルをアップロードして支払いを続行することです。プロセスがスムーズであることを確認するために、PCBGOGOは、支払いを続行する前に、ガーバーファイルが有効かどうかを確認します。このようにして、PCBが製造に適していて、コミットされたとおりに到達することを確認できます。
PCBの組み立て
ボードが注文された後、数日後に私に届きましたが、きちんとラベルが貼られたよく詰められた箱に入った宅配便で、いつものようにPCBの品質は素晴らしかったです。私が受け取ったPCBを以下に示します
はんだごての電源を入れて、ボードの組み立てを始めました。フットプリント、パッド、ビア、シルクスクリーンは完全に正しい形状とサイズであるため、ボードの組み立てに問題はありませんでした。はんだバイスに固定されたPCBを以下に示します。
コンポーネントの調達
この12v15w SMPS回路のすべてのコンポーネントは、回路図に従って調達されます。詳細なBOMは、以下のダウンロード用のExcelファイルにあります。
- 15W SMPS設計–部品表
ほとんどすべてのコンポーネントは、すぐに使用できます。このプロジェクトに適した変圧器を見つけるのに苦労するかもしれません。通常、SMPS回線交換フライバックトランスはベンダーから直接入手できません。効率的な結果が必要な場合は、ほとんどの場合、独自のトランスを巻く必要があります。ただし、同様のフライバックトランスを使用しても問題はなく、回路は引き続き機能します。トランスフォーマーの理想的な仕様は、以前に使用したPIExpertソフトウェアによって提供されます。
PIExpertから入手した変圧器の機械的および電気的図を以下に示します。
適切なベンダーが見つからない場合は、12Vアダプターまたは他のSMPS回路から変圧器を回収できます。または、次の材料と巻線手順を使用して、独自の変圧器購入を作成することもできます。
すべてのコンポーネントが調達されたら、それらの組み立ては簡単です。ガーバーファイルとBOMを参考にして、PCBボードを組み立てることができます。完了すると、PCBの前面と背面は次のようになります。
15WSMPS回路のテスト
回路の準備ができたので、今度はそれを試してみましょう。ボードをVARIACを介してACメインに接続し、出力側にロードマシンをロードし、リップル電圧を測定して回路のパフォーマンスを確認します。完全なテスト手順のビデオは、このページの最後にもあります。次の画像は、230VACの入力AC電圧でテストされた回路を示しています。この回路の出力は12.08Vです。
オシロスコープを使用したリップル電圧の測定
オシロスコープでリップル電圧を測定するには、スコープの入力を1倍のゲインでACに変更します。次に、配線によるノイズ低減をピックアップするために、値の小さい電解コンデンサと値の小さいセラミックコンデンサを接続します。この手順の詳細については、PowerIntegrationのこのRDR-295ドキュメントの40ページを参照してください。
以下のスナップショットは、85VACと230VACの両方で無負荷状態で撮影されました。スケールは1目盛りあたり10mVに設定されており、ご覧のとおり、リップルはほぼ10mVpk-pkです。
90VAC入力で全負荷の場合、リップルは約20mVpk-pkで見られます。
230VACおよび全負荷では、リップル電圧は約30mV pk-pkで測定されます。これは、最悪のシナリオです。
それだ; これが、独自の12vSMPS回路を設計する方法です。動作を理解したら、電圧と電力の要件に合わせて12vSMPS回路図を変更できます。チュートリアルを理解し、役立つことを楽しく学んでいただければ幸いです。ご不明な点がございましたら、コメントセクションに残すか、フォーラムを使用して技術的なディスカッションを行ってください。それまでサインオフするまで、別の興味深いSMPSデザインで再びお会いしましょう…。