12V-7A 交流轉(zhuǎn)直流反激式開關(guān)電源設(shè)計(jì)

時(shí)間：2024-07-16 20:34:47

關(guān)鍵字：開關(guān)電源 12Vdc

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[導(dǎo)讀]任何電子設(shè)備最重要的部分都是電源單元。此部分的任何不穩(wěn)定或故障都會(huì)導(dǎo)致設(shè)備停止運(yùn)行或出現(xiàn)異常行為。在這篇文章中，我介紹了一種交流轉(zhuǎn)直流反激式開關(guān)電源，可將 180V-260VAC 轉(zhuǎn)換為 12VDC，可用于各種應(yīng)用。

任何電子設(shè)備最重要的部分都是電源單元。此部分的任何不穩(wěn)定或故障都會(huì)導(dǎo)致設(shè)備停止運(yùn)行或出現(xiàn)異常行為。在這篇文章中，我介紹了一種交流轉(zhuǎn)直流反激式開關(guān)電源，可將 180V-260VAC 轉(zhuǎn)換為 12VDC，可用于各種應(yīng)用。

該電源的最大輸出功率為 84W，這意味著它可以在 12V 輸出下連續(xù)處理 7A。變壓器可以提供更高的電流，但是，考慮到教學(xué)目的(變壓器的手動(dòng)繞線)和開關(guān)控制器上的熱應(yīng)力(控制器 MOSFET 的峰值電流在 7A 時(shí)約為 2.3A)。控制器芯片是 KA1M0565，它在變壓器上使用 470K 啟動(dòng)電阻和小型輔助繞組。變壓器的鐵氧體磁芯是 ER28-17-11，開關(guān)頻率為 67KHz。電位器允許用戶精確調(diào)整輸出電壓并將其設(shè)置為 12V。

為了設(shè)計(jì)原理圖和 PCB，我使用了 Altium Designer 24 和 Octopart 網(wǎng)站來快速收集必要的組件信息并生成 BOM。我使用 Siglent SDL1020X-E DC Load 和 Siglent SDS2102X Plus 示波器來測試電路板的電壓降、電流輸送和輸出噪聲。在最大輸出電流下，輸出電壓降僅為 40mV 左右。

電路分析

圖1為該裝置的原理圖，電路的核心及開關(guān)控制器為KA1M0565芯片1。

圖 1：12V -7A 交流轉(zhuǎn)直流反激式開關(guān)電源原理圖

P1為交流輸入端(KF127)。F1為1A 250V-AC保險(xiǎn)絲，用于保護(hù)電路。R1為10D516K壓敏電阻2，用于保護(hù)電路免受瞬變和電壓尖峰的影響。C2和C3為100nF-275VAC3電容，T1為10mH共模電感，用于降低交流電壓噪聲。BR1為DB107G橋式整流橋，用于對(duì)交流電壓4進(jìn)行整流，C1為100uF-400V電容，用于降低電壓紋波。

D3、R2 和 C5 構(gòu)成緩沖電路，以抑制初級(jí)繞組電壓尖峰。D3 應(yīng)為慢速二極管，例如 FR207 5。R4為 IC1 提供初始(啟動(dòng))電流。啟動(dòng)后，變壓器的輔助繞組為 IC1 供電。D2、R5 和 C10 整流輔助繞組的電壓，D4 保護(hù) IC1 免受過壓影響。

IC1 是 KA1M0565 開關(guān)控制器。根據(jù)數(shù)據(jù)表：“Fairchild 功率開關(guān) (FPS) 產(chǎn)品系列專為離線 SMPS 設(shè)計(jì)，外部元件極少。Fairchild 功率開關(guān) (FPS) 由高壓功率 SenseFET 和電流模式 PWM 控制器 IC 組成。PWM 控制器具有集成固定振蕩器、欠壓鎖定、前沿消隱、優(yōu)化的柵極開啟/關(guān)閉驅(qū)動(dòng)器、熱關(guān)斷保護(hù)、過壓保護(hù)、用于環(huán)路補(bǔ)償?shù)臏囟妊a(bǔ)償精密電流源和故障保護(hù)電路。與分立 MOSFET 和控制器或 RCC 開關(guān)轉(zhuǎn)換器解決方案相比，F(xiàn)airchild 功率開關(guān) (FPS) 可以減少總元件數(shù)量、設(shè)計(jì)尺寸和重量，同時(shí)提高效率、生產(chǎn)力和系統(tǒng)可靠性。它有一個(gè)基本平臺(tái)，非常適合反激式或正激式轉(zhuǎn)換器中的經(jīng)濟(jì)高效的設(shè)計(jì)?！?

OP1 是 PC817 光耦合器6，它在初級(jí)和輸出接地點(diǎn)之間提供電流隔離，并為 IC1 提供反饋路徑以感測輸出電壓(使用 Reg1)并對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)。D1 是 2 針 MBR20100 7肖特基二極管，用于整流輸出電壓。C6…C9 和 L1 是濾波元件，用于降低輸出電壓。R3 是 25mA 假負(fù)載，用于穩(wěn)定輸出電壓。D5 是一個(gè) 5mm 黃色 LED，用于指示輸出電壓的存在，從而確認(rèn)電源的真實(shí)運(yùn)行。

變壓器

您應(yīng)該按照以下說明準(zhǔn)備材料并繞制變壓器：

A. 鐵氧體磁芯：ER28-17-11(例如：B66433 磁芯，TDK)

B. 骨架：6+6，水平(圖 2)[8]

C. 初級(jí)繞組(引腳 1 至引腳 3)：56 圈 0.5mm * 1 線(電感：568uH)

D. 輔助繞組(引腳 5 至引腳 6)：9 圈 0.3mm * 1 線

E. 輸出繞組：(引腳 7、8、9 至引腳 10、11、12)：5 圈 0.5mm * 10 線(10 線并聯(lián))

圖 2：ER28-17-11 鐵氧體磁芯選定的線軸

首先順時(shí)針或逆時(shí)針纏繞初級(jí)線圈。然后將鐵氧體磁芯放到位(在線圈架中)，并使用 LCR 表測量初級(jí)線圈的電感。如果您可以在 LCR 表上選擇測量頻率，則最佳頻率為 67KHz(變壓器的開關(guān)頻率)，否則，將其設(shè)置為 40KHz。研磨鐵氧體磁芯的中間腳(圖 3)，然后測量初級(jí)線圈的電感，直到測量值接近 568uH。較小的公差是可以接受的，不會(huì)造成問題(例如 580uH 或 550uH)。

圖 3：鐵氧體磁芯中柱的間隙

剩下的工作很簡單。按照圖 4 所示纏繞輔助和次級(jí)窗口。輔助和次級(jí)繞組的旋轉(zhuǎn)方向必須遵循初級(jí)繞組。還要注意點(diǎn)或起點(diǎn)。

圖 4：變壓器和繞組方向

L1 電感

L1 電感器的鐵氧體磁芯為 Micrometals 的 T80-26B(圖 5)。磁芯的外徑為 20.3 毫米，內(nèi)徑為 12.6 毫米，環(huán)的高度為 6.3 毫米。您應(yīng)該使用兩根并聯(lián)的 0.8 毫米導(dǎo)線(0.8 毫米 * 2)并繞 20 圈，但圈數(shù)并不重要。此電感器用于降噪，因此您可以使用其他磁芯和導(dǎo)線，只要磁芯適合電路板且在最大電流下不會(huì)飽和即可。

圖 5：T80-26 Micrometals 黃白色鐵粉芯

PCB 布局

圖 6 顯示了該設(shè)計(jì)的 PCB 布局。這是一塊單層 PCB 板，所有元件均為通孔。標(biāo)記為“J”的元件是零歐姆電阻器。

圖 6：12V-7A AC 至 DC 開關(guān)電源的 PCB 布局

組裝和測試

圖 7 顯示了組裝好的 PCB 板。我使用直流負(fù)載來測試電壓調(diào)節(jié)和輸出電壓降。首先，我測試了無負(fù)載輸出電壓，其次測試了 7A 最大負(fù)載輸出電壓(圖 8)。有關(guān)詳細(xì)測試，請觀看 YouTube 視頻?？刂破餍酒哂星度胧杰泦?dòng)器電路，可實(shí)現(xiàn)無火花電源啟動(dòng)。