Kako dizajnirati strujni krug napajanja od 5v 2a smps

Jedinica za napajanje (PSU) vitalni je dio svakog elektroničkog dizajna proizvoda. Većina elektroničkih proizvoda za kućanstvo poput mobilnih punjača, Bluetooth zvučnika, napajanja, pametnih satova itd. Zahtijeva krug napajanja koji bi mogao pretvoriti izmjeničnu struju u 5V istosmjernog napajanja. U ovom ćemo projektu izraditi sličan krug napajanja izmjeničnom i istosmjernom strujom snage 10 W. To je naš krug koji će 220V izmjeničnu mrežu pretvoriti u 5V i pružiti maksimalnu izlaznu struju do 2A. Ova ocjena snage trebala bi biti dovoljna za napajanje većine elektroničkih proizvoda koji rade na 5V. Također 5V 2A SMPS sklop prilično je popularan u elektronici jer postoji puno mikrokontrolera koji rade na 5V.

Ideja projekta je da izrada bude što jednostavnija, stoga ćemo dizajnirati kompletni sklop preko točkaste ploče (perf odbora), a također ćemo izgraditi vlastiti transformator kako bi itko mogao ponoviti ovaj dizajn ili napraviti sličan. Uzbuđen u pravu! Pa krenimo. Prije smo također izgradili 12V 15W SMPS krug pomoću PCB-a, tako da ljudi koji su zainteresirani za to kako dizajnirati PCB za projekt PSU (jedinice za napajanje) mogu to i provjeriti.

SMPS krug 5V 2A - Specifikacije dizajna

Različite vrste napajanja različito se ponašaju u različitim okruženjima. Također, SMPS radi u određenim ulazno-izlaznim granicama. Ispravnu analizu specifikacija potrebno je izvršiti prije nego što krenemo prema stvarnom dizajnu.

Specifikacija ulaza:

Ovo će biti SMPS u domeni pretvorbe u izmjenični i istosmjerni tok. Stoga će ulaz biti AC. Za vrijednost ulaznog napona dobro je koristiti univerzalnu ulaznu vrijednost za SMPS. Tako će izmjenični napon biti 85-265VAC s 50Hz. Na taj se način SMPS može koristiti u bilo kojoj zemlji, bez obzira na vrijednost mrežnog napona.

Specifikacija izlaza:

Izlazni napon odabran je kao 5V s 2A trenutne vrijednosti. Dakle, to će biti 10W snage. Budući da će ovaj SMPS pružati konstantni napon bez obzira na struju opterećenja, radit će u načinu CV (konstantni napon). Ovaj izlazni napon od 5V trebao bi biti konstantan i stabilan čak i pri najnižem ulaznom naponu tijekom najvećeg opterećenja (2A) na izlazu.

Vrlo je poželjno da dobra jedinica napajanja ima napon mreškanja manji od 30mV pk-pk. Ciljani napon mreškanja za ovaj SMPS je manji od 30mV vršno-talasnog vala. Budući da će ovaj SMPS biti ugrađen u veroboard pomoću ručno izrađenog sklopnog transformatora možemo očekivati malo veće vrijednosti mreškanja. Ovaj se problem može izbjeći uporabom PCB-a.

Značajke zaštite:

Postoje različiti zaštitni krugovi koji se mogu koristiti u SMPS-u za siguran i pouzdan rad. Zaštitni krug štiti SMPS kao i pripadajuće opterećenje. Ovisno o vrsti, zaštitni krug može se povezati preko ulaza ili preko izlaza.

Za ovaj se SMPS koristi ulazna prenaponska zaštita s maksimalnim radnim ulaznim naponom od 275VAC. Također, za rješavanje EMI problema, uobičajeni filtar načina rada koristit će se za uklanjanje generiranog EMI. Na izlaznoj strani ćemo uključiti Zaštita od kratkog spoja, zaštita nad-napona, i nad-trenutnu zaštitu.

Izbor IC-a za upravljanje napajanjem

Svaki SMPS krug zahtijeva IC za upravljanje napajanjem poznat i kao preklopna IC ili SMPS IC ili IC za sušenje. Zbrojimo razmatranja dizajna kako bismo odabrali idealnu IC za upravljanje napajanjem koja će biti prikladna za naš dizajn. Naši zahtjevi za dizajn su

Izlaz od 10 W. 5V 2A pri punom opterećenju.
Univerzalna ocjena unosa. 85-265VAC na 50Hz
Zaštita od prenapona na ulazu. Maksimalni ulazni napon 275VAC.
Izlazni kratki spoj, prenaponska i prenaponska zaštita.
Operacije s konstantnim naponom.

Iz gornjih zahtjeva postoji širok raspon IC-a za odabir, ali za ovaj smo projekt odabrali Power power. Integracija napajanja je poluvodička tvrtka koja ima širok raspon IC upravljačkih programa u različitim rasponima izlazne snage. Na temelju zahtjeva i dostupnosti odlučili smo koristiti TNY268PN iz malenih obitelji Switch II. Prije smo koristili ovaj IC za izgradnju 12V SMPS sklopa na PCB-u.

Na gornjoj je slici prikazana maksimalna snaga 15W. Međutim, SMPS ćemo napraviti u otvorenom okviru i za univerzalnu ulaznu ocjenu. U takvom segmentu TNY268PN mogao bi pružiti 15W snage. Pogledajmo dijagram pin-a.

Dizajniranje SMPS kruga 5v 2Amp

Najbolji način za izradu 5V 2A SMPS sheme je upotreba stručnog softvera PI za integraciju napajanja. Preuzmite softver PI expert i koristite verziju 8.6. To je izvrstan softver za dizajn napajanja. Sastav prikazan u nastavku izrađen je pomoću softverskog softvera PI Power Integration. Ako ste novi u ovom softveru, pogledajte odjeljak o dizajnu ovog 12V SMPS kruga kako biste razumjeli kako se koristi softver.

Prije nego što krenemo izravno u izradu prototipskog dijela, istražimo shemu sklopa 5v 2A SMPS i njegov rad.

Sklop ima sljedeće dijelove-

Zaštita od prenapona na ulazu i SMPS
AC-DC pretvorba
PI filtar
Upravljački sklop ili sklopni krug
Zaštita od zaključavanja pod naponom.
Strujni krug.
Magnetika i galvanska izolacija.
EMI filtar
Sekundarni ispravljač i prigušivački krug
Odjeljak filtra
Odjeljak povratnih informacija.

Zaštita od prenapona na ulazu i SMPS:

Ovaj se odjeljak sastoji od dvije komponente, F1 i RV1. F1 je osigurač za polako puhanje od 1A 250VAC, a RV1 je MOV od 7 mm 275V (metalni oksidni varistor). Tijekom prenaponskog udara visokog napona (više od 275 VAC), MOV se kratko ugasio i pregazi ulazni osigurač. Međutim, zbog značajke polaganog puhanja, osigurač podnosi udarnu struju kroz SMPS.

AC-DC pretvorba:

Ovim dijelom upravlja diodni most. Te četiri diode (unutar DB107) čine pun ispravljač mosta. Diode su 1N4006, ali standardni 1N4007 može savršeno obaviti posao. U ovom su projektu ove četiri diode zamijenjene punim ispravljačem mosta DB107.

PI filtar:

Različita stanja imaju različit standard EMI odbijanja. Ovaj dizajn potvrđuje standard EN61000-Class 3, a PI filtar dizajniran je na takav način da smanjuje EMI odbacivanje u uobičajenom načinu rada. Ovaj je odjeljak kreiran pomoću C1, C2 i L1. C1 i C2 su kondenzatori od 400V od 18uF. Neparna je vrijednost pa je za ovu aplikaciju odabrano 22uF 400V. L1 je uobičajena prigušnica koja uzima diferencijalni EMI signal za poništavanje oba.

Strujni krug vozača ili sklopni krug:

To je srce SMPS-a. Primarnom stranom transformatora upravlja sklopni krug TNY268PN. Frekvencija prebacivanja je 120-132khz. Zbog ove velike frekvencije uključivanja mogu se koristiti manji transformatori. Preklopni krug ima dvije komponente, U1 i C3. U1 je glavni pokretač IC TNY268PN. C3 je premosni kondenzator koji je potreban za rad našeg upravljačkog programa.

Zaštita od zaključavanja pod naponom:

Zaštita od zaključavanja pod naponom vrši se osjetnim otpornikom R1 i R2. Koristi se kada SMPS pređe u način automatskog ponovnog pokretanja i osjeti mrežni napon. Vrijednost R1 i R2 generira se pomoću alata PI Expert. Dva otpora u seriji sigurnosna su mjera i dobra praksa da se izbjegnu problemi s otporom otpora. Dakle, umjesto 2M, u seriji se koriste dva 1M otpornika.

Strujni krug:

D1 i D2 su stezni krug. D1 je TVS dioda, a D2 ultrabrza dioda za oporavak. Transformator djeluje na veliku induktivnost preko pogonskog sklopa IC TNY268PN. Stoga tijekom ciklusa isključivanja transformator stvara visokonaponske skokove zbog induktivnosti propuštanja transformatora. Ove visokofrekventne napone skokova potiskuje diodna stezaljka preko transformatora. UF4007 je odabran zbog ultra brzog oporavka, a za rad TVS odabran je P6KE200A. Prema dizajnu, ciljani napon stezanja (VCLAMP) je 200V. Stoga je odabran P6KE200A, a za probleme brze blokade UF4007 je odabran kao D2.

Magnetika i galvanska izolacija:

Transformator je feromagnetski transformator i on ne samo da pretvara visokonaponski izmjenični u niskonaponski izmjenični sustav već također osigurava galvansku izolaciju.

EMI filtar:

EMI filtriranje vrši se kondenzatorom C4. Povećava imunost kruga kako bi se smanjile velike EMI smetnje. Riječ je o kondenzatoru Y-klase napona od 2kV.

Sekundarni ispravljački i snuberski krug:

Izlaz iz transformatora ispravlja se i pretvara u istosmjernu struju pomoću D6, Schottky ispravljačke diode. Prigušivački krug na D6 osigurava potiskivanje prijelaznog napona tijekom preklopnih operacija. Snubber krug sastoji se od jednog otpora i jednog kondenzatora, R3 i C5.

Odjeljak filtra:

Odjeljak filtra sastoji se od kondenzatora filtra C6. To je kondenzator s niskim ESR-om za bolje odbijanje mreškanja. Također, LC filtar koji koristi L2 i C7 pruža bolje odbijanje mreškanja na izlazu.

Odjeljak povratnih informacija:

Izlazni napon osjećaju U3 TL431 i R6 i R7. Nakon što je osjetio vod U2, optički sprežnik se kontrolira i galvanski izolira sekundarni osjetni dio povratne sprege s primarnim bočnim regulatorom. Optocoupler ima tranzistor i LED diodu unutar sebe. Upravljanjem LED diodom kontrolira se tranzistor. Budući da se komunikacija vrši optički, nema izravne električne veze, što zadovoljava i galvansku izolaciju na povratnom krugu.

Sada, dok LED izravno kontrolira tranzistor, pružajući dovoljnu pristranost preko Optocoupler LED-a, može se kontrolirati Optocoupler-tranzistor, točnije upravljački krug. Ovaj sustav upravljanja koristi TL431. Regulator šanta. Kako regulator šanta ima referentni pin na razdjelniku otpora, on može upravljati optocoupler-om koji je povezan preko njega. Povratni pin ima referentni napon od 2,5V. Stoga TL431 može biti aktivan samo ako je napon na razdjelniku dovoljan. U našem slučaju, razdjelnik napona postavljen je na vrijednost od 5V. Stoga, kada izlaz dosegne 5V, TL431 dobiva 2,5V preko referentnog pina i tako aktivira LED optoparnika koji kontrolira tranzistor optoparnika i neizravno kontrolira TNY268PN. Ako napon nije dovoljan na izlazu, sklopni ciklus se odmah prekida.

Prvo, TNY268PN aktivira prvi ciklus prebacivanja, a zatim prepozna svoj EN pin. Ako je sve u redu, nastavit će s prebacivanjem, ako ne, pokušat će još jednom nakon nekog vremena. Ova se petlja nastavlja sve dok se sve ne normalizira, čime se sprječavaju problemi s kratkim spojem ili prenaponom. Zbog toga se naziva povratna topologija, jer se izlazni napon vraća natrag prema pokretaču za otkrivanje povezanih operacija. Također, pokušajna petlja naziva se načinom štucanja u slučaju kvara.

D3 je Schottkyjeva barijerna dioda. Ova dioda pretvara visokofrekventni izmjenični izlaz u istosmjerni. 3A 60V Schottky dioda odabrana je za pouzdan rad. R4 i R5 odabire i izračunava PI Expert. Stvara razdjelnik napona i prenosi struju na optički sprežnik LED s TL431.

R6 i R7 su jednostavni djelitelji napona izračunati po formuli TL431 REF napon = (Vout x R7) / R6 + R7. Referentni napon je 2,5V, a Vout 12V. Odabirom vrijednosti R6 23,7k, R7 je otprilike postao 9,09k.

Izrada sklopnog transformatora za naš SMPS krug

Obično će za SMPS krug biti potreban sklopni transformator, koji se mogu nabaviti od proizvođača transformatora na temelju vaših zahtjeva za projektiranje. Ali problem je ovdje ako naučite gradivo prototipa ne možete pronaći točan transformator s polica za svoj dizajn. Tako ćemo naučiti kako izraditi sklopni transformator na temelju zahtjeva dizajna koje daje naš stručni softver PI.

Pogledajmo generirani dijagram konstrukcije transformatora.

Kao što gornja slika navodi, moramo izvesti 103 zavoja pojedinačne 32 AWG žice na primarnoj strani i 5 zavoja dvije 25 AWG žice na sekundarnoj strani.

Na gornjoj slici početna točka namota i smjer namota opisani su kao mehanički dijagram. Za izradu ovog transformatora potrebne su sljedeće stvari-

Jezgra EE19, NC-2H ili ekvivalentna specifikacija i prazna za ALG 79 nH / T ²
Špulica s 5 pinova na primarnoj i sekundarnoj strani.
Pregradna traka debljine 1 mil. Potrebna je traka širine 9 mm.
32 AWG presvučena emajlirana bakrena žica.
25AWG emajlirana bakrena žica presvučena lemilom.
LCR mjerač.

Potrebna je jezgra EE19 s NC-2H s praznom jezgrom od 79nH / T2; općenito je dostupan u parovima. Kalem je generički s 4 primarne i 5 sekundarnih igla. Međutim, ovdje se koristi špulica s 5 pribadača s obje strane.

Za Barrier traku koristi se standardna selotejp traka koja ima osnovnu debljinu veću od 1 mil (obično 2 mil). Tijekom aktivnosti prisluškivanja, škarama se traka reže za savršene širine. Bakrene se žice nabavljaju iz starih transformatora, a mogu se kupiti i u lokalnim trgovinama. Jezgra i špulica koje koristim prikazane su u nastavku

Korak 1: Dodajte lem u 1. i 5. zatik na primarnoj strani. Lemite 32 AWG žicu na zatik 5 i smjer namota je u smjeru kazaljke na satu. Nastavite do 103 zavoja kao što je prikazano dolje

To čini primarnu stranu našeg transformatora, nakon što završe 103 zavoja namota, moj transformator izgledao je ovako dolje.

Korak 2: Nanesite ljepljivu traku u izolacijske svrhe, potrebna su 3 zavoja selotejpa. Također pomaže u održavanju zavojnice u položaju.

Korak 3: Pokrenite sekundarni namot od zavoja 9 i 10. Sekundarna strana izrađena je pomoću dvije žice bakrenih žica emajliranih 25AWG. Zalemite jednu bakrenu žicu na zatik 9, a drugu u zatik 10. Smjer namota opet je u smjeru kazaljke na satu. Nastavite do 5 okretaja i zalemite završetke na zatik 5 i 6. Dodajte izolacijsku traku nalijepljenjem ljepljive trake kao i prije.

Jednom kad se izvrše i primarni i sekundarni namoti i upotrijebi ljepljiva traka, moj transformator izgledao je kao što je prikazano dolje

Korak 4: Sada možemo čvrsto pričvrstiti dvije jezgre ljepljivom trakom. Nakon završetka dovršeni transformator trebao bi izgledati ovako u nastavku.

Korak 5: Obavezno omotajte ljepljivu traku jednu do druge. To će smanjiti vibracije tijekom prijenosa protoka velike gustoće.

Nakon što se naprave gornji koraci i transformator se testira pomoću LCR mjerača kao što je prikazano dolje. Mjerač pokazuje induktivitete od 1.125 mH ili 1125 uh.

Izrada SMPS kruga:

Jednom kada je transformator spreman, možemo nastaviti s sastavljanjem ostalih komponenata na točkanoj ploči. Podaci o dijelovima potrebni za sklop mogu se naći na donjem popisu materijala

Pojedinosti o BOM dijelu za SMPS krug 5V 2A

Nakon što se komponente leme, moja ploča izgleda otprilike ovako.

Ispitivanje SMPS kruga 5V 2A

Da bih testirao krug, spojio sam ulaznu stranu na mrežno napajanje preko VARIAC-a za kontrolu ulaznog izmjeničnog napona. Izlazni napon pri 85VAC i 230VAC prikazan je u nastavku -

Kao što vidite u oba slučaja, izlazni napon održava se na 5V. Ali onda sam spojio izlaz na svoj opseg i provjerio ima li mreškanja. Mjerenje mreškanja prikazano je u nastavku

Izlazno valovitost je prilično velika, pokazuje 150mV pk-pk valovitost. To u potpunosti nije dobro za krug napajanja. Na temelju analize, veliko mreškanje posljedica je sljedećih čimbenika:

Nepravilno dizajniranje PCB-a.
Pitanje odbijanja tla.
Rashladno tijelo PCB-a nije pravilno.
Nema isključenja na bučnim vodovima za opskrbu.
Povećane tolerancije na transformatoru zbog ručnog namota. Proizvođači transformatora nanose namočeni lak tijekom namotaja strojeva radi veće stabilnosti transformatora.

Ako se krug pretvori u odgovarajuću PCB, možemo očekivati mreškanje izlaza napajanja unutar 50mV pk-pk, čak i s ručnim namotajnim transformatorom. Ipak, budući da veroboard nije sigurna opcija za izradu napajanja s preklopnim načinom napajanja u AC na istosmjernu domenu, stalno se sugerira da se prije primjene visokonaponskih krugova u praktičnim scenarijima mora uspostaviti odgovarajuća PCB. Možete provjeriti videa na kraju ove stranice provjeriti kako je krug nastupa pod uvjetima opterećenja.

Nadam se da ste razumjeli tutorial i naučili kako izraditi vlastite SMPS sklopove pomoću ručno izrađenog transformatora. Ako imate bilo kakvih pitanja, ostavite ih u odjeljku za komentare u nastavku ili potražite dodatna pitanja na našim forumima.