Cum se proiectează un circuit de alimentare de 5v 2a smps

Unitatea de alimentare (PSU) este o parte vitală în orice proiectare electronică a produselor. Majoritatea produselor electronice de uz casnic, cum ar fi încărcătoare mobile, difuzoare Bluetooth, bănci de alimentare, ceasuri inteligente etc. necesită un circuit de alimentare care ar putea converti sursa de rețea alternativă la 5V DC pentru a le opera. În acest proiect vom construi un circuit similar de alimentare cu curent alternativ cu curent continuu cu putere nominală de 10W. Acesta este circuitul nostru care va converti rețeaua de curent alternativ de 220V la 5V și va oferi un curent de ieșire maxim până la 2A. Această putere nominală ar trebui să fie suficientă pentru a alimenta majoritatea produselor electronice care rulează pe 5V. De asemenea, circuitul SMPS de 5V 2A este destul de popular în electronică, deoarece există o mulțime de microcontrolere care funcționează pe 5V.

Ideea proiectului este să menținem construcția cât mai simplă posibil, prin urmare vom proiecta circuitul complet peste o placă punctată (placa perf) și vom construi, de asemenea, propriul nostru transformator, astfel încât oricine să poată reproduce acest design sau să construiască altele similare. Excitat Dreapta! Deci sa începem. Anterior, am construit, de asemenea, un circuit SMPS de 12V 15W utilizând un PCB, astfel încât persoanele care sunt interesate de cum să proiecteze un PCB pentru un proiect PSU (unitate de alimentare) pot verifica și asta.

Circuit SMPS 5V 2A - Specificații de proiectare

Diferitele tipuri de surse de alimentare se comportă diferit în medii diferite. De asemenea, SMPS funcționează în limite specifice intrare-ieșire. O analiză adecvată a specificațiilor trebuie efectuată înainte de a continua cu proiectarea reală.

Specificații de intrare:

Acesta va fi un SMPS în domeniul de conversie AC-DC. Prin urmare, intrarea va fi AC. Pentru valoarea tensiunii de intrare, este bine să utilizați un rating universal de intrare pentru SMPS. Astfel, tensiunea de curent alternativ va fi de 85-265VAC cu 50Hz. În acest fel, SMPS-ul poate fi utilizat în orice țară, indiferent de valoarea tensiunii de rețea AC.

Specificații de ieșire:

Tensiunea de ieșire este selectată ca 5V cu 2A din curentul nominal. Astfel, va avea o ieșire de 10W. Deoarece acest SMPS va furniza tensiune constantă indiferent de curentul de sarcină, va funcționa pe modul CV (Tensiune constantă). Această tensiune de ieșire de 5V ar trebui să fie constantă și constantă chiar și la cea mai mică tensiune de intrare în timpul unei sarcini maxime (2A) pe ieșire.

Este foarte dorit ca o unitate de alimentare bună să aibă o tensiune de ondulare mai mică de 30mV pk-pk. Tensiunea de ondulare vizată pentru acest SMPS este mai mică de 30mV ondulare vârf-vârf. Deoarece acest SMPS va fi încorporat în veroboard folosind un transformator de comutare manual, ne putem aștepta la valori ușor mai mari de ondulare. Această problemă poate fi evitată prin utilizarea unui PCB.

Caracteristici de protecție:

Există diferite circuite de protecție care pot fi utilizate într-un SMPS pentru o funcționare sigură și fiabilă. Circuitul de protecție protejează SMPS, precum și sarcina asociată. În funcție de tip, circuitul de protecție poate fi conectat la intrare sau la ieșire.

Pentru acest SMPS, va fi utilizată o protecție la supratensiune de intrare cu o tensiune maximă de intrare de funcționare de 275VAC. De asemenea, pentru a rezolva problemele EMI, va fi utilizat un filtru de mod comun pentru eliminarea EMI generată. Pe partea de ieșire vom include protecție la scurtcircuit, protecție la supratensiune și protecție la supracurent.

Selectarea IC-ului de gestionare a energiei

Fiecare circuit SMPS necesită un IC de gestionare a energiei, cunoscut și sub numele de IC de comutare sau IC SMPS sau IC mai uscat. Să rezumăm considerațiile de proiectare pentru a selecta IC-ul ideal de gestionare a energiei care va fi potrivit pentru proiectarea noastră. Cerințele noastre de proiectare sunt

Iesire 10W. 5V 2A la încărcare maximă.
Rating universal de intrare. 85-265VAC la 50Hz
Protecție la supratensiune de intrare. Tensiune maximă de intrare 275VAC.
Protecție la scurtcircuit de ieșire, supratensiune și supracurent.
Operații de tensiune constantă.

Din cerințele de mai sus există o gamă largă de circuite integrate din care să selectați, dar pentru acest proiect am selectat integrarea energiei. Integrarea energiei este o companie cu semiconductori care are o gamă largă de circuite integrate pentru driverele de putere în diverse game de putere. Pe baza cerințelor și a disponibilității, am decis să folosim TNY268PN de la familiile mici switch II. Am folosit anterior acest CI pentru a construi un circuit SMPS de 12V pe un PCB.

În imaginea de mai sus, este afișată puterea maximă de 15W. Cu toate acestea, vom face SMPS în cadru deschis și pentru ratingul de intrare universal. Într-un astfel de segment, TNY268PN ar putea furniza ieșire de 15W. Să vedem diagrama pin.

Proiectarea circuitului SMPS de 5v 2Amp

Cel mai bun mod de a construi schema SMPS 5V 2A este să utilizați software-ul expert PI de integrare Power. Descărcați software-ul expert PI și utilizați versiunea 8.6. Este un software excelent pentru proiectarea sursei de alimentare. Circuitul prezentat mai jos este construit utilizând software-ul expert al Power Integration. Dacă sunteți nou în acest software, puteți consulta secțiunea de proiectare a acestui circuit SMPS de 12V pentru a înțelege cum să utilizați software-ul.

Înainte de a intra direct în construirea piesei prototip, să explorăm schema circuitului SMPS 5v 2A și funcționarea acesteia.

Circuitul are următoarele secțiuni-

Protecție împotriva supratensiunii de intrare și SMPS
Conversie AC-DC
Filtru PI
Circuitul driverului sau circuitul de comutare
Protecție de blocare sub tensiune.
Circuit de prindere.
Magnetică și izolarea galvanică.
Filtru EMI
Redresor secundar și circuit snubber
Secțiunea de filtrare
Secțiunea de feedback.

Protecție la supratensiune de intrare și defecțiune SMPS:

Această secțiune este formată din două componente, F1 și RV1. F1 este o siguranță cu suflare lentă 1A 250VAC, iar RV1 este un MOV de 27 mm de 275V (Varistor de oxid de metal). În timpul unei supratensiuni de înaltă tensiune (mai mult de 275VAC), MOV a devenit scurt și aruncă siguranța de intrare. Cu toate acestea, datorită funcției de suflare lentă, siguranța rezistă curentului de intrare prin SMPS.

Conversie AC-DC:

Această secțiune este guvernată de puntea diodei. Aceste patru diode (în interiorul DB107) fac un redresor complet. Diodele sunt 1N4006, dar standardul 1N4007 poate face treaba perfect. În acest proiect, aceste patru diode sunt înlocuite cu un redresor cu punte complet DB107.

Filtru PI:

Diferite state au standard de respingere EMI diferit. Acest design confirmă standardul EN61000-Clasa 3, iar filtrul PI este proiectat în așa fel încât să reducă respingerea EMI în modul comun. Această secțiune este creată folosind C1, C2 și L1. C1 și C2 sunt condensatori de 400V 18uF. Este o valoare ciudată, astfel încât 22uF 400V este selectat pentru această aplicație. L1 este un sufocator de mod obișnuit care necesită semnal EMI diferențial pentru a le anula pe ambele.

Circuitul driverului sau circuitul de comutare:

Este inima unui SMPS. Latura primară a transformatorului este controlată de circuitul de comutare TNY268PN. Frecvența de comutare este de 120-132khz. Datorită acestei frecvențe mari de comutare, pot fi utilizate transformatoare mai mici. Circuitul de comutare are două componente, U1 și C3. U1 este principalul driver IC TNY268PN. C3 este condensatorul de bypass necesar pentru funcționarea driverului IC.

Protecție de blocare sub tensiune:

Protecția de blocare sub tensiune se face prin rezistorul de sens R1 și R2. Este utilizat atunci când SMPS intră în modul de repornire automată și detectează tensiunea de linie. Valoarea R1 și R2 este generată prin instrumentul PI Expert. Două rezistențe în serie reprezintă o măsură de siguranță și o bună practică pentru a evita problemele de defectare a rezistenței. Astfel, în loc de 2M, două rezistențe 1M sunt utilizate în serie.

Circuit de prindere:

D1 și D2 sunt circuitul de prindere. D1 este dioda TVS și D2 este o diodă de recuperare ultrarapidă. Transformatorul acționează ca un inductor imens pe driverul de putere IC TNY268PN. Prin urmare, în timpul ciclului de oprire, transformatorul creează vârfuri de înaltă tensiune datorită inductanței de scurgere a transformatorului. Aceste vârfuri de tensiune de înaltă frecvență sunt suprimate de clema de diodă peste transformator. UF4007 este selectat datorită recuperării ultrarapide, iar P6KE200A este selectat pentru funcționarea TVS. Conform designului, tensiunea de prindere vizată (VCLAMP) este de 200V. Prin urmare, P6KE200A este selectat, iar pentru problemele legate de blocarea ultra-rapidă, UF4007 este selectat ca D2.

Magnetică și izolarea galvanică:

Transformatorul este un transformator feromagnetic și nu numai că transformă tensiunea alternativă de înaltă tensiune într-o tensiune alternativă de joasă tensiune, dar oferă și izolare galvanică.

Filtru EMI:

Filtrarea EMI se face prin condensatorul C4. Crește imunitatea circuitului pentru a reduce interferența EMI ridicată. Este un condensator de clasa Y cu o tensiune nominală de 2kV.

Redresor secundar și circuit de snubber:

Ieșirea din transformator este rectificată și convertită în curent continuu folosind D6, o diodă redresoare Schottky. Circuitul snubber de pe D6 asigură suprimarea tensiunii tranzitorii în timpul operațiilor de comutare. Circuitul snubber constă dintr-un rezistor și un condensator, R3 și C5.

Secțiunea de filtrare:

Secțiunea de filtrare constă dintr-un condensator de filtrare C6. Este un condensator ESR scăzut pentru o respingere mai bună. De asemenea, un filtru LC care utilizează L2 și C7 oferă o respingere mai bună a ondulației în ieșire.

Secțiunea de feedback:

Tensiunea de ieșire este detectată de U3 TL431 și R6 și R7. După detectarea liniei, U2, optocuplorul este controlat și izolează galvanic porțiunea de detectare a feedback-ului secundar cu controlerul lateral primar. Optocuplorul are în interior un tranzistor și un LED. Prin controlul LED-ului, tranzistorul este controlat. Deoarece comunicarea se face optic, nu are conexiune electrică directă, satisfăcând astfel și izolația galvanică de pe circuitul de feedback.

Acum, întrucât LED-ul controlează în mod direct tranzistorul, oferind suficientă polarizare a LED-ului Optocoupler, se poate controla tranzistorul Optocoupler, mai precis circuitul driverului. Acest sistem de control este utilizat de TL431. Un regulator de șunt. Deoarece regulatorul de șunt are un divizor de rezistență peste pinul de referință, acesta poate controla ledul optocuplator care este conectat peste el. Pinul de feedback are o tensiune de referință de 2,5V. Prin urmare, TL431 poate fi activ numai dacă tensiunea pe divizor este suficientă. În cazul nostru, divizorul de tensiune este setat la o valoare de 5V. Prin urmare, atunci când ieșirea atinge 5V, TL431 primește 2,5V peste pinul de referință și, astfel, activează LED-ul optocuplatorului care controlează tranzistorul optocuplatorului și controlează indirect TNY268PN. Dacă tensiunea nu este suficientă pe ieșire, ciclul de comutare este imediat suspendat.

În primul rând, TNY268PN activează primul ciclu de comutare și apoi îi detectează pinul EN. Dacă totul este în regulă, va continua schimbarea, dacă nu, va încerca încă o dată după ceva timp. Această buclă se continuă până când totul devine normal, prevenind astfel scurtcircuitul sau problemele de supratensiune. Acesta este motivul pentru care se numește topologie flyback, deoarece tensiunea de ieșire este transportată înapoi către driver pentru detectarea operațiunilor conexe. De asemenea, bucla de încercare se numește un mod de operare sughiț în condiția de eșec.

D3 este o diodă de barieră Schottky. Această diodă convertește ieșirea AC de înaltă frecvență într-o curent continuu. 3A Schottky Diode 60V este selectată pentru o funcționare fiabilă. R4 și R5 sunt selectate și calculate de PI Expert. Creează un divizor de tensiune și transmite curentul la LED-ul optocuplator de la TL431.

R6 și R7 este un divizor simplu de tensiune calculat prin formula TL431 REF tensiune = (Vout x R7) / R6 + R7. Tensiunea de referință este de 2,5V, iar Vout este de 12V. Prin selectarea valorii R6 23,7k, R7 a devenit aproximativ 9,09k.

Construirea unui transformator de comutare pentru circuitul nostru SMPS

În mod normal, pentru un circuit SMPS va fi necesar un transformator de comutare, aceste transformatoare pot fi achiziționate de la producătorii de transformatoare pe baza cerințelor dvs. de proiectare. Dar problema aici este că, dacă înveți lucruri despre construirea unui prototip, nu poți găsi transformatorul exact de pe rafturi pentru proiectarea ta. Deci, vom învăța cum să construim un transformator de comutare pe baza cerințelor de proiectare oferite de software-ul nostru expert PI.

Să vedem schema de construcție a transformatorului generată.

După cum indică imaginea de mai sus, trebuie să efectuăm 103 ture de un singur fir de 32 AWG pe partea primară și 5 ture de două fire de 25 AWG pe partea secundară.

În imaginea de mai sus, punctul de plecare al înfășurărilor și direcția înfășurării sunt descrise ca o diagramă mecanică. Pentru a face acest transformator, sunt necesare următoarele lucruri-

Miez EE19, NC-2H sau specificații echivalente și gapped pentru ALG 79 nH / T ²
Bobina cu 5 pini în partea primară și secundară.
Bandă de barieră cu grosimea de 1 mil. Este necesară bandă de 9 mm lățime.
Sârmă de cupru emailată, acoperită, sudabilă, de 32 AWG.
25AWG sârmă de cupru emailată, sudabilă.
Contor LCR.

Este necesar nucleul EE19 cu NC-2H cu un nucleu decalat de 79nH / T2; în general, este disponibil în perechi. Bobina este una generică cu 4 pini primari și 5 pini secundari. Totuși, aici se folosește bobina cu 5 pini pe ambele părți.

Pentru banda Barrier se folosește bandă adezivă standard care are o grosime de bază mai mare de 1 mil (de obicei 2 mil). În timpul activităților legate de atingere, foarfeca este utilizată pentru a tăia banda pentru lățimi perfecte. Sârmele de cupru sunt achiziționate de la transformatoare vechi și pot fi achiziționate și de la magazinele locale. Miezul și bobina pe care le folosesc sunt prezentate mai jos

Pasul 1: adăugați lipirea în pinul 1 și 5 pe partea primară. Lipiți firul de 32 AWG la pinul 5 și direcția de înfășurare este în sensul acelor de ceasornic. Continuați până la cele 103 viraje așa cum se arată mai jos

Aceasta formează partea principală a transformatorului nostru, odată ce cele 103 spire ale înfășurării sunt finalizate, transformatorul meu arăta așa mai jos.

Pasul 2: Aplicați bandă adezivă pentru izolare, sunt necesare 3 spire de bandă adezivă. De asemenea, ajută la menținerea bobinei în poziție.

Pasul 3: Porniți înfășurarea secundară de la pinii 9 și 10. Partea secundară este realizată folosind două fire de fire de cupru emailate 25AWG. Lipiți un fir de cupru la pinul 9 și altul la pinul 10. Direcția de înfășurare este din nou în sensul acelor de ceasornic. Continuați până la 5 ture și lipiți capetele de pe pinul 5 și 6. Adăugați bandă izolatoare aplicând bandă adezivă la fel ca înainte.

Odată ce au fost realizate atât înfășurările primare, cât și cele secundare și a fost utilizată banda adezivă, transformatorul meu a arătat așa cum se arată mai jos

Pasul 4: Acum putem fixa strâns cele două nuclee folosind bandă adezivă. După ce ați terminat, transformatorul finalizat ar trebui să arate așa mai jos.

Pasul 5: De asemenea, asigurați-vă că înfășurați banda adezivă unul lângă altul. Acest lucru va reduce vibrațiile în timpul transferului de flux de înaltă densitate.

După efectuarea pașilor de mai sus și transformatorul este testat folosind un contor LCR așa cum se arată mai jos. Contorul prezintă inductanțe de 1,125 mH sau 1125 uh.

Construirea circuitului SMPS:

Odată ce transformatorul este gata, putem continua asamblarea celorlalte componente pe placa punctată. Detaliile necesare pentru circuit pot fi găsite în lista de materiale de mai jos

Detaliile piesei BOM pentru circuitul SMPS 5V 2A

Odată ce componentele sunt lipite, placa mea arată cam așa.

Testarea circuitului SMPS 5V 2A

Pentru a testa circuitul, am conectat partea de intrare la sursa de alimentare prin intermediul unui VARIAC pentru a controla tensiunea de rețea de curent alternativ. Tensiunea de ieșire la 85VAC și 230VAC este prezentată în

După cum puteți vedea în ambele cazuri, tensiunea de ieșire este menținută la 5V. Dar apoi am conectat ieșirea la scopul meu și am verificat dacă nu există ondulații. Măsurarea ondulației este prezentată mai jos

Ripple-ul de ieșire este destul de ridicat, arată ieșirea de ripple pk-pk 150mV. Acest lucru nu este total bun pentru un circuit de alimentare. Pe baza analizei, creșterea ridicată se datorează factorilor de mai jos-

Proiectare necorespunzătoare a PCB.
Problemă de rebot la sol.
Radiatorul de căldură PCB este necorespunzător.
Fără decupaj pe liniile de alimentare zgomotoase.
Toleranțe crescute la transformator datorită înfășurării manuale. Producătorii de transformatoare aplică lac în timpul înfășurărilor mașinii pentru o mai bună stabilitate a transformatoarelor.

În cazul în care circuitul este convertit într-un PCB adecvat, ne putem aștepta la ieșirea de undă a sursei de alimentare în limita a 50 mV pk-pk chiar și cu un transformator cu înfășurare manuală. Cu toate acestea, întrucât veroboard nu este o opțiune sigură pentru realizarea sursei de alimentare în modul de comutare în domeniul AC la DC, se sugerează în mod constant că trebuie stabilit PCB adecvat înainte de a aplica circuite de înaltă tensiune în scenarii practice. Puteți verifica videoclipul de la sfârșitul acestei pagini pentru a verifica funcționarea circuitului în condiții de încărcare.

Sper că ați înțeles tutorialul și ați învățat cum să vă construiți propriile circuite SMPS cu un transformator manual. Dacă aveți întrebări, lăsați-le în secțiunea de comentarii de mai jos sau folosiți forumurile noastre pentru mai multe întrebări.