Jak zaprojektować obwód zasilania 5v 2a smps

Zasilacz (PSU) jest istotną częścią każdego projektu produktu elektronicznego. Większość domowych produktów elektronicznych, takich jak ładowarki przenośne, głośniki Bluetooth, banki energii, inteligentne zegarki itp., Wymaga obwodu zasilającego, który może przekształcić napięcie sieciowe AC na 5 V DC, aby je obsługiwać. W tym projekcie zbudujemy podobny obwód zasilania AC i DC o mocy znamionowej 10 W. Oznacza to, że nasz obwód zamieni napięcie sieciowe 220 V AC na 5 V i zapewni maksymalny prąd wyjściowy do 2A. Ta moc znamionowa powinna wystarczyć do zasilania większości produktów elektronicznych zasilanych napięciem 5 V. Również obwód SMPS 5V 2A jest dość popularny w elektronice, ponieważ istnieje wiele mikrokontrolerów, które działają na 5V.

Ideą projektu jest maksymalne uproszczenie budowy, dlatego zaprojektujemy cały obwód na płytce z kropkami (płytka perf), a także zbudujemy własny transformator, aby każdy mógł powielić ten projekt lub zbudować podobny. Podekscytowany, prawda! Więc zacznijmy. Wcześniej zbudowaliśmy również obwód SMPS 12 V 15 W za pomocą PCB, więc osoby zainteresowane tym, jak zaprojektować PCB do projektu zasilacza (zasilacza), mogą to również sprawdzić.

Obwód SMPS 5 V 2 A - specyfikacje projektowe

Różne rodzaje zasilaczy zachowują się różnie w różnych środowiskach. Ponadto SMPS działa w określonych granicach wejścia-wyjścia. Przed przystąpieniem do właściwego projektu należy przeprowadzić odpowiednią analizę specyfikacji.

Specyfikacja wejściowa:

Będzie to SMPS w domenie konwersji AC na DC. Dlatego wejście będzie AC. Jako wartość napięcia wejściowego dobrze jest zastosować uniwersalną wartość znamionową wejściową dla SMPS. Zatem napięcie AC będzie wynosić 85-265 VAC przy wartości znamionowej 50 Hz. W ten sposób SMPS może być używany w każdym kraju, niezależnie od wartości napięcia sieci AC.

Specyfikacja wyjściowa:

Napięcie wyjściowe jest wybierane jako 5 V przy 2 A prądu znamionowego. Zatem będzie to 10W mocy wyjściowej. Ponieważ ten SMPS zapewni stałe napięcie niezależnie od prądu obciążenia, będzie działał w trybie CV (Constant Voltage). To napięcie wyjściowe 5 V powinno być stałe i stabilne nawet przy najniższym napięciu wejściowym podczas maksymalnego obciążenia (2 A) na wyjściu.

Jest wysoce pożądane, aby dobry zasilacz miał napięcie tętnienia mniejsze niż 30 mV pk-pk. Docelowe napięcie tętnienia dla tego SMPS jest mniejsze niż tętnienie szczytowo-szczytowe 30 mV. Ponieważ ten SMPS zostanie zbudowany w Veroboard przy użyciu ręcznie wykonanego transformatora przełączającego, możemy spodziewać się nieco wyższych wartości tętnień. Tego problemu można uniknąć, stosując płytkę drukowaną.

Funkcje ochrony:

Istnieją różne obwody zabezpieczające, które można zastosować w SMPS, aby zapewnić bezpieczną i niezawodną pracę. Obwód ochronny chroni SMPS, a także związane z nim obciążenie. W zależności od typu obwód ochronny można podłączyć na wejściu lub na wyjściu.

W przypadku tego zasilacza sieciowego będzie stosowana ochrona przeciwprzepięciowa przy maksymalnym roboczym napięciu wejściowym 275 VAC. Ponadto, aby poradzić sobie z problemami z EMI, zostanie użyty filtr trybu wspólnego do wygaszenia generowanego EMI. Po stronie wyjścia uwzględnimy zabezpieczenia przed zwarciem, przepięciem i przetężeniem.

Wybór układu scalonego zarządzania energią

Każdy obwód SMPS wymaga układu scalonego zarządzania energią, znanego również jako układ przełączający lub układ scalony SMPS lub układ osuszacza. Podsumujmy rozważania projektowe, aby wybrać idealny układ zarządzania energią, który będzie odpowiedni dla naszego projektu. Nasze wymagania projektowe to

1. Moc wyjściowa 10 W. 5 V 2 A przy pełnym obciążeniu.
2. Uniwersalna ocena wejściowa. 85-265 VAC przy 50 Hz
3. Ochrona przeciwprzepięciowa na wejściu. Maksymalne napięcie wejściowe 275VAC.
4. Zabezpieczenie przed zwarciem, przepięciem i przepięciem na wyjściu.
5. Operacje na stałym napięciu.

Spośród powyższych wymagań istnieje szeroka gama układów scalonych do wyboru, ale dla tego projektu wybraliśmy integrację zasilania. Power Integration to firma półprzewodnikowa, która oferuje szeroką gamę układów scalonych sterowników mocy w różnych zakresach mocy wyjściowej. W oparciu o wymagania i dostępność zdecydowaliśmy się na użycie TNY268PN z rodziny małych przełączników II. Wcześniej używaliśmy tego układu scalonego do budowy obwodu SMPS 12 V na PCB.

Na powyższym obrazku maksymalna moc 15W jest pokazana. Jednak SMPS zrobimy w otwartej ramce i dla uniwersalnej oceny wejściowej. W takim segmencie TNY268PN może zapewnić moc 15 W. Zobaczmy schemat pinów.

Projektowanie obwodu SMPS 5v 2Amp

Najlepszym sposobem na zbudowanie schematu SMPS 5V 2A jest użycie oprogramowania eksperckiego PI firmy Power Integration. Pobierz oprogramowanie PI expert i korzystaj z wersji 8.6. Jest to doskonałe oprogramowanie do projektowania zasilaczy. Obwód przedstawiony poniżej został skonstruowany przy użyciu oprogramowania eksperckiego PI firmy Power Integration. Jeśli nie znasz tego oprogramowania, możesz zapoznać się z sekcją dotyczącą projektowania tego obwodu SMPS 12 V, aby dowiedzieć się, jak korzystać z oprogramowania.

Zanim przejdziemy od razu do budowy części prototypowej, przyjrzyjmy się schematowi obwodu SMPS 5v 2A i jego działaniu.

Obwód ma następujące sekcje:

1. Ochrona przed przepięciami wejściowymi i awariami SMPS
2. Konwersja AC-DC
3. Filtr PI
4. Obwód sterownika lub obwód przełączający
5. Zabezpieczenie przed blokadą podnapięciową.
6. Obwód zaciskowy.
7. Magnetyczność i izolacja galwaniczna.
8. Filtr EMI
9. Wtórny prostownik i obwód tłumika
10. Sekcja filtrów
11. Sekcja opinii.

Ochrona przed przepięciami wejściowymi i awariami SMPS:

Ta sekcja składa się z dwóch komponentów, F1 i RV1. F1 to bezpiecznik zwłoczny 1 A 250 VAC, a RV1 to 7 mm 275 V MOV (warystor metalowo-tlenkowy). Podczas przepięcia wysokiego napięcia (ponad 275 VAC), MOV uległo zwarciu i przepaliło bezpiecznik wejściowy. Jednak ze względu na funkcję powolnego przepalania bezpiecznik wytrzymuje prąd rozruchowy przepływający przez SMPS.

Konwersja AC-DC:

Ta sekcja jest zarządzana przez mostek diodowy. Te cztery diody (wewnątrz DB107) tworzą pełny mostek prostowniczy. Diody to 1N4006, ale standardowe 1N4007 mogą wykonać zadanie doskonale. W tym projekcie te cztery diody zastąpiono prostownikiem z pełnym mostkiem DB107.

Filtr PI:

Różne stany mają różne standardy odrzucania EMI. Ten projekt potwierdza normę EN61000-Class 3, a filtr PI został zaprojektowany w taki sposób, aby zmniejszyć tłumienie EMI w trybie wspólnym. Ta sekcja jest tworzona przy użyciu C1, C2 i L1. C1 i C2 to kondensatory 400V 18uF. Jest to wartość nieparzysta, więc do tej aplikacji wybrano 22uF 400V. L1 jest dławikiem w trybie wspólnym, który pobiera różnicowy sygnał EMI, aby anulować oba.

Obwód sterownika lub obwód przełączający:

To jest serce SMPS. Strona pierwotna transformatora jest sterowana przez obwód przełączający TNY268PN. Częstotliwość przełączania wynosi 120-132 kHz. Ze względu na tę wysoką częstotliwość przełączania można stosować mniejsze transformatory. Obwód przełączający ma dwa elementy, U1 i C3. U1 jest głównym sterownikiem IC TNY268PN. C3 to kondensator obejściowy, który jest potrzebny do pracy naszego układu scalonego sterownika.

Zabezpieczenie przed blokadą podnapięciową:

Zabezpieczenie przed blokadą podnapięciową jest realizowane przez rezystor pomiarowy R1 ​​i R2. Jest używany, gdy SMPS przechodzi w tryb automatycznego restartu i wyczuwa napięcie sieciowe. Wartość R1 i R2 jest generowana za pomocą narzędzia PI Expert. Dwa rezystory połączone szeregowo to środek bezpieczeństwa i dobra praktyka pozwalająca uniknąć problemów z awarią rezystora. Dlatego zamiast 2M w szeregu zastosowano dwa rezystory 1M.

Obwód zaciskowy:

D1 i D2 to obwód cęgowy. D1 to dioda TVS, a D2 to ultraszybka dioda przywracania. Transformator działa jako ogromna cewka indukcyjna w sterowniku mocy IC TNY268PN. Dlatego podczas cyklu wyłączania transformator wytwarza wysokie skoki napięcia ze względu na indukcyjność rozproszenia transformatora. Te skoki napięcia o wysokiej częstotliwości są tłumione przez zacisk diody na transformatorze. Wybrano UF4007 ze względu na ultraszybkie przywracanie, a do pracy TVS wybrano P6KE200A.Zgodnie z projektem, docelowe napięcie zaciskania (VCLAMP) wynosi 200 V. Dlatego wybrano P6KE200A, aw przypadku problemów związanych z ultraszybkim blokowaniem jako D2 wybrano UF4007.

Magnetyczność i izolacja galwaniczna:

Transformator jest transformatorem ferromagnetycznym i nie tylko przekształca wysokie napięcie AC na niskie napięcie AC, ale także zapewnia izolację galwaniczną.

Filtr EMI:

Filtrowanie EMI jest wykonywane przez kondensator C4. Zwiększa odporność obwodu, zmniejszając wysokie zakłócenia EMI. Jest to kondensator klasy Y o napięciu znamionowym 2 kV.

Wtórny prostownik i obwód tłumika:

Sygnał wyjściowy z transformatora jest prostowany i konwertowany na prąd stały za pomocą D6, diody prostowniczej Schottky'ego. Obwód tłumiący na D6 zapewnia tłumienie przejściowego napięcia podczas operacji przełączania. Obwód tłumika składa się z jednego rezystora i jednego kondensatora, R3 i C5.

Sekcja filtrów:

Sekcja filtrująca składa się z kondensatora filtrującego C6. Jest to kondensator o niskiej wartości ESR dla lepszego tłumienia tętnień. Ponadto filtr LC wykorzystujący L2 i C7 zapewnia lepsze tłumienie tętnień na wyjściu.

Sekcja opinii:

Napięcie wyjściowe jest wykrywane przez U3 TL431 oraz R6 i R7. Po wykryciu linii U2 transoptor jest sterowany i galwanicznie izoluje wtórną część wykrywającą sprzężenie zwrotne ze sterownikiem po stronie pierwotnej. Transoptor ma wewnątrz tranzystor i diodę LED. Poprzez sterowanie diodą LED tranzystor jest kontrolowany. Ponieważ komunikacja odbywa się optycznie, nie ma bezpośredniego połączenia elektrycznego, dzięki czemu spełnia również izolację galwaniczną w obwodzie sprzężenia zwrotnego.

Teraz, gdy dioda LED bezpośrednio steruje tranzystorem, zapewniając wystarczające obciążenie w diodzie LED transoptora, można sterować tranzystorem transoptora, a dokładniej obwodem sterownika. Ten system sterowania jest używany przez TL431. Regulator bocznikowy. Ponieważ regulator bocznikowy ma dzielnik rezystora na swoim pinie odniesienia, może sterować diodą LED transoptora, która jest podłączona do niego. Pin sprzężenia zwrotnego ma napięcie odniesienia 2,5 V.. Dlatego TL431 może być aktywny tylko wtedy, gdy napięcie na dzielniku jest wystarczające. W naszym przypadku dzielnik napięcia jest ustawiony na 5V. Dlatego, gdy wyjście osiągnie 5 V, TL431 otrzyma 2,5 V na pinie odniesienia, a tym samym aktywuje diodę LED transoptora, która steruje tranzystorem transoptora i pośrednio steruje TNY268PN. Jeśli napięcie na wyjściu jest niewystarczające, cykl przełączania jest natychmiast zawieszany.

Najpierw TNY268PN aktywuje pierwszy cykl przełączania, a następnie wykrywa swój pin EN. Jeśli wszystko jest w porządku, przełączanie będzie kontynuowane, jeśli nie, po pewnym czasie spróbuje ponownie. Ta pętla jest kontynuowana, aż wszystko wróci do normy, zapobiegając w ten sposób problemom ze zwarciem lub przepięciem. Dlatego nazywa się to topologią flyback, ponieważ napięcie wyjściowe jest przesyłane z powrotem do sterownika w celu wykrycia powiązanych operacji. Ponadto pętla próbująca nazywana jest trybem czkawki działania w warunkach awarii.

D3 to dioda barierowa Schottky'ego. Ta dioda przekształca wyjście prądu przemiennego o wysokiej częstotliwości na prąd stały. Aby zapewnić niezawodne działanie, wybrano diodę Schottky'ego 3A 60V. R4 i R5 są wybierane i obliczane przez eksperta PI. Tworzy dzielnik napięcia i przekazuje prąd do diody LED transoptora z TL431.

R6 i R7 to prosty dzielnik napięcia obliczony według wzoru TL431 Napięcie REF = (Vout x R7) / R6 + R7. Napięcie odniesienia wynosi 2,5 V, a Vout wynosi 12 V. Wybierając wartość R6 23,7k, R7 stał się w przybliżeniu 9,09k.

Budowa transformatora przełączającego dla naszego obwodu SMPS

Zwykle w przypadku obwodu SMPS wymagany jest transformator przełączający, transformatory te można zamówić u producentów transformatorów w oparciu o wymagania projektowe. Ale problem polega na tym, że jeśli uczysz się budowania prototypu, nie możesz znaleźć dokładnego transformatora z półek do swojego projektu. Dowiemy się więc, jak zbudować transformator przełączający w oparciu o wymagania projektowe podane przez nasze oprogramowanie eksperckie PI.

Zobaczmy wygenerowany schemat budowy transformatora.

Jak widać na powyższym obrazku, musimy wykonać 103 zwoje pojedynczego przewodu 32 AWG po stronie pierwotnej i 5 zwojów dwóch przewodów 25 AWG po stronie wtórnej.

Na powyższym rysunku punkt początkowy uzwojeń i kierunek uzwojenia opisano jako schemat mechaniczny. Aby wykonać ten transformator, potrzebne są następujące rzeczy:

1. Rdzeń EE19, specyfikacja NC-2H lub równoważna i przerwa dla ALG 79 nH / T ²
2. Szpulka z 5 kołkami po stronie pierwotnej i wtórnej.
3. Taśma barierowa o grubości 1 mil. Wymagana taśma o szerokości 9 mm.
4. Drut miedziany emaliowany 32 AWG, do lutowania.
5. Drut miedziany emaliowany 25AWG do lutowania.
6. Miernik LCR.

Wymagany jest rdzeń EE19 z NC-2H z rdzeniem z przerwami 79nH / T2; na ogół jest dostępny w parach. Szpulka jest uniwersalna z 4 głównymi i 5 dodatkowymi szpilkami. Jednak tutaj używana jest szpulka z 5 szpilkami po obu stronach.

W przypadku taśmy Barrier używana jest standardowa taśma klejąca o grubości podstawy większej niż 1 mil (zwykle 2 mil). Podczas wykonywania czynności związanych z gwintowaniem, nożyczkami przecinamy taśmę na idealną szerokość. Druty miedziane są kupowane ze starych transformatorów i można je również kupić w lokalnych sklepach. Rdzeń i szpulka, których używam, pokazano poniżej

Krok 1: Dodaj lutowie w 1. i 5. pinie po stronie pierwotnej. Przylutuj przewód 32 AWG do styku 5, a kierunek nawijania jest zgodny z ruchem wskazówek zegara. Kontynuuj do 103 obrotów, jak pokazano poniżej

Tworzy to pierwotną stronę naszego transformatora, po ukończeniu 103 zwojów uzwojenia mój transformator wyglądał tak poniżej.

Krok 2: Nałożyć taśmę izolacyjną, potrzebne są 3 zwoje taśmy. Pomaga również w utrzymywaniu cewki na miejscu.

Krok 3: Rozpocznij uzwojenie wtórne od wtyku 9 i 10. Strona wtórna jest wykonana z dwóch żył miedzianych emaliowanych 25AWG. Przylutuj jeden przewód miedziany do styku 9, a drugi do styku 10. Kierunek nawijania jest ponownie zgodny z ruchem wskazówek zegara. Kontynuuj do 5 zwojów i przylutuj końcówki na kołkach 5 i 6. Dodaj taśmę izolacyjną, nakładając taśmę klejącą tak samo jak poprzednio.

Po wykonaniu uzwojenia pierwotnego i wtórnego oraz użyciu taśmy izolacyjnej mój transformator wyglądał tak, jak pokazano poniżej

Krok 4: Teraz możemy mocno zabezpieczyć dwa rdzenie taśmą klejącą, a gotowy transformator powinien wyglądać jak poniżej.

Krok 5: Pamiętaj również, aby owinąć taśmę klejącą obok siebie. Zmniejszy to wibracje podczas przenoszenia strumienia o dużej gęstości.

Po wykonaniu powyższych czynności i przetestowaniu transformatora za pomocą miernika LCR, jak pokazano poniżej. Miernik pokazuje indukcyjności 1,125 mH lub 1125 uh.

Budowa obwodu SMPS:

Gdy transformator będzie gotowy, możemy przystąpić do montażu pozostałych elementów na tablicy przerywanej. Częściowe dane szczegółowe wymagane dla obwodu można znaleźć w poniższym wykazie materiałów

• Szczegóły części BOM dla obwodu SMPS 5V 2A

Po przylutowaniu elementów moja płytka wygląda mniej więcej tak.

Testowanie obwodu SMPS 5V 2A

Aby przetestować obwód, podłączyłem stronę wejściową do zasilania sieciowego poprzez VARIAC, aby kontrolować wejściowe napięcie sieciowe AC. Napięcie wyjściowe przy 85 V AC i 230 V AC pokazano poniżej:

Jak widać w obu przypadkach napięcie wyjściowe jest utrzymywane na poziomie 5V. Ale potem podłączyłem dane wyjściowe do mojego oscyloskopu i sprawdziłem tętnienia. Pomiar tętnienia pokazano poniżej

Tętnienia wyjściowe są dość wysokie, pokazują tętnienia wyjściowe 150 mV pk-pk. To nie jest dobre dla obwodu zasilania. Na podstawie analizy wysokie tętnienia spowodowane są poniższymi czynnikami:

1. Niewłaściwe projektowanie PCB.
2. Problem odbijania się ziemi.
3. Radiator PCB jest nieprawidłowy.
4. Brak odcięcia na hałaśliwych przewodach zasilających.
5. Zwiększone tolerancje transformatora z powodu ręcznego uzwojenia. Producenci transformatorów nakładają lakier zanurzeniowy na uzwojenia maszyny, aby zapewnić lepszą stabilność transformatorów.

Jeśli obwód zostanie przekonwertowany na odpowiednią płytkę drukowaną, możemy spodziewać się tętnienia wyjściowego zasilacza w zakresie 50 mV pk-pk nawet przy ręcznie nawijanym transformatorze. Jednak, ponieważ veroboard nie jest bezpieczną opcją do tworzenia zasilaczy impulsowych w domenie AC na DC, stale sugeruje się, że przed zastosowaniem obwodów wysokiego napięcia w praktycznych scenariuszach należy założyć odpowiednią płytkę drukowaną. Możesz sprawdzić wideo na końcu tej strony, aby sprawdzić, jak działa obwód w warunkach obciążenia.

Mam nadzieję, że zrozumiałeś samouczek i nauczyłeś się, jak budować własne obwody SMPS z ręcznie robionym transformatorem. Jeśli masz jakieś pytania, zostaw je w sekcji komentarzy poniżej lub skorzystaj z naszych forów, aby uzyskać więcej pytań.