Dizajn napájacieho obvodu 12V 1a s použitím viper22a

V mnohých elektronických prevedeniach sú najčastejšie požadované spínacie napájacie obvody (SMPS), ktoré slúžia na premenu sieťového napätia na vhodnú úroveň jednosmerného napätia, aby zariadenie mohlo fungovať. Tento typ prevodníkov AC-DC prijíma ako vstup sieťové napätie 230 V / 110 V a prevádzaním ho prevádza na jednosmerné napätie nízkej úrovne, preto sa nazýva napájací zdroj s prepínačom režimu. Už sme predtým postavili niekoľko obvodov SMPS, ako je tento obvod SMPS 5V 2A a obvod SMPS 12V 1A TNY268. Dokonca sme vytvorili vlastný transformátor SMPS, ktorý sa dal použiť v našich dizajnoch SMPS spolu s integrovaným obvodom ovládača. V tomto projekte postavíme ďalší obvod 12V 1A SMPS pomocou VIPer22A, čo je populárny nízkonákladový integrovaný obvod vodiča SMPS od spoločnosti STMicroelectronics. Tento návod vás prevedie celým okruhom a tiež vysvetlíako zostaviť vlastný transformátor pre obvod VIPER. Zaujímavé, poďme na to.

Špecifikácie návrhu napájacieho zdroja VIPer22A

Rovnako ako predchádzajúci projekt založený na SMPS, rôzne druhy napájania fungujú v rôznych prostrediach a fungujú na konkrétnej hranici vstupu a výstupu. Tento SMPS má tiež svoju špecifikáciu. Preto je potrebné vykonať správnu analýzu špecifikácií pred pokračovaním v skutočnom návrhu.

Špecifikácia vstupu: Bude to SMPS v doméne konverzie AC na DC. Preto bude vstup AC. V tomto projekte je vstupné napätie pevné. Je to podľa európskeho štandardného menovitého napätia. Takže vstupné striedavé napätie tohto SMPS bude 220-240 VAC. Je to tiež štandardné menovité napätie v Indii.

Špecifikácia výstupu: Výstupné napätie je vybrané ako 12V s prúdovým prúdom 1A. Tak to bude 12W výstup. Pretože tento SMPS bude poskytovať konštantné napätie bez ohľadu na prúd záťaže, bude pracovať v režime CV (Constant Voltage). Výstupné napätie bude tiež konštantné a stabilné pri najnižšom vstupnom napätí s maximálnym zaťažením (2 A) na výstupe.

Zvlnenie výstupného napätia: Je veľmi žiaduce, aby dobrý zdroj napájania mal zvlnenie napätia menšie ako 30 mV pk-pk. Cieľové zvlnenie napätia je pre tento SMPS rovnaké, menej ako 30 mV zvlnenie pk-pk. Zvlnenie výstupu SMPS je však veľmi závislé od konštrukcie SMPS, používa sa PCB a typ kondenzátora. Použili sme nízky kondenzátor ESR s hodnotením 105 stupňov od spoločnosti Wurth Electronics a zdá sa, že očakávané zvlnenie výstupu je nižšie.

Ochranné obvody: V SMPS môžu byť použité rôzne ochranné obvody pre bezpečnú a spoľahlivú prevádzku. Ochranný obvod chráni SMPS aj príslušné zaťaženie. Podľa typu môže byť ochranný obvod pripojený cez vstup alebo cez výstup. Pre tento SMPS sa použije vstupná prepäťová ochrana s maximálnym prevádzkovým vstupným napätím 275 VAC. Na riešenie problémov s EMI sa tiež použije filter spoločného režimu na vyprázdnenie vygenerovaného EMI. Na strane výstupu zahrnieme ochranu proti skratu, prepäťovú ochranu a nadprúdovú ochranu.

Výber integrovaného obvodu ovládača SMPS

Každý obvod SMPS vyžaduje integrovaný obvod správy napájania, ktorý sa označuje aj ako prepínací integrovaný obvod alebo integrovaný obvod SMPS alebo suchší integrovaný obvod. Zhrňme úvahy o dizajne, aby sme vybrali ideálny IC pre správu napájania, ktorý bude vhodný pre náš dizajn. Naše požiadavky na dizajn sú

12W výstup. 12V 1A pri plnom zaťažení.
Európska norma pre hodnotenie vstupu. 85 - 265 V str. Pri 50 Hz
Vstupná prepäťová ochrana. Maximálne vstupné napätie 275VAC.
Výstupná skrat, ochrana proti prepätiu a nadprúdu.
Prevádzky s konštantným napätím.

Z vyššie uvedených požiadaviek je na výber široká škála integrovaných obvodov, ale pre tento projekt sme vybrali napájací ovládač VIPer22A od spoločnosti STMicroelectronics. Je to veľmi lacný integrovaný obvod vodiča od spoločnosti STMicroelectronics.

Na vyššie uvedenom obrázku je znázornený typický výkon zdroja VIPer22A IC. Neexistuje však žiadna špecifikovaná časť pre špecifikáciu výstupného výkonu typu open frame alebo adaptéra. Budeme robiť SMPS v otvorenom ráme a pre Európsku vstupným výkonom. V takomto segmente by VIPer22A mohol poskytovať výkon 20 W. Použijeme ho na 12W výkon. VIPer22A IC pinov je uvedené v obrázku nižšie.

Návrh napájacieho obvodu VIPer22AP

Najlepším spôsobom na zostavenie obvodu je použitie softvéru Power Supply Design. Môžete si stiahnuť VIPer Design Software verzie 2.24, aby ste mohli používať VIPer22A, najnovšia verzia tohto softvéru už VIPer22A nepodporuje. Je to vynikajúci softvér na návrh napájania od spoločnosti STMicroelectronics. Poskytnutím informácií o požiadavkách na dizajn je možné vygenerovať celú schému zapojenia napájacieho zdroja. VIPer22A obvod pre tento projekt generovaných týmto softvérom je uvedené nižšie

Predtým, ako sa pustíme priamo do stavby prototypovej časti, poďme preskúmať činnosť obvodov. Okruh má nasledujúce časti -

Ochrana proti prepätiu a poruchám SMPS
Vstupný filter
AC-DC prevod
Obvody vodiča alebo spínací obvod
Svorkový obvod.
Magnetické a galvanické oddelenie.
EMI filter
Sekundárny usmerňovač
Sekcia filtra
Sekcia spätnej väzby.

Ochrana proti prepätiu na vstupe a SMPS.

Táto časť sa skladá z dvoch komponentov, F1 a RV1. F1 je 1A 250VAC pomalá poistka a RV1 je 7mm 275V MOV (kovový oxidový varistor). Počas prepätia vysokého napätia (viac ako 275 VAC) došlo k skratu zariadenia MOV a prepáleniu vstupnej poistky. Avšak kvôli funkcii pomalého prepätia poistka odoláva zapínaciemu prúdu cez SMPS.

Vstupný filter

Kondenzátor C3 je kondenzátor sieťového filtra 250 VAC. Je to kondenzátor typu X podobný tomu, ktorý sme použili v našom obvode bez napájacieho transformátora.

AC-DC prevod.

AC DC konverzia sa vykonáva pomocou diódy usmerňovača s úplným mostíkom DB107. Jedná sa o usmerňovaciu diódu s menovitým prúdom 1 000 V 1 A. Filtrovanie sa vykonáva pomocou kondenzátora 22uF 400V. Počas tohto prototypu sme však použili veľmi veľkú hodnotu kondenzátora. Namiesto 22uF sme použili kondenzátor 82uF kvôli dostupnosti kondenzátora. Takýto vysokohodnotný kondenzátor nie je potrebný na činnosť obvodu. 22uF 400 V je dostatočné pre výstupný výkon 12 W.

Obvody vodiča alebo spínací obvod.

VIPer22A vyžaduje napájanie z predpätia vinutia transformátora. Po získaní predpätého napätia začne VIPer prepínať cez transformátor pomocou zabudovaného vysokonapäťového mosfetu. D3 sa používa na prevod výstupu striedavého predpätia na jednosmerný prúd a rezistor R1, 10 Ohm sa používa na riadenie zapínacieho prúdu. Kondenzátor filtra je 4,7uF 50V na vyhladenie zvlnenia jednosmerného prúdu.

Svorkový obvod

Transformátor pôsobí cez induktor IC VIPer22 ako obrovský induktor. Preto počas vypínacieho cyklu transformátor vytvára špičky vysokého napätia v dôsledku indukčnosti úniku transformátora. Tieto vysokofrekvenčné napäťové hroty sú škodlivé pre výkonový vodič IC a môžu spôsobiť poruchu spínacieho obvodu. Toto je teda potrebné potlačiť diódovou svorkou cez transformátor. Pre svorkový obvod sa používajú D1 a D2. D1 je dióda TVS a D2 je ultrarýchla obnovovacia dióda. D1 sa používa na upnutie napätia, zatiaľ čo D2 sa používa ako blokovacia dióda. Podľa návrhu je cieľové upínacie napätie (VCLAMP) 200 V. Preto P6KE200A je vybraná možnosť a pre ultrarýchle problémy súvisiace s blokovaním je vybratá položka UF4007 ako D2.

Magnetické a galvanické oddelenie.

Transformátor je feromagnetický transformátor, ktorý nielen prevádza vysokonapäťové striedavé napätie na nízkonapäťové striedavé napätie, ale tiež poskytuje galvanické oddelenie. Má tri príkazy na navíjanie. Primárne, pomocné alebo predpäté vinutie a sekundárne vinutie.

EMI filter.

Filtrovanie EMI sa vykonáva kondenzátorom C4. Zvyšuje imunitu obvodu, aby sa znížilo vysoké rušenie EMI. Jedná sa o kondenzátor triedy Y s napätím 2 kV.

Sekundárny usmerňovač a tlmiaci obvod.

Výstup z transformátora je usmernený a prevedený na DC pomocou D6, Schottkyho usmerňovacej diódy. Pretože výstupný prúd je 2A, je na tento účel zvolená dióda 3A 60V. SB360 je 3A 60V dimenzovaná Schottkyho dióda.

Sekcia filtra.

C6 je filtračný kondenzátor. Je to kondenzátor s nízkym ESR pre lepšie potlačenie zvlnenia. Používa sa tiež LC post-filter, kde L2 a C7 poskytujú lepšie potlačenie zvlnenia na výstupe.

Sekcia spätnej väzby.

Výstupné napätie je snímané snímačmi U3 TL431 a R6 a R7. Po snímaní vedenia U2 je optočlen riadený a galvanicky izoluje časť snímajúcu sekundárnu spätnú väzbu pomocou ovládača na primárnej strane. PC817 je Optocoupler. Má dve strany, tranzistor a vo vnútri LED. Ovládaním LED sa riadi tranzistor. Pretože sa komunikácia uskutočňuje opticky, nemá priame elektrické spojenie, čím uspokojuje aj galvanické oddelenie spätnoväzbového obvodu.

Teraz, keď LED dióda priamo ovláda tranzistor, poskytuje dostatočné predpätie na LED Optocoupler, takže je možné ovládať tranzistor Optocoupler, konkrétnejšie budiaci obvod. Tento riadiaci systém používa TL431. Regulátor bočníka. Pretože bočníkový regulátor má cez svoj referenčný kolík odporový rozdeľovač, môže riadiť opticky prepojenú LED, ktorá je cez neho pripojená. Pin spätnej väzby má referenčné napätie 2,5V. Preto môže byť TL431 aktívny, iba ak je napätie v deliči dostatočné. V našom prípade je delič napätia nastavený na hodnotu 5V. Preto keď výstup dosiahne 5 V, dostane TL431 cez referenčný pin 2,5 V a aktivuje tak LED optočlenu, ktorý riadi tranzistor optočlenu a nepriamo riadi TNY268PN. Ak napätie na výstupe nie je dostatočné, spínací cyklus sa okamžite preruší.

TNY268PN najskôr aktivuje prvý cyklus prepínania a potom sníma svoj pin EN. Ak je všetko v poriadku, bude pokračovať v prepínaní, ak nie, pokúsi sa to znova po nejakom čase. Táto slučka pokračuje, kým sa všetko nestane normálnym, čím zabráni problémom so skratom alebo prepätím. To je dôvod, prečo sa tomu hovorí flyback topológia, pretože výstupné napätie je privedené späť k vodičovi na snímanie súvisiacich operácií. Skúšobná slučka sa tiež nazýva škytavkový režim prevádzky pri poruchovom stave.

Konštrukcia spínacieho transformátora pre obvod VIPER22ASMPS

Pozrime sa na vygenerovaný konštrukčný diagram transformátora. Tento diagram je získaný zo softvéru na návrh napájacieho zdroja, o ktorom sme hovorili vyššie.

Core je E25 / 13/7 so vzduchovou medzerou 0,36 mm. Primárna indukčnosť je 1 mH. Na konštrukciu tohto transformátora sú potrebné nasledujúce veci. Ak ste v oblasti konštrukcie transformátorov nováčikom, prečítajte si článok o tom, ako vytvoriť svoj vlastný transformátor SMPS.

Polyesterová páska
Dvojice jadier E25 / 13/7 so vzduchovou medzerou 0,36 mm.
Medený drôt 30 AWG
43 AWG medený drôt (kvôli nedostupnosti sme použili 36 AWG)
23 AWG (pre tento sme použili aj 36 AWG)
Horizontálna alebo vertikálna cievka (použili sme horizontálnu cievku)
Pero na držanie cievky počas navíjania.

Krok 1: Držte jadro pomocou pera, začnite medeným drôtom 30 AWG od kolíka 3 cievky a pokračujte 133 otáčkami v smere hodinových ručičiek ku kolíku 1. Naneste 3 vrstvy polyesterovej pásky.

Krok 2: Spustite predpätie vinutia pomocou medeného drôtu 43 AWG z kolíka 4 a pokračujte do 31 závitov a ukončite vinutie na kolíku 5. Naneste 3 vrstvy polyesterovej pásky.

Vinutie Bias začnite pomocou medeného drôtu 43 AWG z čapu 4 a pokračujte do 31 závitov a ukončite vinutie na čape 5. Naneste 3 vrstvy polyesterovej pásky.

Krok 3: Spustite sekundárne vinutie od kolíka 10 a pokračujte v navíjaní 21 závitov v smere hodinových ručičiek. Naneste 4 vrstvy polyesterovej pásky.

Krok 4: Zaistite medzeru s medzerou ovinutou lepiacou páskou vedľa seba. Toto zníži vibrácie počas prenosu toku s vysokou hustotou.

Akonáhle je zostavenie hotové, transformátor je testovaný pomocou LCR metra na meranie hodnoty indukčnosti cievok. Merač ukazuje 913 mH, čo je blízko k primárnej indukčnosti 1 mH.

Budovanie obvodu SMPS VIPer22A:

Po overení menovitého výkonu transformátora môžeme pokračovať v spájkovaní všetkých komponentov na doske Vero, ako je uvedené v schéme zapojenia. Moja doska po dokončení spájkovacej práce vyzerala takto nižšie

Testovanie obvodu VIPer22A pre 12V 1A SMPS:

Aby som otestoval obvod, pripojil som vstupnú stranu k sieťovému napájaniu cez VARIAC na riadenie vstupného striedavého napätia. Na nasledujúcom obrázku je zobrazené výstupné napätie pri 225 V str.

Ako vidíte na výstupnej strane, dostaneme 12,12 V, čo je blízke požadovanému výstupnému napätiu 12 V. Kompletné fungovanie je zobrazené vo videu pripojenom v dolnej časti tejto stránky. Dúfam, že ste pochopili výukový program a naučili sa, ako zostaviť vlastné obvody SMPS pomocou ručného transformátora. Ak máte akékoľvek otázky, nechajte ich v sekcii komentárov nižšie.