- Obvod 5V 2A SMPS - konštrukčné špecifikácie
- Výber IC riadenia napájania
- Navrhovanie obvodu 5v 2Amp SMPS
- Budovanie spínacieho transformátora pre náš obvod SMPS
- Budovanie obvodu SMPS:
- Testovanie obvodu 5V 2A SMPS
Napájací zdroj (PSU) je dôležitou súčasťou každého návrhu elektronického produktu. Väčšina elektronických výrobkov pre domácnosť, ako sú mobilné nabíjačky, reproduktory Bluetooth, napájacie banky, inteligentné hodinky atď., Vyžaduje na napájanie obvod napájacieho zdroja, ktorý dokáže prevádzať sieťové napájanie na 5V DC. V tomto projekte postavíme podobný napájací obvod s jednosmerným a jednosmerným prúdom s výkonom 10 W. To je náš obvod, ktorý prevedie sieť 220V na 5V a poskytne maximálny výstupný prúd až 2A. Tento príkon by mal stačiť na napájanie väčšiny elektronických výrobkov pracujúcich na 5 V. Tiež obvod 5V 2A SMPS je v elektronike veľmi populárny, pretože existuje veľa mikrokontrolérov, ktoré pracujú na 5V.
Myšlienkou projektu je udržať zostavenie čo najjednoduchšie, preto navrhneme celý obvod cez bodkovanú dosku (doska perf) a tiež zostavíme vlastný transformátor, aby mohol ktokoľvek tento návrh replikovať alebo vytvoriť podobné. Nadšený správne! Takže poďme začať. Predtým sme tiež postavili obvod 12V 15W SMPS pomocou PCB, takže si to môžu skontrolovať aj ľudia, ktorí sa zaujímajú o to, ako navrhnúť PCB pre projekt PSU (napájacia jednotka).
Obvod 5V 2A SMPS - konštrukčné špecifikácie
Rôzne druhy napájania sa správajú odlišne v rôznych prostrediach. SMPS tiež pracuje v konkrétnych hraniciach vstupu a výstupu. Pred pokračovaním so skutočným návrhom je potrebné vykonať správnu analýzu špecifikácií.
Vstupná špecifikácia:
Bude to SMPS v doméne konverzie AC na DC. Preto bude vstup AC. Pre hodnotu vstupného napätia je dobré použiť univerzálne vstupné hodnotenie pre SMPS. Striedavé napätie bude teda 85 - 265 VAC s frekvenciou 50 Hz. Týmto spôsobom je možné SMPS použiť v ktorejkoľvek krajine bez ohľadu na hodnotu jeho sieťového napätia.
Výstupná špecifikácia:
Výstupné napätie je zvolené ako 5V s prúdom 2A. Tak to bude 10W výstup. Pretože tento SMPS bude poskytovať konštantné napätie bez ohľadu na prúd záťaže, bude pracovať v režime CV (Constant Voltage). Toto výstupné napätie 5 V by malo byť konštantné a stabilné aj pri najnižšom vstupnom napätí počas maximálneho zaťaženia (2A) na výstupe.
Je veľmi žiaduce, aby dobrá napájacia jednotka mala zvlnené napätie menšie ako 30 mV pk-pk. Cieľové zvlnenie napätia pre tento SMPS je menšie ako 30mV zvlnenie. Pretože tento SMPS bude veroboard zabudovaný pomocou ručného spínacieho transformátora, môžeme očakávať mierne vyššie hodnoty zvlnenia. Tomuto problému sa dá vyhnúť použitím PCB.
Ochranné funkcie:
Pre bezpečnú a spoľahlivú prevádzku môžu byť v SMPS použité rôzne ochranné obvody. 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 IC riadenia napájania
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
- 10W výstup. 5V 2A pri plnom zaťažení.
- Univerzálne 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 integráciu napájania. Power integration je polovodičová spoločnosť, ktorá má širokú škálu integrovaných obvodov výkonového pohonu v rôznych výkonových rozpätiach. Na základe požiadaviek a dostupnosti sme sa rozhodli použiť TNY268PN z malých radov prepínačov II. Tento integrovaný obvod sme predtým používali na zostavenie obvodu 12V SMPS na doske plošných spojov.
Na vyššie uvedenom obrázku je zobrazený maximálny výkon 15 W. SMPS však urobíme v otvorenom rámci a pre univerzálne vstupné hodnotenie. V takom segmente by TNY268PN mohol poskytovať výkon 15W. Pozrime sa na pinový diagram.
Navrhovanie obvodu 5v 2Amp SMPS
Najlepším spôsobom, ako vytvoriť schému 5PS 2V SMA, je použitie expertného softvéru PI pre integráciu Power. Stiahnite si softvér PI expert a používajte verziu 8.6. Je to vynikajúci softvér na návrh napájacieho zdroja. Obvod zobrazený nižšie je skonštruovaný pomocou softvéru PI expert spoločnosti Power Integration. Ak ste v oblasti tohto softvéru nováčikom, môžete sa oboznámiť s jeho používaním v časti o dizajne tohto obvodu 12V SMPS.
Predtým, ako sa pustíme priamo do stavby prototypovej časti, poďme preskúmať schému zapojenia 5v 2A SMPS a jej fungovanie.
Okruh má nasledujúce sekcie -
- Ochrana proti prepätiu a poruchám SMPS
- AC-DC prevod
- PI filter
- Obvody vodiča alebo spínací obvod
- Ochrana proti blokovaniu podpätia.
- Svorkový obvod.
- Magnetické a galvanické oddelenie.
- EMI filter
- Sekundárny usmerňovač a tlmiaci obvod
- 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.
AC-DC prevod:
Táto časť sa riadi diódovým mostíkom. Tieto štyri diódy (vo vnútri DB107) tvoria úplný mostíkový usmerňovač. Diódy sú 1N4006, ale štandardná 1N4007 to zvládne perfektne. V tomto projekte sú tieto štyri diódy nahradené plným mostíkovým usmerňovačom DB107.
PI filter:
Rôzne štáty majú rozdielny štandard odmietnutia EMI. Tento dizajn potvrdzuje normu EN61000-Class 3 a PI filter je navrhnutý takým spôsobom, aby znižoval odmietanie EMI v bežnom režime. Táto časť je vytvorená pomocou C1, C2 a L1. C1 a C2 sú kondenzátory 400V 18uF. Je to nepárna hodnota, takže pre túto aplikáciu je vybratých 22uF 400V. L1 je tlmivka v bežnom režime, ktorá prijíma diferenciálny signál EMI na zrušenie oboch.
Obvody vodiča alebo spínací obvod:
Je to srdce SMPS. Primárna strana transformátora je ovládaná spínacím obvodom TNY268PN. Spínacia frekvencia je 120-132khz. Vďaka tejto vysokej spínacej frekvencii je možné použiť menšie transformátory. Spínací obvod má dve zložky, U1 a C3. U1 je hlavný ovládač IC TNY268PN. C3 je obtokový kondenzátor, ktorý je potrebný na prácu nášho integrovaného obvodu vodiča.
Ochrana proti podpätiu pri podpätí:
Ochranu proti podpätiu zaisťuje snímací odpor R1 a R2. Používa sa, keď SMPS prejde do režimu automatického reštartu a sníma sieťové napätie. Hodnota R1 a R2 sa generuje pomocou nástroja PI Expert. Dva odpory v sérii sú bezpečnostným opatrením a osvedčeným postupom, aby sa zabránilo problémom so zlyhaním rezistorov. Namiesto série 2M sa teda v sérii používajú dva rezistory 1M.
Obvod svorky:
D1 a D2 sú svorkový obvod. D1 je dióda TVS a D2 je ultrarýchla obnovovacia dióda. Transformátor pôsobí cez induktor IC TNY268PN ako obrovský induktor. Preto počas vypínacieho cyklu transformátor vytvára vysokonapäťové hroty v dôsledku únikovej indukčnosti transformátora. Tieto vysokofrekvenčné napäťové hroty sú potlačené diódovou svorkou cez transformátor. UF4007 je vybraný z dôvodu ultrarýchleho zotavenia a P6KE200A je vybraný pre prevádzku TVS. Podľa návrhu je cieľové upínacie napätie (VCLAMP) 200 V. Preto je vybraný P6KE200A a pre ultrarýchle problémy spojené s blokovaním je vybraný 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.
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.
Obvod sekundárneho usmerňovača a tlmivky:
Výstup z transformátora je usmernený a prevedený na DC pomocou D6, Schottkyho usmerňovacej diódy. Tlmiaci obvod cez D6 poskytuje potlačenie prechodového napätia počas spínacích operácií. Odrušovací obvod pozostáva z jedného odporu a jedného kondenzátora, R3 a C5.
Sekcia filtra:
Filtračná časť sa skladá z filtračného kondenzátora C6. Je to kondenzátor s nízkym ESR pre lepšie potlačenie zvlnenia. LC filter tiež využívajúci L2 a C7 poskytuje 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. Optočlen má v sebe tranzistor a 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, skúsi to po nejakom čase ešte raz. 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.
D3 je Schottkyho bariérová dióda. Táto dióda prevádza vysokofrekvenčný striedavý výstup na jednosmerný prúd. Pre spoľahlivú prevádzku je zvolená 3A 60V Schottkyho dióda. R4 a R5 vyberie a vypočíta PI Expert. Vytvára delič napätia a prenáša prúd na LED Optocoupler z TL431.
R6 a R7 je jednoduchý delič napätia vypočítaný podľa vzorca TL431 REF napätie = (Vout x R7) / R6 + R7. Referenčné napätie je 2,5 V a Vout je 12V. Výberom hodnoty R6 23,7k sa R7 stala približne 9,09k.
Budovanie spínacieho transformátora pre náš obvod SMPS
Normálne pre obvod SMPS bude potrebný spínací transformátor, tieto transformátory môžu byť obstarané od výrobcov transformátorov na základe vašich konštrukčných požiadaviek. Ale problém tu je, ak sa naučíte stavať prototyp, nenájdete presný transformátor z regálov pre váš návrh. Takže sa budeme učiť, ako vybudovať spínacie transformátor na základe požiadaviek konštrukčných daných našej PI expert softvér.
Pozrime sa na vygenerovaný konštrukčný diagram transformátora.
Ako je uvedené na obrázku vyššie, musíme vykonať 103 závitov jedného drôtu 32 AWG na primárnej strane a 5 závitov dvoch vodičov 25 AWG na sekundárnej strane.
Na vyššie uvedenom obrázku je počiatočný bod vinutia a smer vinutia opísaný ako mechanická schéma. Na výrobu tohto transformátora sú potrebné nasledujúce veci -
- Jadro EE19, NC-2H alebo ekvivalentná špecifikácia a s medzerou pre ALG 79 nH / T 2
- Cievka s 5 ihlami na primárnej a sekundárnej strane.
- Bariérová páska s hrúbkou 1 mil. Vyžaduje sa páska so šírkou 9 mm.
- Spájkovateľný potiahnutý smaltovaný medený drôt 32 AWG.
- 25AWG spájkovateľný potiahnutý smaltovaný medený drôt.
- LCR meter.
Vyžaduje sa jadro EE19 s NC-2H s medzerou s jadrom 79nH / T2; všeobecne je k dispozícii v pároch. Cievka je všeobecná so 4 primárnymi a 5 sekundárnymi ihlami. Tu sa však používa cievka s 5 ihlami na oboch stranách.
Pre bariérovú pásku sa používa štandardná lepiaca páska, ktorá má základnú hrúbku viac ako 1 mil (zvyčajne 2 mil). Počas činností súvisiacich s poklepávaním sa nožnicami strihá páska, aby sa dosiahli dokonalé šírky. Medené drôty sa získavajú zo starých transformátorov a dajú sa kúpiť tiež v miestnych obchodoch. Jadro a cievka, ktoré používam, sú zobrazené nižšie
Krok 1: Pridajte spájku do 1. a 5. kolíka na primárnej strane. Pripojte drôt 32 AWG na kolík 5 a smer navíjania je v smere hodinových ručičiek. Pokračujte až do 103 otáčok, ako je to znázornené nižšie
Toto tvorí primárnu stránku nášho transformátora, akonáhle je dokončených 103 závitov vinutia, môj transformátor vyzeral takto nižšie.
Krok 2: Na izolačné účely naneste lepiacu pásku, sú potrebné 3 otáčky lepiacej pásky. Pomáha tiež udržiavať cievku v polohe.
Krok 3: Spustite sekundárne vinutie od pinov 9 a 10. Sekundárna strana je vyrobená z dvoch prameňov medených smaltovaných drôtov 25AWG. Jeden medený drôt priletujte na pin 9 a ďalší na pin 10. Smer navíjania je opäť v smere hodinových ručičiek. Pokračujte až do 5 závitov a koncovky pripájajte na kolíky 5 a 6. Pridajte izolačnú pásku pomocou lepiacej pásky rovnako ako predtým.
Keď je hotové primárne aj sekundárne vinutie a bola použitá lepiaca páska, môj transformátor vyzeral ako na obrázku nižšie
Krok 4: Teraz môžeme dve jadrá pevne zaistiť pomocou lepiacej pásky. Po dokončení by hotový transformátor mal vyzerať takto.
Krok 5: Nezabudnite tiež omotať lepiacu pásku vedľa seba. Toto zníži vibrácie počas prenosu toku s vysokou hustotou.
Po vykonaní vyššie uvedených krokov je transformátor testovaný pomocou merača LCR, ako je uvedené nižšie. Merač ukazuje 1,125 mH alebo 1125 uh indukčnosti.
Budovanie obvodu SMPS:
Keď je transformátor pripravený, môžeme pokračovať v montáži ďalších komponentov na bodkovanej doske. Podrobnosti o súčiastkach potrebných pre tento obvod nájdete v zozname kusov materiálu nižšie
- Podrobnosti o súčasti kusovníka pre obvod 5V 2A SMPS
Po spájkovaní komponentov vyzerá moja doska asi takto.
Testovanie obvodu 5V 2A SMPS
Na otestovanie obvodu som pripojil vstupnú stranu k sieťovému napájaniu cez VARIAC, aby som ovládal vstupné sieťové napätie. Výstupné napätie pri 85VAC a 230VAC je zobrazené v
Ako vidíte v obidvoch prípadoch, výstupné napätie sa udržuje na 5V. Potom som však pripojil výstup k svojmu rozsahu a skontroloval zvlnenie. Meranie zvlnenia je zobrazené nižšie
Zvlnenie výstupu je dosť vysoké, zobrazuje zvlnenie výstupu 150 mV pk-pk. To pre napájací obvod nie je celkom dobré. Na základe analýzy je vysoké zvlnenie spôsobené nasledujúcimi faktormi
- Nesprávne navrhovanie DPS.
- Otázka odrazu od zeme.
- Chladič DPS je nesprávny.
- Žiadny výrez na hlučných prívodných vedeniach.
- Zvýšené tolerancie transformátora v dôsledku ručného vinutia. Výrobcovia transformátorov nanášajú počas vinutia stroja ponorný lak kvôli lepšej stabilite transformátorov.
Ak je obvod prevedený na správny PCB, môžeme očakávať zvlnený výstup napájacieho zdroja do 50mV pk-pk aj pri ručne vinutom transformátore. Pretože veroboard nie je bezpečnou voľbou na výrobu spínaného napájacieho zdroja v doméne striedavého na jednosmerný prúd, neustále sa navrhuje, aby bola pred použitím obvodov vysokého napätia v praktických scenároch vytvorená správna doska plošných spojov. Na konci tejto stránky môžete skontrolovať video, aby ste skontrolovali výkonnosť obvodu pri podmienkach zaťaženia.
Dúfam, že ste pochopili výukový program a naučili sa, ako zostaviť vlastné obvody SMPS pomocou ručného transformátora. Ak máte nejaké otázky, nechajte ich v sekcii komentárov nižšie alebo použite ďalšie fóra v našom fóre.