- 5V 2A SMPS áramkör - Tervezési specifikációk
- Az energiagazdálkodási IC kiválasztása
- Az 5v 2Amp SMPS áramkör megtervezése
- Kapcsoló transzformátor építése SMPS áramkörünkhöz
- Az SMPS áramkör kiépítése:
- Az 5V 2A SMPS áramkör tesztelése
A tápegység (PSU) elengedhetetlen része minden elektronikus terméktervezésnek. A legtöbb háztartási elektronikai termékhez, például a mobil töltőkhöz, a Bluetooth hangszórókhoz, a bankokhoz, az intelligens órákhoz stb. Szükség van egy tápfeszültség-áramkörre, amely a váltóáramú hálózati tápfeszültséget 5 V DC-re alakíthatja át. Ebben a projektben hasonló AC és DC egyenáramú áramkört építünk, 10 W névleges teljesítmény mellett. Ez az áramkörünk átalakítja a 220 V váltóáramú hálózatot 5 V-ra, és maximális kimeneti áramot biztosít 2 A-ig. Ennek a teljesítményértéknek elegendőnek kell lennie a legtöbb 5 V-on működő elektronikus termék táplálásához. Az 5V 2A SMPS áramkör is nagyon népszerű az elektronikában, mivel sok mikrovezérlő működik, amelyek 5V-on működnek.
A projekt ötlete az, hogy az összeállítás a lehető legegyszerűbb legyen, ezért a teljes áramkört pontozott táblán (perf táblán) tervezzük, és saját transzformátort is építünk, hogy bárki megismételhesse ezt a tervet, vagy hasonlóakat építsen. Izgatott Jobb! Tehát kezdjük. Korábban egy 12 V-os 15 W-os SMPS áramkört is építettünk egy NYÁK segítségével, így azok is ellenőrizhetik azokat, akik érdeklődnek a PCB-k tervezése iránt egy PSU-projekt (tápegység) számára.
5V 2A SMPS áramkör - Tervezési specifikációk
Az áramellátás különböző fajtái eltérő módon viselkednek a különböző környezetekben. Az SMPS meghatározott bemeneti-kimeneti határokban is működik. Megfelelő specifikáció-elemzést kell végezni, mielőtt folytatnánk a tényleges tervezést.
Bemeneti specifikáció:
Ez SMPS lesz AC-DC átalakító tartományban. Ezért a bemenet váltóáramú lesz. A bemeneti feszültség értékéhez jó az univerzális bemeneti besorolást használni az SMPS számára. Így az AC feszültség 85-265VAC lesz 50Hz névleges értékkel. Így az SMPS bármely országban használható, a hálózati feszültség értékétől függetlenül.
Kimeneti specifikáció:
A kimeneti feszültség értéke 5V, az aktuális névleges érték 2A. Így 10 W teljesítmény lesz. Mivel ez az SMPS a feszültségtől függetlenül állandó feszültséget biztosít, a CV (állandó feszültség) üzemmódban működik. Ennek az 5 V kimeneti feszültségnek állandónak és állandónak kell lennie a legalacsonyabb bemeneti feszültségnél is, a kimenet teljes maximális terhelése (2A) alatt.
Nagyon kívánatos, hogy egy jó tápegység egység hullámfeszültsége 30 mV pk-pk alatt legyen. Ennek az SMPS-nek a megcélzott hullámfeszültsége kevesebb, mint 30 mV csúcs-csúcs hullámosság. Mivel ezt az SMPS-t veroboardba építik, kézzel készített kapcsoló transzformátorral, ezért a hullámzás valamivel magasabb értékeire számíthatunk. Ez a probléma elkerülhető egy NYÁK használatával.
Védelmi jellemzők:
Különböző védelmi áramkörök használhatók az SMPS-ben a biztonságos és megbízható működés érdekében. A védelmi áramkör védi az SMPS-t és a hozzá tartozó terhelést. A típustól függően a védelmi áramkör csatlakoztatható a bemeneten vagy a kimeneten.
Ehhez az SMPS-hez bemeneti túlfeszültség-védelmet kell használni, amelynek maximális üzemi bemeneti feszültsége 275 VAC. Az EMI-problémák kezeléséhez egy közös módú szűrőt is használnak a létrehozott EMI kitörléséhez. A kimeneti oldalon szerepeltetni fogjuk rövidzárlat védelem, túlfeszültség-védelem, és túláram védelem.
Az energiagazdálkodási IC kiválasztása
Minden SMPS áramkörhez szükséges egy energiagazdálkodási IC, más néven kapcsoló IC vagy SMPS IC vagy szárító IC. Összegezzük a tervezési szempontokat, hogy kiválasszuk az ideális energiagazdálkodási IC-t, amely alkalmas lesz a tervezésünkre. Tervezési követelményeink megfelelnek
- 10W kimenet. 5V 2A teljes terhelés mellett.
- Univerzális bemeneti besorolás. 85-265VAC 50Hz-en
- Bemeneti túlfeszültség-védelem. Maximális bemeneti feszültség 275VAC.
- Kimeneti rövidzárlat, túlfeszültség és túláram elleni védelem.
- Állandó feszültségű műveletek.
A fenti követelmények közül az IC-k széles skálája közül választhatunk, de ehhez a projekthez a Power integrációt választottuk. Az energiaintegráció egy félvezető vállalat, amely az áramvezérlő IC-k széles skálájával rendelkezik, különböző teljesítmény-tartományokban. A követelmények és a rendelkezésre állás alapján úgy döntöttünk, hogy apró, II. Kapcsolócsaládokból származó TNY268PN- t használjuk. Korábban ezt az IC-t használtuk egy 12 V-os SMPS áramkör felépítésére egy NYÁK-ra.
A fenti képen a maximális teljesítmény 15W látható. Az SMPS-t azonban nyitott keretben és az univerzális bemeneti besoroláshoz készítjük. Egy ilyen szegmensben a TNY268PN 15 W-os kimenetet tudna biztosítani. Lássuk a tűdiagramot.
Az 5v 2Amp SMPS áramkör megtervezése
Az 5V 2A SMPS Schematic felépítésének legjobb módja a Power Integráció PI szakértői szoftverének használata. Töltse le a PI szakértői szoftvert, és használja a 8.6 verziót. Kiváló tápegység-tervező szoftver. Az alább látható áramkört a Power Integration PI szakértői szoftverének felhasználásával építik fel. Ha még nem ismeri ezt a szoftvert, akkor tekintse át ennek a 12 V-os SMPS áramkörnek a tervezési szakaszát, hogy megismerje a szoftver használatát.
Mielőtt egyenesen belekezdenénk a prototípus felépítésébe, vizsgáljuk meg az 5v 2A SMPS kapcsolási rajzát és működését.
Az áramkör a következő szakaszokkal rendelkezik:
- Bemeneti túlfeszültség és SMPS hibavédelem
- AC-DC átalakítás
- PI szűrő
- Vezérlő áramkör vagy kapcsoló áramkör
- Feszültség alatti reteszelés elleni védelem.
- Bilincs áramkör.
- Mágnes és galvánszigetelés.
- EMI szűrő
- Másodlagos egyenirányító és snubber áramkör
- Szűrő szakasz
- Visszajelzés szakasz.
Bemeneti túlfeszültség és SMPS hibavédelem:
Ez a szakasz két komponensből áll, az F1 és az RV1. Az F1 egy 1A 250VAC lassú biztosíték, az RV1 pedig egy 7mm 275V MOV (Metal Oxid Varistor). Nagyfeszültség (több mint 275 VAC) túlfeszültség alatt a MOV rövidre záródott, és lefújja a bemeneti biztosítékot. A lassú fújás miatt azonban a biztosíték ellenáll az SMPS-en keresztüli bekapcsolási áramnak.
AC-DC átalakítás:
Ezt a szakaszt a diódahíd szabályozza. Ez a négy dióda (a DB107 belsejében) teljes hidas egyenirányítót készít. A diódák 1N4006, de az 1N4007 szabvány tökéletesen el tudja látni a munkát. Ebben a projektben ezt a négy diódát egy teljes hidas egyenirányítóval, a DB107 helyettesítik.
PI szűrő:
A különböző állapotok eltérő EMI-elutasítási standardokkal rendelkeznek. Ez a kialakítás megerősíti az EN61000 3. osztályú szabványt, és a PI szűrőt úgy tervezték, hogy csökkentse a közös módú EMI elutasítást. Ez a szakasz a C1, C2 és L1 használatával jön létre. A C1 és C2 400 V 18uF kondenzátorok. Ez páratlan érték, ezért 22uF 400V van kiválasztva ehhez az alkalmazáshoz. Az L1 egy általános módú fojtótekercs, amely differenciális EMI jelet igényel mindkettő törléséhez.
Vezérlő áramkör vagy kapcsoló áramkör:
Ez az SMPS szíve. A transzformátor elsődleges oldalát a TNY268PN kapcsoló áramkör vezérli. A kapcsolási frekvencia 120-132 khz. Ennek a magas kapcsolási frekvenciának köszönhetően kisebb transzformátorok is használhatók. A kapcsoló áramkör két komponensű, az U1 és a C3. Az U1 a fő meghajtó IC TNY268PN. A C3 a bypass kondenzátor, amely az illesztőprogram IC működéséhez szükséges.
Feszültség alatti reteszelő védelem:
A feszültség alatti reteszelést az R1 és R2 érzékelő ellenállás végzi. Akkor használják, amikor az SMPS automatikus újraindítási módba lép, és érzékeli a hálózati feszültséget. Az R1 és R2 értékeket a PI Expert eszközzel generálják. Két soros ellenállás biztonsági intézkedés és jó gyakorlat az ellenállás meghibásodásának elkerülésére. Így 2M helyett két 1M ellenállást használnak a sorozatban.
Kapocs áramkör:
D1 és D2 a szorító áramkör. D1 a TVS dióda, a D2 pedig egy rendkívül gyors helyreállítási dióda. A transzformátor hatalmas induktivitást fejt ki a TNY268PN IC meghajtón. Ezért során kikapcsolásával-ciklus, a transzformátor teremt magas feszültség tüskék miatt a szórt induktivitás a transzformátor. Ezeket a nagyfrekvenciás feszültség-csúcsokat a dióda bilincs elnyomja a transzformátoron. Az UF4007 kiválasztása az ultragyors helyreállítás miatt történik, a P6KE200A kiválasztása pedig a TVS működéséhez szükséges. A terv szerint a célzott szorítófeszültség (VCLAMP) 200 V. Ezért a P6KE200A van kiválasztva, és az ultragyors blokkolással kapcsolatos problémák esetén az UF4007 van kiválasztva D2-nek.
Mágnes és galvanikus szigetelés:
A transzformátor ferromágneses transzformátor és nemcsak átalakítja a nagyfeszültségű váltakozó áramot alacsony feszültségű váltakozó áramúvá, hanem galvánikus szigetelést is biztosít.
EMI szűrő:
Az EMI szűrést a C4 kondenzátor végzi. Növeli az áramkör immunitását a magas EMI interferencia csökkentése érdekében. Ez egy Y osztályú kondenzátor, amelynek feszültsége 2kV.
Másodlagos egyenirányító és Snubber áramkör:
A transzformátor kimenetét egyenirányítják és egyenárammá alakítják D6 segítségével, egy Schottky egyenirányító dióda segítségével. A D6-on lévő áramkör biztosítja a tranziens feszültségének elnyomását a kapcsolási műveletek során. A szétválasztó áramkör egy ellenállást és egy kondenzátort, R3 és C5 tartalmaz.
Szűrő szakasz:
A szűrőrész egy C6 szűrőkondenzátorból áll. Alacsony ESR kapacitású kondenzátor a jobb hullámzáselutasításhoz. Ezenkívül az L2 és a C7 LC-szűrője jobb hullámvisszaverést biztosít a kimeneten.
Visszajelzés szakasz:
A kimeneti feszültséget az U3 TL431, valamint az R6 és R7 érzékeli. Miután érzékelte az U2 vonalat, az optocsatolót vezérlik, és galvánilag izolálja a másodlagos visszacsatolás érzékelő részt az elsődleges oldali vezérlővel. Az optocsatolóban tranzisztor és egy LED található. A LED vezérlésével a tranzisztort vezérlik. Mivel a kommunikáció optikailag történik, nincs közvetlen elektromos kapcsolata, így kielégíti a visszacsatoló áramkör galvánszigetelését is.
Most, amikor a LED közvetlenül vezérli a tranzisztort, azáltal, hogy elegendő torzítást biztosít az Optocoupler LED felett, vezérelhető az Optocoupler tranzisztor, pontosabban a meghajtó áramkör. Ezt a vezérlőrendszert használja a TL431. Söntszabályozó. Mivel a söntszabályozó ellenállás-elválasztóval rendelkezik, amely referenciatűvel rendelkezik, vezérelni tudja a rajta összekapcsolt Optocoupler ledet. A visszacsatoló tű referenciafeszültsége 2,5 V. Ezért a TL431 csak akkor lehet aktív, ha az osztón átmenő feszültség elegendő. Esetünkben a feszültségosztót 5 V értékre állítjuk. Ezért, amikor a kimenet eléri az 5 V-ot, a TL431 2,5 V-ot kap a referenciacsapon, és így aktiválja az Optocoupler LED-ét, amely vezérli az Optocoupler tranzisztorát és közvetetten vezérli a TNY268PN-t. Ha a feszültség nem megfelelő a kimeneten, a kapcsolási ciklus azonnal szünetel.
Először a TNY268PN aktiválja az első kapcsolási ciklust, majd érzékeli az EN tűt. Ha minden rendben van, akkor folytatja a váltást, ha nem, akkor valamikor újra megpróbálja. Ez a hurok addig folytatódik, amíg minden normális állapotba nem kerül, megakadályozva ezzel a rövidzárlatot vagy a túlfeszültséget. Ezért hívják flyback topológiának, mivel a kimeneti feszültséget visszavezetik a meghajtóhoz a kapcsolódó műveletek érzékeléséhez. Ezenkívül a próbahurkot csuklási üzemmódnak nevezzük a meghibásodás állapotában.
A D3 egy Schottky gátdióda. Ez a dióda a nagyfrekvenciás váltakozó áramú kimenetet DC-vé alakítja. 3A 60 V-os Schottky-diódát választanak a megbízható működéshez. R4 és R5 kiválasztását és kiszámítását a PI szakértő végzi. Létrehoz egy feszültségosztót és átadja az áramot az Optocoupler LED-nek a TL431-ből.
R6 és R7 egy egyszerű feszültségosztó, amelyet a TL431 REF feszültség = (Vout x R7) / R6 + R7 képlettel számolunk. A referenciafeszültség 2,5 V, a Vout pedig 12 V. Az R6 23,7k értékének kiválasztásával az R7 körülbelül 9,09k lett.
Kapcsoló transzformátor építése SMPS áramkörünkhöz
Az SMPS áramkörökhöz általában kapcsoló transzformátorra lesz szükség, ezeket a transzformátorokat a tervezési követelmények alapján beszerezhetik a transzformátor gyártóktól. De itt az a probléma, hogy ha egy prototípus készítéséhez tanulsz, akkor nem találod meg a pontos transzformátort a polcokon. Tehát megtanuljuk, hogyan kell egy kapcsoló transzformátort építeni a PI szakértői szoftverünk tervezési követelményei alapján.
Lássuk a generált transzformátor felépítési rajzát.
Amint a fenti képen látható, 103 fordulatot kell végrehajtanunk egyetlen 32 AWG vezetékből az elsődleges oldalon és 5 fordulatot két 25 AWG vezetékből a másodlagos oldalon.
A fenti képen a tekercsek kezdőpontját és a tekerés irányát mechanikus diagramként írják le. A transzformátor elkészítéséhez a következő dolgokra van szükség:
- EE19 mag, NC-2H vagy azzal egyenértékű specifikáció és réselt az ALG 79 nH / T 2 esetén
- Orsó 5 csapos az elsődleges és a másodlagos oldalon.
- 1 mill vastagságú gátlószalag. 9 mm széles szalagra van szükség.
- 32 AWG forrasztható bevonatos zománcozott rézhuzal.
- 25AWG forrasztható bevonatos zománcozott rézhuzal.
- LCR mérő.
NC19-HH- val rendelkező EE19 magra van szükség, amelynek magja 79nH / T2; általában párban kapható. Az orsó egy általános, 4 elsődleges és 5 másodlagos tűvel. Itt azonban mindkét oldalon 5 csapos orsót használnak.
A Barrier szalaghoz szokásos ragasztószalagot használnak, amelynek alapvastagsága meghaladja az 1 milliót (általában 2 millió). A csapolással kapcsolatos tevékenységek során ollóval vágják el a szalagot a tökéletes szélesség érdekében. A rézhuzalokat régi transzformátorokból szerzik be, és megvásárolhatók a helyi üzletekben is. Az alábbiakban látható a mag és az orsó, amelyet használok
1. lépés: Adjon hozzá forrasztást az első és az 5. tűhöz az elsődleges oldalon. Forrasztja be a 32 AWG huzalt az 5. érintkezőnél, és a tekerés iránya az óramutató járásával megegyező irányú. Haladjon tovább a 103 kanyarig az alábbiak szerint
Ez képezi transzformátorunk elsődleges oldalát, miután a tekercselés 103 fordulata befejeződött, a transzformátorom az alábbiakban így nézett ki.
2. lépés: Ragasszon ragasztószalagot szigetelés céljából, 3 fordulatos ragasztószalagra van szükség. Ez segít a tekercs helyzetben tartásában is.
3. lépés: Indítsa el a szekunder tekercselést a 9. és 10. csapból. A szekunder oldalt két szál 25AWG zománcozott rézhuzalból készítik. Forrasztjon egy rézhuzalt a 9 csapra, egy másikat pedig a 10 csapra. Folytassa 5 fordulatig, és forrassza be a végeket az 5. és 6. csapon. Adjon hozzá szigetelőszalagot az előzőhöz hasonló ragasztószalag felhordásával.
Miután mind az elsődleges, mind a másodlagos tekercs elkészült, és a ragasztószalagot felhasználták, a transzformátorom az alábbiak szerint nézett ki
4. lépés: Most szorosan rögzíthetjük a két magot ragasztószalaggal. Miután elkészült, az elkészült transzformátornak az alábbiaknak kell kinéznie.
5. lépés: Ügyeljen arra is, hogy a szalagot egymás mellé tekerje. Ez csökkenti a vibrációt a nagy sűrűségű fluxusátadás során.
Miután a fenti lépéseket megtettük, és a transzformátort LCR mérővel teszteltük, az alábbiak szerint. A mérő 1,125 mH vagy 1125 uh induktivitást mutat.
Az SMPS áramkör kiépítése:
Miután a transzformátor készen áll, folytathatjuk a többi alkatrész összeszerelését a pontozott táblán. Az áramkörhöz szükséges detektívek az alábbi anyagjegyzékben találhatók
- BOM részletek az 5V 2A SMPS áramkörhöz
Miután az alkatrészek meg vannak forrasztva, a táblám valami ilyennek tűnik.
Az 5V 2A SMPS áramkör tesztelése
Az áramkör teszteléséhez a bemeneti oldalt VARIAC-on keresztül csatlakoztattam a hálózati tápfeszültséghez a bemeneti váltóáramú hálózati feszültség szabályozása érdekében. A kimeneti feszültség 85 VAC és 230 VAC feszültségen az alábbiakban látható:
Amint mindkét esetben láthatja, a kimeneti feszültséget 5 V-on tartják. De aztán csatlakoztattam a kimenetet a hatókörömhöz, és ellenőriztem a hullámokat. A hullámzás mérése az alábbiakban látható
A kimeneti hullámosság meglehetősen magas, 150 mV pk-pk hullám kimenetet mutat. Ez egyáltalán nem jó egy áramellátó áramkör számára. Az elemzés alapján a magas hullámzás az alábbi tényezőknek köszönhető:
- Helytelen PCB tervezés.
- Földi pattogó kérdés.
- A NYÁK hűtőbordája nem megfelelő.
- Nincs kivágás a zajos tápvezetékeken.
- Megnövelt tűrések a transzformátoron a kézi tekercselés miatt. A transzformátorgyártók márkás lakkot alkalmaznak a gép tekercselése során a transzformátorok jobb stabilitása érdekében.
Ha az áramkört megfelelő NYÁK-kká alakítják, akkor a kézi tekercselésű transzformátorral is számíthatunk az áramforrás hullámosságára 50 mV pk-pk-n belül. Mégis, mivel a veroboard nem biztonságos megoldás a váltóáramú tápellátás váltakozóáramú és egyenáramú tartományban történő fejlesztésére, folyamatosan javasoljuk, hogy a nagyfeszültségű áramkörök gyakorlati forgatókönyvek alkalmazása előtt megfelelő PCB-t kell létrehozni. Az oldal végén található videót ellenőrizheti, hogy az áramkör hogyan teljesít terhelési körülmények között.
Remélem, megértette az oktatóanyagot, és megtanulta, hogyan kell saját SMPS áramköröket készíteni egy kézzel készített transzformátorral. Ha bármilyen kérdése van, hagyja őket az alábbi megjegyzés részben, vagy további kérdésekhez használja fórumunkat.