Návrh napájecího obvodu 12V 1a pomocí viper22a

Spínané napájecí obvody (SMPS) jsou nejčastěji vyžadovány v mnoha elektronických provedeních pro převod střídavého síťového napětí na vhodnou úroveň stejnosměrného napětí pro provoz zařízení. Tento typ měničů AC-DC přijímá jako vstup síťové napětí 230 V / 110 V a převádí jej na nízkoúrovňové stejnosměrné napětí jeho přepínáním, proto se jedná o napájecí zdroj s názvem režimu. Již jsme postavili několik SMPS obvodů dříve, jako je tento 5V 2A SMPS obvod a 12V 1A TNY268 SMPS obvod. Dokonce jsme vytvořili vlastní transformátor SMPS, který by mohl být použit v našich SMPS designech spolu s ovladačem IC. V tomto projektu postavíme další 12V 1A SMPS obvod pomocí VIPer22A, což je populární nízkonákladový IC ovladač SMPS od STMicroelectronics. Tento výukový program vás provede celým okruhem a také vysvětlíjak postavit vlastní transformátor pro obvod VIPER. Zajímavé, pojďme začít.

Specifikace designu napájecího zdroje VIPer22A

Stejně jako v předchozím projektu založeném na SMPS fungují různé druhy napájení v různých prostředích a pracují na konkrétní hranici vstupu a výstupu. Tento SMPS má také specifikaci. Proto je třeba před provedením skutečného návrhu provést řádnou analýzu specifikací.

Specifikace vstupu: Toto bude SMPS v doméně převodu AC na DC. Proto bude vstup AC. V tomto projektu je vstupní napětí pevné. Je to podle evropského standardního jmenovitého napětí. Takže vstupní střídavé napětí tohoto SMPS bude 220-240VAC. Je to také standardní jmenovité napětí v Indii.

Specifikace výstupu: Výstupní napětí je vybráno jako 12V s proudem 1A. Tak to bude 12W výstup. Protože tento SMPS bude poskytovat konstantní napětí bez ohledu na proud zátěže, bude pracovat v režimu CV (Constant Voltage). Také výstupní napětí bude konstantní a stabilní při nejnižším vstupním napětí s maximální zátěží (2 A) na výstupu.

Zvlnění výstupního napětí: Je vysoce žádoucí, aby dobrý napájecí zdroj měl zvlnění napětí menší než 30 mV pk-pk. Cílené zvlnění napětí je pro tento SMPS stejné, méně než 30 mV zvlnění pk-pk. Zvlnění výstupu SMPS je však vysoce závislé na konstrukci SMPS, používá se deska plošných spojů a typ kondenzátoru. Použili jsme nízký ESR kondenzátor s hodnocením 105 stupňů od společnosti Wurth Electronics a očekávané zvlnění výstupu se zdá být níže.

Ochranné obvody: V SMPS lze použít různé ochranné obvody pro bezpečný a spolehlivý provoz. Ochranný obvod chrání SMPS i související zátěž. V závislosti na typu může být ochranný obvod připojen přes vstup nebo přes výstup. U tohoto SMPS bude použita vstupní přepěťová ochrana s maximálním provozním vstupním napětím 275 VAC. K řešení problémů s EMI se také použije filtr běžného režimu pro vyprázdnění generovaného EMI. Na straně výstupu budeme zahrnovat ochranu proti zkratu, přepěťovou ochranu a nadproudovou ochranu.

Výběr IC ovladače SMPS

Každý obvod SMPS vyžaduje integrovaný obvod pro správu napájení, známý také jako přepínací integrovaný obvod nebo integrovaný obvod SMPS nebo integrovaný obvod sušiče. Shrňme úvahy o návrhu, abychom vybrali ideální IC pro správu napájení, který bude vhodný pro náš design. Naše požadavky na design jsou

1. 12W výkon. 12V 1A při plném zatížení.
2. Hodnocení evropského standardu. 85-265VAC při 50Hz
3. Vstupní přepěťová ochrana. Maximální vstupní napětí 275VAC.
4. Ochrana proti zkratu, přepětí a nadproudu.
5. Operace s konstantním napětím.

Z výše uvedených požadavků je na výběr široká škála integrovaných obvodů, ale pro tento projekt jsme vybrali napájecí ovladač VIPer22A od společnosti STMicroelectronics. Jedná se o velmi levný IC ovladač napájení od STMicroelectronics.

Na obrázku výše je zobrazen typický výkon VIPer22A IC. Neexistuje však žádná specifikovaná část pro specifikaci výstupního výkonu typu open frame nebo adaptéru. Vyrobíme SMPS v otevřeném rámci a pro evropské vstupní hodnocení. V takovém segmentu by VIPer22A mohl poskytovat 20W výkon. Použijeme to pro 12W výstup. VIPer22A IC pinů je uvedeno v obrázku níže.

Návrh napájecího obvodu VIPer22APower

Nejlepším způsobem, jak vytvořit obvod, je použití softwaru Power Supply Design. Můžete si stáhnout VIPer Design Software verze 2.24, abyste mohli používat VIPer22A, nejnovější verze tohoto softwaru již VIPer22A nepodporuje. Je to vynikající software pro návrh napájení od STMicroelectronics. Poskytnutím informací o požadavcích na design lze vygenerovat kompletní schéma zapojení napájecího zdroje. Obvod VIPer22A pro tento projekt generovaný softwarem je uveden níže

Než se pustíme přímo do stavby prototypové části, pojďme prozkoumat obvodovou operaci. Okruh má následující části -

1. Ochrana proti přepětí a poruchám SMPS
2. Vstupní filtr
3. Převod AC-DC
4. Obvody řidiče nebo spínací obvod
5. Upínací obvod.
6. Magnetické a galvanické oddělení.
7. EMI filtr
8. Sekundární usměrňovač
9. Sekce filtru
10. Sekce zpětné vazby.

Ochrana proti přepětí a poruchám SMPS.

Tato část se skládá ze dvou komponent, F1 a RV1. F1 je 1A 250VAC pomalá pojistka a RV1 je 7mm 275V MOV (kovový oxidový varistor). Během vysokonapěťového rázu (více než 275 VAC) došlo k zkratu zařízení MOV a přepálení vstupní pojistky. Díky funkci pomalého úderu však pojistka odolává zapínacímu proudu přes SMPS.

Vstupní filtr

Kondenzátor C3 je kondenzátor síťového filtru 250 V stř. Jedná se o kondenzátor typu X podobný tomu, který jsme použili v našem návrhu obvodu bez napájecího transformátoru.

Převod AC-DC.

Převod AC DC se provádí pomocí diody usměrňovače s plným můstkem DB107. Jedná se o usměrňovací diodu s jmenovitým proudem 1 000 V 1 A. Filtrace se provádí pomocí kondenzátoru 22uF 400V. Během tohoto prototypu jsme však použili velmi velkou hodnotu kondenzátoru. Místo 22uF jsme použili kondenzátor 82uF kvůli dostupnosti kondenzátoru. Takový vysoce hodnotný kondenzátor není pro provoz obvodu vyžadován. 22uF 400V je dostatečné pro výkon 12W.

Obvody řidiče nebo spínací obvod.

VIPer22A vyžaduje energii z předpětí vinutí transformátoru. Po získání zkreslení napětí začne VIPer přepínat transformátor pomocí vestavěného vysokonapěťového mosfetu. D3 se používá pro převod výstupu střídavého zkreslení na stejnosměrný proud a rezistor R1, 10 Ohm se používá pro řízení zapínacího proudu. Filtrační kondenzátor je 4,7uF 50V pro vyhlazení zvlnění stejnosměrného proudu.

Upínací obvod

Transformátor působí velkým induktorem napříč výkonovým budičem IC VIPer22. Během vypínacího cyklu proto transformátor vytváří vysokonapěťové špičky v důsledku indukčnosti úniku transformátoru. Tyto vysokofrekvenční napěťové špičky jsou škodlivé pro IC výkonového ovladače a mohou způsobit poruchu spínacího obvodu. To tedy musí být potlačeno diodovou svorkou přes transformátor. D1 a D2 se používají pro klešťový obvod. D1 je dioda TVS a D2 je ultrarychlá dioda pro obnovení. D1 se používá k sevření napětí, zatímco D2 se používá jako blokovací dioda. Podle konstrukce je cílové upínací napětí (VCLAMP) 200 V. Proto P6KE200A je vybrána a pro ultrarychlé problémy související s blokováním je vybrána UF4007 jako D2.

Magnetické a galvanické oddělení.

Transformátor je feromagnetický transformátor, který nejen převádí vysokonapěťový střídavý proud na nízkonapěťový střídavý proud, ale také zajišťuje galvanické oddělení. Má tři vinutí. Primární, pomocné nebo zkreslené vinutí a sekundární vinutí.

EMI filtr.

Filtrování EMI se provádí kondenzátorem C4. Zvyšuje imunitu obvodu a snižuje vysoké rušení EMI. Jedná se o kondenzátor třídy Y s napětím 2 kV.

Sekundární usměrňovač a tlumicí obvod.

Výstup z transformátoru je usměrněn a převeden na DC pomocí D6, Schottkyho usměrňovací diody. Protože výstupní proud je 2A, je pro tento účel zvolena dioda 3A 60V. SB360 je 3A 60V Schottkyho dioda.

Sekce filtru.

C6 je filtrační kondenzátor. Jedná se o kondenzátor s nízkým ESR pro lepší potlačení zvlnění. Používá se také LC post-filter, kde L2 a C7 poskytují lepší potlačení zvlnění napříč výstupem.

Sekce zpětné vazby.

Výstupní napětí je snímáno U3 TL431 a R6 a R7. Po snímání vedení, U2, je optočlen řízen a galvanicky odděluje část snímající sekundární zpětnou vazbu od ovladače na primární straně. PC817 je Optocoupler. Má dvě strany, tranzistor a uvnitř LED. Ovládáním LED se ovládá tranzistor. Protože se komunikace provádí opticky, nemá žádné přímé elektrické spojení, a proto uspokojuje také galvanické oddělení na zpětnovazebním obvodu.

Nyní, když dioda LED přímo ovládá tranzistor, poskytuje dostatečné zkreslení přes diodu Optocoupler, takže lze ovládat tranzistor Optocoupler, konkrétněji budicí obvod. Tento řídicí systém využívá TL431. Regulátor bočníku. Protože směšovač má přes svůj referenční kolík odporový dělič, může ovládat LED optočlen, který je přes něj připojen. Pin zpětné vazby má referenční napětí 2,5V. Proto může být TL431 aktivní, pouze pokud je napětí na děliči dostatečné. V našem případě je dělič napětí nastaven na hodnotu 5V. Proto když výstup dosáhne 5 V, dostane TL431 přes referenční kolík 2,5 V a aktivuje tak LED diodu optočlenu, která ovládá tranzistor optočlenu a nepřímo řídí TNY268PN. Pokud napětí na výstupu není dostatečné, je spínací cyklus okamžitě pozastaven.

Nejprve TNY268PN aktivuje první cyklus přepínání a poté snímá svůj pin EN. Pokud je vše v pořádku, bude v přepínání pokračovat, pokud ne, zkusí to po nějaké době ještě jednou. Tato smyčka pokračuje, dokud není vše normální, čímž se zabrání problémům se zkratem nebo přepětím. Proto se tomu říká flyback topologie, protože výstupní napětí je přivedeno zpět k ovladači pro snímání souvisejících operací. Zkušební smyčka se také nazývá škytavkový režim provozu při poruchovém stavu.

Konstrukce spínacího transformátoru pro obvod VIPER22ASMPS

Podívejme se na vygenerovaný diagram konstrukce transformátoru. Tento diagram je získán ze softwaru pro návrh napájecího zdroje, o kterém jsme hovořili dříve.

Jádro je E25 / 13/7 se vzduchovou mezerou 0,36 mm. Primární indukčnost je 1 mH. Pro konstrukci tohoto transformátoru jsou zapotřebí následující věci. Pokud jste v konstrukci transformátorů nováčkem, přečtěte si článek o tom, jak vytvořit vlastní transformátor SMPS.

1. Polyesterová páska
2. Páry jader E25 / 13/7 se vzduchovou mezerou 0,36 mm.
3. Měděný drát 30 AWG
4. 43 AWG měděný drát (Použili jsme 36 AWG kvůli nedostupnosti)
5. 23 AWG (pro tento jsme použili také 36 AWG)
6. Horizontální nebo vertikální cívka (použili jsme horizontální cívku)
7. Pero pro držení cívky během navíjení.

Krok 1: Držte jádro pomocí pera, začněte měděným drátem 30 AWG od špendlíku 3 cívky a pokračujte 133 otáčkami ve směru hodinových ručiček ke špendlíku 1. Naneste 3 vrstvy polyesterové pásky.

Krok 2: Spusťte vinutí Bias pomocí měděného drátu 43 AWG z kolíku 4 a pokračujte do 31 otáček a ukončete vinutí na kolíku 5. Naneste 3 vrstvy polyesterové pásky.

Spusťte vinutí Bias pomocí měděného drátu 43 AWG z kolíku 4 a pokračujte do 31 otáček a ukončete vinutí na kolíku 5. Naneste 3 vrstvy polyesterové pásky.

Krok 3: Spusťte sekundární vinutí z kolíku 10 a pokračujte ve vinutí 21 otáček ve směru hodinových ručiček. Naneste 4 vrstvy polyesterové pásky.

Krok 4: Zajistěte jádro s mezerou ovinutím lepicí páskou vedle sebe. Tím se sníží vibrace během přenosu toku s vysokou hustotou.

Jakmile je sestavení hotové, transformátor je testován pomocí LCR měřiče pro měření hodnoty indukčnosti cívek. Měřič ukazuje 913 mH, což je blízko k primární indukčnosti 1 mH.

Budování obvodu SMPS VIPer22A:

S ověřeným hodnocením transformátoru můžeme pokračovat v pájení všech komponent na desce Vero, jak je uvedeno v schématu zapojení. Moje deska po dokončení úlohy pájení vypadala takto níže

Testování obvodu VIPer22A pro 12V 1A SMPS:

Abych otestoval obvod, připojil jsem vstupní stranu k síťovému napájení přes VARIAC pro ovládání vstupního střídavého síťového napětí. Na následujícím obrázku je zobrazeno výstupní napětí při 225 V stř.

Jak vidíte na výstupní straně, dostaneme 12,12 V, což je blízké požadovanému výstupnímu napětí 12 V. Celá práce je zobrazena ve videu připojeném ve spodní části této stránky. Doufám, že jste pochopili výukový program a naučili se, jak vytvořit vlastní obvody SMPS pomocí ručně vyrobeného transformátoru. Pokud máte nějaké dotazy, nechte je v sekci komentářů níže.