Jak navrhnout napájecí obvod 5v 2a smps

Napájecí jednotka (PSU) je důležitou součástí každého designu elektronického produktu. Většina domácích elektronických výrobků, jako jsou mobilní nabíječky, reproduktory Bluetooth, napájecí banky, chytré hodinky atd., Vyžaduje pro jejich provoz obvod napájecího zdroje, který by mohl převést síťové napájení na 5V DC. V tomto projektu postavíme podobný napájecí obvod střídavého a stejnosměrného proudu s výkonem 10 W. To je náš obvod, který převede síť 220V AC na 5V a poskytne maximální výstupní proud až 2A. Tento jmenovitý výkon by měl stačit k napájení většiny elektronických výrobků pracujících na 5 V. Také obvod 5V 2A SMPS je v elektronice docela populární, protože existuje spousta mikrokontrolérů, které pracují na 5V.

Myšlenkou projektu je udržet sestavení co nejjednodušší, proto navrhneme celý obvod přes tečkovanou desku (perf desku) a také postavíme vlastní transformátor, aby kdokoli mohl tento návrh replikovat nebo vytvořit podobné. Nadšený správně! Pojďme tedy začít. Dříve jsme také postavili 12V 15W SMPS obvod pomocí PCB, takže lidé, kteří se zajímají o to, jak navrhnout PCB pro projekt PSU (napájecí jednotka), to mohou také zkontrolovat.

5V 2A SMPS obvod - konstrukční specifikace

Různé druhy napájení se chovají odlišně v různých prostředích. SMPS také pracuje ve specifických hranicích vstupů a výstupů. Před pokračováním se skutečným návrhem je třeba provést správnou analýzu specifikací.

Specifikace vstupu:

Bude to SMPS v doméně převodu AC na DC. Proto bude vstup AC. Pro hodnotu vstupního napětí je dobré použít univerzální vstupní hodnocení pro SMPS. Střídavé napětí tedy bude 85-265VAC s hodnocením 50Hz. Tímto způsobem lze SMPS použít v jakékoli zemi bez ohledu na hodnotu jeho střídavého síťového napětí.

Specifikace výstupu:

Výstupní napětí je vybráno jako 5V s 2A jmenovitého proudu. Tak to bude 10W výstup. Protože tento SMPS bude poskytovat konstantní napětí bez ohledu na proud zátěže, bude pracovat v režimu CV (Constant Voltage). Toto výstupní napětí 5 V by mělo být konstantní a stabilní i při nejnižším vstupním napětí během maximálního zatížení (2 A) na výstupu.

Je velmi žádoucí, aby dobrá napájecí jednotka měla zvlněné napětí menší než 30 mV pk-pk. Cílové zvlnění napětí pro tento SMPS je menší než 30mV špičkové zvlnění. Vzhledem k tomu, že tento SMPS bude postaven na veroboardu pomocí ručně vyráběného přepínacího transformátoru, můžeme očekávat mírně vyšší hodnoty zvlnění. Tomuto problému lze zabránit použitím desky plošných spojů.

Ochranné funkce:

Pro bezpečný a spolehlivý provoz lze v SMPS použít různé ochranné obvody. 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 řízení spotřeby

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

10W výkon. 5 V 2 A při plném zatížení.
Univerzální vstupní hodnocení. 85-265VAC při 50Hz
Vstupní přepěťová ochrana. Maximální vstupní napětí 275VAC.
Ochrana proti zkratu, přepětí a nadproudu.
Operace s konstantním napětím.

Z výše uvedených požadavků je na výběr široká škála integrovaných obvodů, ale pro tento projekt jsme vybrali integraci napájení. Power integration je polovodičová společnost, která má širokou škálu integrovaných obvodů výkonových ovladačů v různých výkonových rozsazích. Na základě požadavků a dostupnosti jsme se rozhodli použít TNY268PN z malých rodin přepínačů II. Tento integrovaný obvod jsme dříve použili k vytvoření obvodu 12V SMPS na desce plošných spojů.

Na výše uvedeném obrázku je zobrazen maximální výkon 15 W. Uděláme však SMPS v otevřeném rámci a pro univerzální vstupní hodnocení. V takovém segmentu by TNY268PN mohl poskytovat výkon 15 W. Uvidíme pinový diagram.

Návrh 5v 2Amp SMPS obvodu

Nejlepším způsobem, jak vytvořit schéma 5V 2A SMPS, je použití softwaru PI expert pro integraci Power. Stáhněte si software PI expert a použijte verzi 8.6. Je to vynikající software pro návrh napájení. Níže zobrazený obvod je konstruován pomocí softwaru PI expert společnosti Power Integration. Pokud jste v tomto softwaru nováčkem, můžete se seznámit s částí softwaru tohoto obvodu 12V SMPS, jak tento software používat.

Než se pustíme přímo do stavby prototypové části, prozkoumejme schéma zapojení 5v 2A SMPS a jeho fungování.

Okruh má následující části -

Ochrana proti přepětí a poruchám SMPS
Převod AC-DC
PI filtr
Obvody řidiče nebo spínací obvod
Ochrana proti podpětí.
Upínací obvod.
Magnetické a galvanické oddělení.
EMI filtr
Sekundární usměrňovač a tlumicí obvod
Sekce filtru
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.

Převod AC-DC:

Tato část se řídí diodovým můstkem. Tyto čtyři diody (uvnitř DB107) tvoří plný můstkový usměrňovač. Diody jsou 1N4006, ale standardní 1N4007 to zvládne perfektně. V tomto projektu jsou tyto čtyři diody nahrazeny plným můstkovým usměrňovačem DB107.

PI filtr:

Různé státy mají odlišný standard odmítnutí EMI. Tento design potvrzuje normu EN61000 třídy 3 a PI filtr je navržen tak, aby omezil odmítnutí EMI v běžném režimu. Tato část je vytvořena pomocí C1, C2 a L1. C1 a C2 jsou kondenzátory 400V 18uF. Jedná se o lichou hodnotu, takže pro tuto aplikaci je vybráno 22uF 400V. L1 je tlumivka v běžném režimu, která bere diferenciální signál EMI, aby zrušila obě.

Obvody řidiče nebo spínací obvod:

Je srdcem SMPS. Primární strana transformátoru je řízena spínacím obvodem TNY268PN. Spínací frekvence je 120-132khz. Díky této vysoké spínací frekvenci lze použít menší transformátory. Spínací obvod má dvě složky, U1 a C3. U1 je hlavní ovladač IC TNY268PN. C3 je obtokový kondenzátor, který je potřebný pro práci našeho ovladače IC.

Ochrana proti podpětí:

Ochrana proti podpětí je zajištěna snímacím rezistorem R1 a R2. Používá se, když SMPS přejde do režimu automatického restartu a snímá síťové napětí. Hodnota R1 a R2 je generována pomocí nástroje PI Expert. Dva odpory v sérii jsou bezpečnostním opatřením a dobrým postupem, aby se předešlo problémům s selháním rezistoru. Místo série 2M se tedy v sérii používají dva rezistory 1M.

Upínací obvod:

D1 a D2 jsou klešťový obvod. D1 je dioda TVS a D2 je ultrarychlá dioda pro obnovení. Transformátor působí velkým induktorem napříč výkonovým budičem IC TNY268PN. Proto během vypínacího cyklu transformátor vytváří vysokonapěťové špičky v důsledku indukčnosti úniku transformátoru. Tyto vysokofrekvenční napěťové špičky jsou potlačeny diodovou svorkou přes transformátor. UF4007 je vybrán z důvodu ultrarychlé obnovy a P6KE200A je vybrán pro provoz TVS. Podle návrhu je cílové upínací napětí (VCLAMP) 200V. Proto je vybrán P6KE200A a pro ultrarychlé problémy související s blokováním je vybrán 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.

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 obvod tlumiče:

Výstup z transformátoru je usměrněn a převeden na DC pomocí D6, Schottkyho usměrňovací diody. Tlumící obvod přes D6 zajišťuje potlačení přechodového napětí během spínacích operací. Odrušovací obvod se skládá z jednoho odporu a jednoho kondenzátoru, R3 a C5.

Sekce filtru:

Sekce filtru se skládá z filtračního kondenzátoru C6. Jedná se o kondenzátor s nízkým ESR pro lepší potlačení zvlnění. LC filtr využívající L2 a C7 také poskytuje 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. Optočlen má uvnitř tranzistor a 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 se vše nestane normálním, čímž 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.

D3 je Schottkyho bariérová dioda. Tato dioda převádí vysokofrekvenční střídavý výstup na stejnosměrný. Pro spolehlivý provoz je vybrána 3A 60V Schottkyho dioda. R4 a R5 vybere a vypočítá PI Expert. Vytvoří dělič napětí a předá proud do LED Optocoupler z TL431.

R6 a R7 je jednoduchý dělič napětí vypočítaný podle vzorce TL431 REF napětí = (Vout x R7) / R6 + R7. Referenční napětí je 2,5 V a Vout je 12V. Výběrem hodnoty R6 23,7k se R7 stal přibližně 9,09k.

Budování spínacího transformátoru pro náš obvod SMPS

Normálně je pro obvod SMPS vyžadován spínací transformátor, tyto transformátory lze pořídit od výrobců transformátorů na základě vašich konstrukčních požadavků. Ale problém zde je, pokud se naučíte stavět prototyp, nemůžete najít přesný transformátor z regálů pro váš design. Naučíme se tedy, jak sestavit spínací transformátor na základě konstrukčních požadavků daných naším odborným softwarem PI.

Podívejme se na vygenerovaný diagram konstrukce transformátoru.

Jak ukazuje výše uvedený obrázek, musíme provést 103 otáček jednoho drátu 32 AWG na primární straně a 5 otáček dvou vodičů 25 AWG na sekundární straně.

Na výše uvedeném obrázku je počáteční bod vinutí a směr vinutí popsán jako mechanické schéma. K výrobě tohoto transformátoru jsou potřeba následující věci -

Jádro EE19, NC-2H nebo ekvivalentní specifikace a s mezerou pro ALG 79 nH / T ²
Cívka s 5 kolíky na primární a sekundární straně.
Bariérová páska o tloušťce 1 mil. Je vyžadována páska o šířce 9 mm.
32 AWG pájitelný potažený smaltovaný měděný drát.
25AWG pájitelný potažený smaltovaný měděný drát.
LCR metr.

Je vyžadováno jádro EE19 s NC-2H s mezerou jádra 79nH / T2; obecně je k dispozici ve dvojicích. Cívka je obecná se 4 primárními a 5 sekundárními čepy. Zde se však používá cívka s 5 kolíky na obou stranách.

Pro bariérovou pásku se používá standardní lepicí páska, která má základní tloušťku více než 1 mil (obvykle 2 mil). Během činností souvisejících s poklepáním se nůžky používají k oříznutí pásky pro dosažení dokonalé šířky. Měděné dráty se nakupují ze starých transformátorů a lze je zakoupit také v místních obchodech. Jádro a cívka, které používám, jsou uvedeny níže

Krok 1: Přidejte pájku do 1. a 5. kolíku na primární straně. Pájejte vodič 32 AWG na kolíku 5 a směr vinutí je ve směru hodinových ručiček. Pokračujte až do 103 zatáček, jak je znázorněno níže

Toto tvoří primární stranu našeho transformátoru, jakmile je dokončeno 103 závitů vinutí, můj transformátor vypadal níže.

Krok 2: Naneste lepicí pásku pro izolační účely, jsou zapotřebí 3 otáčky lepicí pásky. Pomáhá také udržovat cívku v poloze.

Krok 3: Spusťte sekundární vinutí z pinů 9 a 10. Sekundární strana je vyrobena ze dvou pramenů smaltovaných měděných vodičů 25AWG. Pájejte jeden měděný vodič na kolík 9 a další na kolík 10. Směr vinutí je opět ve směru hodinových ručiček. Pokračujte až do 5 otáček a připájejte konce na kolíky 5 a 6. Přidejte izolační pásku pomocí lepicí pásky stejné jako dříve.

Jakmile je primární i sekundární vinutí hotové a byla použita lepicí páska, můj transformátor vypadal, jak je znázorněno níže

Krok 4: Nyní můžeme pevně zajistit dvě jádra pomocí lepicí pásky. Hotový transformátor by měl po dokončení vypadat níže.

Krok 5: Nezapomeňte také omotat lepicí pásku vedle sebe. Tím se sníží vibrace během přenosu toku s vysokou hustotou.

Po provedení výše uvedených kroků je transformátor testován pomocí měřiče LCR, jak je uvedeno níže. Měřič ukazuje 1,125 mH nebo 1125 uh indukčnosti.

Budování obvodu SMPS:

Jakmile je transformátor připraven, můžeme pokračovat v sestavování dalších komponent na tečkované desce. Podrobnosti o součástech požadovaných pro obvod najdete v níže uvedeném seznamu kusovníku

Podrobnosti o kusovníku pro obvod 5V 2A SMPS

Jakmile jsou komponenty připájeny, vypadá moje deska asi takto.

Testování obvodu 5V 2A SMPS

Abych otestoval obvod, připojil jsem vstupní stranu k síťovému napájení přes VARIAC pro ovládání vstupního střídavého síťového napětí. Výstupní napětí při 85VAC a 230VAC je uvedeno níže -

Jak vidíte v obou případech, výstupní napětí je udržováno na 5V. Ale pak jsem připojil výstup k mému rozsahu a zkontroloval zvlnění. Měření zvlnění je uvedeno níže

Zvlnění výstupu je poměrně vysoké, ukazuje zvlnění výstupu 150 mV pk-pk. To pro napájecí obvod zcela není dobré. Na základě analýzy je vysoké zvlnění způsobeno níže uvedenými faktory -

Nesprávné navrhování desek plošných spojů.
Problém odrazu od země.
Chladič desky s plošnými spoji je nesprávný.
Žádný výřez na hlučných přívodních vedeních.
Zvýšené tolerance transformátoru v důsledku ručního navíjení. Výrobci transformátorů nanášejí během vinutí stroje dipový lak pro lepší stabilitu transformátorů.

Pokud je obvod převeden na správnou desku plošných spojů, můžeme očekávat zvlněný výkon napájecího zdroje v rozmezí 50 mV pk-pk i při ručně vinutém transformátoru. Přestože veroboard není bezpečnou volbou pro výrobu spínaného napájecího zdroje v doméně střídavého proudu na stejnosměrný proud, neustále se navrhuje, aby byla před použitím obvodů vysokého napětí v praktických scénářích vytvořena správná deska plošných spojů. Můžete zkontrolovat video na konci této stránky a zkontrolovat, jak obvod funguje za podmínek zatížení.

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 nebo použijte naše fóra pro další dotazy.