Как да проектирам верига за захранване 5v 2a smps

Захранващият блок (PSU) е жизненоважна част от всеки електронен дизайн на продукта. Повечето битови електронни продукти като мобилни зарядни устройства, високоговорители с Bluetooth, банки за захранване, интелигентни часовници и др. В този проект ще изградим подобна верига за захранване с постоянен ток с мощност 10 W. Това е нашата схема, която ще преобразува 220V AC мрежата в 5V и ще осигури максимален изходен ток до 2A. Тази мощност трябва да е достатъчна за захранване на повечето електронни продукти, работещи на 5V. Също така 5V 2A SMPS верига е доста популярна в електрониката, тъй като има много микроконтролери, които работят на 5V.

Идеята на проекта е да направи конструкцията възможно най-опростена, поради което ще проектираме пълната схема върху пунктирана дъска (перфоритна дъска) и ще изградим собствен трансформатор, така че всеки да може да повтори този дизайн или да изгради подобни. Развълнуван вдясно! Така че нека започнем. Преди това сме изградили и 12V 15W SMPS верига, използвайки печатни платки, така че хората, които се интересуват от това как да проектират печатни платки за проект на захранване (захранващ блок), могат да проверят и това.

5V 2A SMPS верига - Спецификации на дизайна

Различните разновидности на захранването се държат по различен начин в различните среди. Също така, SMPS работи в специфични граници вход-изход. Трябва да се направи правилен анализ на спецификацията, преди да се продължи с действителния дизайн.

Спецификация на входа:

Това ще бъде SMPS в домейн за преобразуване AC в DC. Следователно входът ще бъде AC. За стойността на входното напрежение е добре да се използва универсален входен рейтинг за SMPS. По този начин, променливото напрежение ще бъде 85-265VAC с 50Hz номинал. По този начин SMPS може да се използва във всяка страна, независимо от стойността на мрежовото им напрежение.

Спецификация на изхода:

Изходното напрежение е избрано като 5V с 2A от текущата номинална стойност. По този начин ще бъде 10W мощност. Тъй като този SMPS ще осигурява постоянно напрежение, независимо от тока на натоварване, той ще работи в режим CV (постоянно напрежение). Това изходно напрежение от 5V трябва да бъде постоянно и стабилно дори при най-ниското входно напрежение по време на максимално натоварване (2А) през изхода.

Силно желано е доброто захранващо устройство да има пулсационно напрежение по-малко от 30mV pk-pk. Целевото напрежение на пулсации за този SMPS е по-малко от 30mV пиково пулсиране. Тъй като този SMPS ще бъде вграден в veroboard с помощта на ръчно превключващ трансформатор, можем да очакваме малко по-високи стойности на пулсации. Този проблем може да бъде избегнат с помощта на печатни платки.

Защитни характеристики:

Има различни защитни вериги, които могат да се използват в SMPS за безопасна и надеждна работа. Защитната верига защитава SMPS, както и свързаното с това натоварване. В зависимост от типа, защитната верига може да бъде свързана през входа или през изхода.

За този SMPS ще се използва защита от пренапрежение на входа с максимално работно входно напрежение 275VAC. Също така, за да се справим с проблеми с EMI, ще се използва филтър за общ режим за затихване на генерирания EMI. От страната на изхода ще включим защита от късо съединение, защита от пренапрежение, и свръх-токова защита.

Избор на IC за управление на захранването

Всяка SMPS верига изисква IC за управление на захранването, известна също като превключваща IC или SMPS IC или Drier IC. Нека обобщим дизайнерските съображения, за да изберем идеалната интегрална схема за управление на захранването, която ще е подходяща за нашия дизайн. Нашите изисквания за дизайн са

10W мощност. 5V 2A при пълно натоварване.
Универсален входен рейтинг. 85-265VAC при 50Hz
Защита от пренапрежение на входа. Максимално входно напрежение 275VAC.
Изходно късо съединение, защита от пренапрежение и пренапрежение.
Операции с постоянно напрежение.

От горните изисквания има широка гама от интегрални схеми, от които да избирате, но за този проект ние избрахме Power интеграция. Интеграцията на захранването е полупроводникова компания, която разполага с широк спектър от интегрални схеми на драйвери за мощност в различни диапазони на изходна мощност. Въз основа на изискванията и наличността решихме да използваме TNY268PN от малки фамилии Switch II. Преди това използвахме тази интегрална схема за изграждане на 12V SMPS верига на печатни платки.

На горното изображение е показана максималната мощност 15W. Ние обаче ще направим SMPS в отворена рамка и за универсалния входен рейтинг. В такъв сегмент TNY268PN може да осигури 15W мощност. Нека видим диаграмата на щифтовете.

Проектиране на 5v 2Amp SMPS схема

Най-добрият начин за изграждане на схемата за 5V 2A SMPS е използването на PI експертен софтуер за интеграция на Power. Изтеглете софтуера на PI expert и използвайте версията 8.6. Това е отличен софтуер за проектиране на захранване. Показаната по-долу схема е конструирана с помощта на PI експертен софтуер на Power Integration. Ако сте нов в този софтуер, можете да се обърнете към раздела за проектиране на тази 12V SMPS схема, за да разберете как да използвате софтуера.

Преди да преминем направо към изграждането на прототипната част, нека разгледаме схемата на схемата 5v 2A SMPS и нейната работа.

Веригата има следните раздели -

Защита от пренапрежение на входа и SMPS
AC-DC преобразуване
PI филтър
Схема на водача или комутационна верига
Защита от блокиране под напрежение.
Схема на затягане.
Магнетика и галванична изолация.
EMI филтър
Вторичен токоизправител и снубер верига
Филтърна секция
Раздел за обратна връзка.

Защита от пренапрежение на входа и SMPS:

Този раздел се състои от два компонента, F1 и RV1. F1 е 1A 250VAC бавен предпазител, а RV1 е 7 mm 275V MOV (метален оксиден варистор). По време на пренапрежение с високо напрежение (повече от 275VAC), MOV стана кратък и изгасва входния предпазител. Въпреки това, поради функцията за бавен удар, предпазителят издържа на пусков ток през SMPS.

AC-DC преобразуване:

Този участък се управлява от диодния мост. Тези четири диода (вътре в DB107) правят пълен мостов изправител. Диодите са 1N4006, но стандартният 1N4007 може да свърши перфектно работата. В този проект тези четири диода са заменени с пълен мостов изправител DB107.

PI филтър:

Различните състояния имат различен стандарт за отхвърляне на EMI. Този дизайн потвърждава стандарта EN61000-Class 3 и PI филтърът е проектиран по такъв начин, че да намали отхвърлянето на EMI в общия режим. Този раздел е създаден с помощта на C1, C2 и L1. C1 и C2 са кондензатори 400V 18uF. Това е нечетна стойност, така че 22uF 400V е избрано за това приложение. L1 е дросел с общ режим, който приема диференциален EMI сигнал, за да отмени и двете.

Схема на водача или превключваща верига:

Това е сърцето на SMPS. Първичната страна на трансформатора се управлява от комутационната верига TNY268PN. Честотата на превключване е 120-132khz. Поради тази висока честота на превключване могат да се използват по-малки трансформатори. Комутационната верига има два компонента, U1 и C3. U1 е основният драйвер IC TNY268PN. C3 е байпасният кондензатор, който е необходим за работата на нашата интегрална схема.

Защита от блокиране под напрежение:

Защитата срещу блокиране под напрежение се осъществява от сензорния резистор R1 и R2. Използва се, когато SMPS преминава в режим на автоматично рестартиране и усеща напрежението в линията. Стойността на R1 и R2 се генерира чрез инструмента PI Expert. Два последователни резистора са мярка за безопасност и добра практика за избягване на проблеми с резистора. По този начин, вместо 2M, в серията се използват два 1M резистора.

Клемна верига:

D1 и D2 са веригата на скобата. D1 е диодът на TVS, а D2 е ултра бърз диод за възстановяване. Трансформаторът действа на огромен индуктор в силовия драйвер IC TNY268PN. Следователно по време на изключващия цикъл трансформаторът създава пикове с високо напрежение поради индуктивността на изтичане на трансформатора. Тези високочестотни скокове на напрежение се потискат от диодната скоба през трансформатора. UF4007 е избран поради свръхбързото възстановяване и P6KE200A е избран за операция TVS.Съгласно дизайна, целевото напрежение на затягане (VCLAMP) е 200V. Следователно е избран P6KE200A и за свръхбързи проблеми, свързани с блокирането, UF4007 е избран като D2.

Магнетика и галванична изолация:

Трансформаторът е феромагнитен трансформатор и той не само преобразува високо напрежение в променлив ток с ниско напрежение, но също така осигурява галванична изолация.

EMI филтър:

EMI филтрирането се извършва от кондензатора С4. Той увеличава имунитета на веригата, за да намали високите EMI смущения. Това е кондензатор от Y-клас с напрежение 2kV.

Вторичен токоизправител и снубер верига:

Изходът от трансформатора се коригира и преобразува в постоянен ток с помощта на D6, диод на токоизправител на Шотки. Снубер веригата на D6 осигурява потискане на преходното напрежение по време на превключващите операции. Snubber веригата се състои от един резистор и един кондензатор, R3 и C5.

Филтър раздел:

Филтърната секция се състои от филтриращ кондензатор С6. Това е кондензатор с ниско ESR за по-добро отхвърляне на пулсации. Също така, LC филтър, използващ L2 и C7, осигурява по-добро отхвърляне на пулсации в изхода.

Раздел за обратна връзка:

Изходното напрежение се усеща от U3 TL431 и R6 и R7. След засичане на линията, U2, оптрона се управлява и галванично изолира вторичната част на сензора за обратна връзка с основния страничен контролер. Optocoupler има транзистор и LED вътре в него. Чрез управление на светодиода транзисторът се управлява. Тъй като комуникацията се осъществява чрез оптика, тя няма пряка електрическа връзка, поради което удовлетворява и галваничната изолация на веригата за обратна връзка.

Сега, тъй като светодиодът директно управлява транзистора, като осигурява достатъчно пристрастия през светодиода Optocoupler, човек може да контролира транзистора Optocoupler, по-точно верига на драйвера. Тази система за управление се използва от TL431. Шунтов регулатор. Тъй като шунтиращият регулатор има резисторен разделител през референтния щифт, той може да управлява оптодвойника, който е свързан през него. Пинът за обратна връзка има референтно напрежение 2,5V. Следователно TL431 може да бъде активен само ако напрежението на делителя е достатъчно. В нашия случай делителят на напрежението е настроен на стойност 5V. Следователно, когато изходът достигне 5V, TL431 получава 2,5V през референтния щифт и по този начин активира светодиода на оптрона, който контролира транзистора на оптрона и индиректно управлява TNY268PN. Ако напрежението не е достатъчно на изхода, превключващият цикъл незабавно се спира.

Първо, TNY268PN активира първия цикъл на превключване и след това усеща своя EN щифт. Ако всичко е наред, той ще продължи да превключва, ако не, ще опита отново след известно време. Този цикъл продължава, докато всичко се нормализира, като по този начин се предотвратяват проблеми с късо съединение или пренапрежение. Ето защо това се нарича топология на обратното предаване, тъй като изходното напрежение се връща обратно към драйвера за засичане на свързани операции. Също така, опитващият цикъл се нарича режим на хълцане при състояние на повреда.

D3 е бариерен диод на Шотки. Този диод преобразува високочестотния AC изход в DC. 3A 60V Schottky Diode е избран за надеждна работа. R4 и R5 се избират и изчисляват от PI Expert. Той създава делител на напрежението и предава тока към светодиода на оптрона от TL431.

R6 и R7 е прост делител на напрежението, изчислен по формулата TL431 REF напрежение = (Vout x R7) / R6 + R7. Референтното напрежение е 2.5V, а Vout е 12V. Чрез избора на стойността на R6 23.7k, R7 стана приблизително 9.09k.

Изграждане на превключващ трансформатор за нашата SMPS схема

Обикновено за SMPS верига ще се изисква превключващ трансформатор, тези трансформатори могат да бъдат доставени от производителите на трансформатори въз основа на вашите проектни изисквания. Но проблемът тук е, че ако научите неща за изграждане на прототип, не можете да намерите точния трансформатор от рафтовете за вашия дизайн. Така че ще научим как да изградим превключващ трансформатор въз основа на проектните изисквания, дадени от нашия експертен софтуер PI.

Нека да видим генерираната диаграма на конструкцията на трансформатора.

Както посочва горното изображение, трябва да извършим 103 завъртания на единичен 32 AWG проводник от първичната страна и 5 завъртания на два 25 AWG проводника от вторичната страна.

На горното изображение началната точка на намотките и посоката на намотката са описани като механична диаграма. За да се направи този трансформатор, са необходими следните неща -

Сърцевина EE19, NC-2H или еквивалентна спецификация и с пропуск за ALG 79 nH / T ²
Калерче с 5 щифта в първичната и вторичната страна.
Преградна лента с дебелина 1 милиметър. Необходима е лента с широчина 9 мм.
32 AWG леено емайлирана медна тел с покритие.
25AWG леено покритие с емайлирана медна тел.
LCR метър.

Изисква се сърцевина EE19 с NC-2H с междинна сърцевина от 79nH / T2; обикновено се предлага по двойки. Калерчето е родово с 4 първични и 5 вторични щифта. Тук обаче се използва калерчето с 5 щифта от двете страни.

За бариерната лента се използва стандартна тиксо, която има дебелина на основата над 1 mil (обикновено 2 mil). По време на дейностите, свързани с потупването, ножицата се използва за изрязване на лентата за идеални ширини. Медните проводници се набавят от стари трансформатори и могат да бъдат закупени и от местните магазини. Сърцевината и калерчето, които използвам, са показани по-долу

Стъпка 1: Добавете спойка в 1-ви и 5-ти щифт от основната страна. Пояйте проводника 32 AWG на щифт 5 и посоката на навиване е по посока на часовниковата стрелка. Продължете до 103 завоя, както е показано по-долу

Това формира основната страна на нашия трансформатор, след като 103 завъртания на намотката са завършени, трансформаторът ми изглеждаше така по-долу.

Стъпка 2: Нанесете тиксо за изолационни цели, необходими са 3 завъртания на тиксо. Също така помага за поддържане на бобината в положение.

Стъпка 3: Стартирайте вторичната намотка от щифтове 9 и 10. Вторичната страна е направена с помощта на две нишки от 25AWG емайлирани медни проводници. Припойте една медна жица към щифт 9 и друга към щифт 10. Посоката на навиване отново е по посока на часовниковата стрелка. Продължете до 5 оборота и запойте краищата на щифтове 5 и 6. Добавете изолационна лента, като нанесете тиксо, както преди.

След като са направени както първичните, така и вторичните намотки и е използвана тиксото, трансформаторът ми изглеждаше, както е показано по-долу

Стъпка 4: Сега можем да закрепим плътно двете ядра с помощта на тиксо. След като завършим, завършеният трансформатор трябва да изглежда така по-долу.

Стъпка 5: Също така не забравяйте да увиете тиксото една до друга. Това ще намали вибрациите по време на пренос на потоци с висока плътност.

След като се направят горните стъпки и трансформаторът се тества с помощта на LCR метър, както е показано по-долу. Измервателният уред показва индуктивност 1.125 mH или 1125 ъф.

Изграждане на SMPS верига:

След като трансформаторът е готов, можем да пристъпим към сглобяването на останалите компоненти на пунктираната дъска. Детайлите, необходими за веригата, могат да бъдат намерени в списъка с технически документи по-долу

Подробности за BOM част за 5V 2A SMPS верига

След като компонентите са запоени, дъската ми изглежда нещо подобно.

Тестване на 5V 2A SMPS верига

За да тествам веригата, свързах входната страна към мрежовото захранване чрез VARIAC, за да контролирам входното променливо напрежение на мрежата. Изходното напрежение при 85VAC и 230VAC е показано по-долу

Както можете да видите и в двата случая, изходното напрежение се поддържа на 5V. Но след това свързах изхода към моя обхват и проверих за вълни. Измерването на пулсации е показано по-долу

Изходната пулсация е доста висока, показва 150mV pk-pk пулсации. Това напълно не е добре за захранваща верига. Въз основа на анализа, високата пулсация се дължи на факторите по-долу

Неправилно проектиране на печатни платки.
Проблем с подскачане на земята.
Радиаторът на печатни платки е неправилен.
Без изрязване на шумни захранващи линии.
Повишени допуски на трансформатора поради ръчно навиване. Производителите на трансформатори нанасят потапящ лак по време на намотките на машината за по-добра стабилност на трансформаторите.

Ако веригата бъде преобразувана в подходяща печатна платка, можем да очакваме пулсацията на захранването в рамките на 50mV pk-pk, дори с трансформатор за ръчно навиване. И все пак, тъй като veroboard не е безопасна опция за създаване на захранване в режим на превключване в AC към DC домейн, непрекъснато се препоръчва да се създаде подходяща PCB, преди да се приложат схеми за високо напрежение в практически сценарии. Можете да проверите видеоклипа в края на тази страница, за да проверите как веригата работи при условия на натоварване.

Надявам се, че сте разбрали урока и сте се научили как да изградите свои собствени SMPS вериги с ръчно изработен трансформатор. Ако имате въпроси, оставете ги в раздела за коментари по-долу или използвайте форумите ни за повече въпроси.