Kako oblikovati napajalno vezje 5v 2a smps

Napajalna enota (PSU) je bistvenega pomena pri vsakem oblikovanju elektronskih izdelkov. Večina gospodinjskih elektronskih izdelkov, kot so mobilni polnilniki, zvočniki Bluetooth, napajalniki, pametne ure itd., Zahteva napajalno vezje, ki lahko pretvori izmenično napajanje v 5V enosmernega toka. V tem projektu bomo zgradili podobno vezje izmeničnega in enosmernega napajanja z nazivno močjo 10 W. To je naše vezje, ki bo 220V AC omrežje pretvorilo v 5V in zagotovilo največji izhodni tok do 2A. Ta moč mora biti dovolj za napajanje večine elektronskih izdelkov, ki delujejo na 5V. Tudi 5V 2A SMPS vezje je zelo priljubljeno v elektroniki, saj obstaja veliko mikrokrmilnikov, ki delujejo na 5V.

Ideja projekta je, da je gradnja čim bolj enostavna, zato bomo zasnovali celotno vezje prek črtkane plošče (perf board) in izdelali bomo tudi svoj lastni transformator, da bo lahko kdo ponovil to zasnovo ali izdelal podobne. Navdušen prav! Začnimo torej. Prej smo zgradili tudi 12V 15W SMPS vezje z uporabo PCB-ja, tako da lahko ljudje, ki jih zanima, kako načrtovati PCB za projekt PSU (napajalna enota), to tudi preverijo.

5V 2A SMPS vezje - konstrukcijske specifikacije

Različne vrste napajalnikov se v različnih okoljih obnašajo različno. SMPS deluje tudi v določenih mejah vhodno-izhodnih podatkov. Pred nadaljevanjem dejanske zasnove je treba opraviti ustrezno analizo specifikacij.

Specifikacija vhoda:

To bo SMPS v pretvorbeni enoti AC v DC. Zato bo vhod AC. Za vrednost vhodne napetosti je dobro uporabiti univerzalno vhodno vrednost za SMPS. Tako bo izmenična napetost 85-265VAC z nazivno močjo 50Hz. Tako lahko SMPS uporabljate v kateri koli državi, ne glede na vrednost omrežne napetosti.

Specifikacija izhoda:

Izhodna napetost je izbrana kot 5V z 2A trenutne nazivne vrednosti. Tako bo 10W izhod. Ker bo ta SMPS zagotavljal konstantno napetost ne glede na tok obremenitve, bo deloval v načinu CV (konstantna napetost). Ta izhodna napetost 5V mora biti stalna in enakomerna tudi pri najnižji vhodni napetosti med največjo obremenitvijo (2A) na izhodu.

Zelo zaželeno je, da ima dobra napajalna enota napetost valovanja manj kot 30mV pk-pk. Ciljna napetost valovanja za ta SMPS je manjša od 30mV vršno valovanje. Ker bo ta SMPS vgrajen v veroboard z uporabo ročno izdelanega preklopnega transformatorja, lahko pričakujemo nekoliko višje vrednosti valovanja. Tej težavi se je mogoče izogniti z uporabo PCB-ja.

Zaščitne funkcije:

Obstajajo različni zaščitni tokokrogi, ki jih lahko v SMPS uporabite za varno in zanesljivo delovanje. Zaščitni tokokrog ščiti SMPS in s tem povezano obremenitev. Glede na vrsto je zaščitno vezje mogoče priključiti na vhod ali na izhod.

Za ta SMPS se uporablja vhodna prenapetostna zaščita z največjo delovno vhodno napetostjo 275VAC. Za reševanje težav z EMI bo uporabljen tudi skupni način filtra za izpraznitev ustvarjenega EMI. Na strani Izhodna bomo vključuje zaščito pred kratkim stikom, zaščito pred-napetosti in prekomernega trenutno zaščito.

Izbira IC za upravljanje napajanja

Vsako vezje SMPS zahteva IC za upravljanje napajanja, znano tudi kot preklopna IC ali SMPS IC ali IC sušilnika. Povzemimo premisleke glede oblikovanja, da izberemo idealno IC za upravljanje napajanja, ki bo primerna za naš dizajn. Naše zahteve glede oblikovanja so

1. 10W izhod. 5V 2A pri polni obremenitvi.
2. Univerzalna ocena vnosa. 85-265VAC pri 50Hz
3. Vhodna prenapetostna zaščita. Najvišja vhodna napetost 275VAC.
4. Izhodna zaščita pred kratkim stikom, prenapetostjo in prekomernim tokom.
5. Operacije s konstantno napetostjo.

Med zgornjimi zahtevami je na voljo širok nabor IC, vendar smo za ta projekt izbrali Power power. Power integracija je polprevodniško podjetje, ki ima široko paleto IC-jev gonilnikov moči v različnih razponih izhodne moči. Glede na zahteve in razpoložljivost smo se odločili za uporabo TNY268PN iz majhnih družin Switch II. Ta IC smo že uporabljali za izdelavo 12V SMPS vezja na PCB.

Na zgornji sliki je prikazana največja moč 15W. Vendar bomo SMPS naredili v odprtem okviru in za univerzalno vhodno oceno. V takem segmentu lahko TNY268PN zagotavlja 15W moči. Poglejmo shemo pinov.

Oblikovanje 5v 2Amp SMPS vezja

Najboljši način za izdelavo sheme SMPS 5V 2A je uporaba strokovne programske opreme PI Power Power. Prenesite programsko opremo PI expert in uporabite različico 8.6. Je odlična programska oprema za načrtovanje napajanja. Spodaj prikazano vezje je zgrajeno s pomočjo strokovne programske opreme Power Integration PI. Če še niste seznanjeni s to programsko opremo, si oglejte razdelek za načrtovanje tega 12V SMPS vezja, da boste razumeli, kako uporabljati programsko opremo.

Preden nadaljujemo z izdelavo prototipa, raziščimo 5v 2A SMPS vezje in njegovo delovanje.

Vezje ima naslednje odseke -

1. Vhodna napetost in zaščita pred napakami SMPS
2. Pretvorba AC-DC
3. PI filter
4. Gonilniško vezje ali preklopno vezje
5. Zaščita pred blokado pod napetostjo.
6. Vpenjalno vezje.
7. Magnetika in galvanska izolacija.
8. EMI filter
9. Sekundarni usmernik in snuber vezje
10. Oddelek za filtriranje
11. Oddelek za povratne informacije.

Vhodni prenapetost in zaščita pred napakami SMPS:

Ta odsek je sestavljen iz dveh komponent, F1 in RV1. F1 je 1A 250VAC varovalka za počasno pihanje, RV1 pa je 7mm 275V MOV (Varistor kovinskega oksida). Med visokonapetostnim prenapetostnim tokom (več kot 275VAC) se je MOV kratko onesposobil in vžgal varovalko. Vendar pa zaradi funkcije počasnega prepiha varovalka prenese vklopni tok skozi SMPS.

Pretvorba AC-DC:

Ta odsek ureja diodni most. Te štiri diode (znotraj DB107) tvorijo polni mostični usmernik. Diode so 1N4006, vendar lahko standard 1N4007 to delo odlično opravi. V tem projektu so te štiri diode zamenjane s popolnim mostičnim usmernikom DB107.

PI filter:

Različna stanja imajo različen standard zavrnitve EMI. Ta zasnova potrjuje standard EN61000-Class 3, filter PI pa je zasnovan tako, da zmanjšuje zavrnitev EMI v skupnem načinu. Ta odsek je ustvarjen z uporabo C1, C2 in L1. C1 in C2 sta 400V 18uF kondenzatorja. To je čudna vrednost, zato je za to aplikacijo izbrano 22uF 400V. L1 je pogonska dušilka, ki za razliko od EMI signala prekine oba.

Vozniško vezje ali preklopno vezje:

To je srce SMPS. Primarno stran transformatorja krmili stikalno vezje TNY268PN. Preklopna frekvenca je 120-132khz. Zaradi te visoke preklopne frekvence je mogoče uporabiti manjše transformatorje. Preklopno vezje ima dve komponenti, U1 in C3. U1 je glavni gonilnik IC TNY268PN. C3 je obvodni kondenzator, ki je potreben za delovanje našega gonilnika IC.

Zaščita pred blokado pod napetostjo:

Zaščito pred blokado pod napetostjo izvaja senzorski upor R1 in R2. Uporablja se, ko SMPS preide v način samodejnega ponovnega zagona in zazna napetost v omrežju. Vrednost R1 in R2 se generira s pomočjo orodja PI Expert. Dva uporovna zaporedja sta varnostni ukrep in dobra praksa, da se izognete težavam z odporom uporov. Tako sta namesto 2M v seriji uporabljena dva 1M upornika.

Vpenjalno vezje:

D1 in D2 sta vpenjalno vezje. D1 je dioda TVS, D2 pa ultrahitro obnovitvena dioda. Transformator deluje na velik induktor v gonilniku moči IC TNY268PN. Zato med izklopnim ciklom transformator ustvarja visokonapetostne konice zaradi indukcijske upornosti transformatorja. Te visokofrekvenčne napetostne konice zavira diodna objemka čez transformator. Zaradi izjemno hitrega okrevanja je izbran UF4007, za delovanje TVS pa P6KE200A. Glede na zasnovo je ciljna vpenjalna napetost (VCLAMP) 200 V. Zato je izbran P6KE200A, za težave s hitrim blokiranjem pa UF4007 kot D2.

Magnetna in galvanska izolacija:

Transformator je feromagnetni transformator in ne le pretvori visokonapetostni AC v nizkonapetostni, temveč tudi galvansko izolira.

EMI filter:

EMI filtriranje izvaja kondenzator C4. Poveča odpornost vezja za zmanjšanje motenj EMI. Je kondenzator razreda Y z napetostjo 2kV.

Sekundarni usmernik in snubber vezje:

Izhod iz transformatorja se popravi in ​​pretvori v enosmerni tok z uporabo D6, usmerjevalne diode Schottky. Snubber vezje na D6 zagotavlja zatiranje prehodne napetosti med preklopnimi operacijami. Snubber vezje je sestavljeno iz enega upora in enega kondenzatorja, R3 in C5.

Oddelek za filtriranje:

Filtrski odsek je sestavljen iz filtrirnega kondenzatorja C6. Je kondenzator z nizkim ESR za boljšo zavrnitev valovanja. Tudi LC filter, ki uporablja L2 in C7, zagotavlja boljšo zavrnitev valovanja na izhodu.

Oddelek za povratne informacije:

Izhodno napetost zaznavajo U3 TL431 ter R6 in R7. Po zaznavanju črte U2 je optični sklop krmiljen in galvansko izoliran del zaznavanja sekundarne povratne informacije s primarnim stranskim krmilnikom. Optocoupler ima v sebi tranzistor in LED. Z upravljanjem LED je tranzistor krmiljen. Ker komunikacija poteka optično, nima neposredne električne povezave, zato zadošča tudi galvanski izolaciji na povratnem vezju.

Zdaj, ko LED dioda neposredno nadzoruje tranzistor, lahko z zagotavljanjem zadostne pristranskosti čez Optocoupler LED upravljamo Optocoupler tranzistor, natančneje gonilniško vezje. Ta nadzorni sistem uporablja TL431. Regulator premika. Ker ima regulator premika uporni delilnik na referenčnem zatiču, lahko krmili optični vodnik, ki je povezan preko njega. Povratni zatič ima referenčno napetost 2,5 V. Zato je lahko TL431 aktiven le, če je napetost na delilniku zadostna. V našem primeru je napetostni delilnik nastavljen na vrednost 5V. Torej, ko izhod doseže 5 V, TL431 dobi 2,5 V prek referenčnega zatiča in tako aktivira LED optičnega sklopnika, ki nadzoruje tranzistor optičnega sklopnika in posredno nadzoruje TNY268PN. Če napetost na izhodu ne zadostuje, se preklopni cikel takoj ustavi.

Najprej TNY268PN aktivira prvi cikel preklopa in nato zazna svoj zatič EN. Če je vse v redu, bo nadaljevalo s preklopom, če ne, bo čez nekaj časa poskusilo še enkrat. Ta zanka se nadaljuje, dokler se vse ne normalizira, s čimer se preprečijo težave s kratkim stikom ali prenapetostjo. Zato se imenuje povratna topologija, saj se izhodna napetost preusmeri nazaj v gonilnik za zaznavanje s tem povezanih operacij. Poskusna zanka se imenuje tudi način kolcanja v primeru okvare.

D3 je Schottkyjeva pregradna dioda. Ta dioda pretvori visokofrekvenčni izmenični izhod v enosmerni tok. 3A 60V Schottky dioda je izbrana za zanesljivo delovanje. R4 in R5 izbere in izračuna PI Expert. Ustvari napetostni delilnik in prenaša tok na optični sklopnik od TL431.

R6 in R7 je preprost delilnik napetosti, izračunan s formulo TL431 REF napetost = (Vout x R7) / R6 + R7. Referenčna napetost je 2,5V, Vout pa 12V. Z izbiro vrednosti R6 23,7k je R7 postal približno 9,09k.

Izdelava preklopnega transformatorja za naše vezje SMPS

Običajno je za vezje SMPS potreben preklopni transformator, ki ga lahko proizvajalci transformatorjev nabavijo na podlagi vaših konstrukcijskih zahtev. Toda težava je v tem, če se učite gradnje prototipa, ne najdete natančnega transformatorja s polic za svojo zasnovo. Tako se bomo naučili, kako zgraditi preklopni transformator na podlagi konstrukcijskih zahtev naše strokovne programske opreme PI.

Poglejmo ustvarjeni diagram konstrukcije transformatorja.

Kot je navedeno na zgornji sliki, moramo na primarni strani izvesti 103 obratov posamezne žice 32 AWG in 5 obratov dveh žic 25 AWG na sekundarni strani.

Na zgornji sliki je izhodišče navitij in smer navitja opisano kot mehanski diagram. Za izdelavo tega transformatorja so potrebne naslednje stvari -

1. Jedro EE19, NC-2H ali enakovredna specifikacija in je omejeno na ALG 79 nH / T ²
2. Kletka s 5 zatiči na primarni in sekundarni strani.
3. Pregradni trak z debelino 1 mil. Potreben je 9 mm širok trak.
4. 32 AWG emajlirana bakrena žica s prevleko.
5. 25AWG lemljivo prevlečena emajlirana bakrena žica.
6. LCR meter.

Potrebno je jedro EE19 z NC-2H s presledkom 79nH / T2; na splošno je na voljo v parih. Vretena je splošna s 4 primarnimi in 5 sekundarnimi zatiči. Tu pa se uporablja kleklja s 5 zatiči na obeh straneh.

Za pregradni trak se uporablja standardni lepilni trak, katerega osnovna debelina je več kot 1 mil (običajno 2 mil). Med aktivnostmi, povezanimi s tapkanjem, se s škarjami trak razreže za popolne širine. Bakrene žice se nabavljajo iz starih transformatorjev, kupite pa jih lahko tudi v lokalnih trgovinah. Jedro in klekljanje, ki ga uporabljam, sta prikazana spodaj

1. korak: Dodajte spajkanje v 1. in 5. zatič na primarni strani. Spajite žico 32 AWG na zatič 5 in smer navijanja je v smeri urinega kazalca. Nadaljujte do 103 zavojev, kot je prikazano spodaj

To tvori primarno stran našega transformatorja, ko je 103 obrata navitja končano, je moj transformator izgledal takole spodaj.

2. korak: Za izolacijo nanesite lepilni trak, potrebni so 3 zavoji lepilnega traku. Pomaga tudi pri ohranjanju tuljave v položaju.

Korak 3: Zaženite sekundarno navitje iz zatičev 9 in 10. Sekundarna stran je narejena iz dveh pramenov bakrenih žic 25AWG. Spajkajte eno bakreno žico na zatič 9 in drugo na zatič 10. Smer navijanja je spet v smeri urnega kazalca. Nadaljujte do 5 obratov in spajkajte konce na zatiči 5 in 6. Dodajte izolacijski trak tako, da nalepite lepilni trak, kot prej.

Ko so končana tako primarna kot sekundarna navitja in uporabljen lepilni trak, je bil moj transformator videti tako, kot je prikazano spodaj

4. korak: Zdaj lahko z uporabo lepilnega traku tesno pritrdimo obe jedri. Ko končamo, mora biti dokončan transformator videti spodaj.

5. korak: Pazite tudi, da samolepilni trak zavijete drug ob drugega. To bo zmanjšalo vibracije med prenosom toka visoke gostote.

Po izvedbi zgornjih korakov in testiranju transformatorja z merilnikom LCR, kot je prikazano spodaj. Merilnik prikazuje induktivnosti 1.125 mH ali 1125 uh.

Izdelava vezja SMPS:

Ko je transformator pripravljen, lahko nadaljujemo s sestavljanjem ostalih komponent na pikčasto ploščo. Podrobnosti o delih, potrebne za vezje, najdete na spodnjem seznamu gradiva

• Podrobnosti o BOM-delu za 5V 2A SMPS vezje

Ko so komponente spajkane, je moja plošča videti nekako takole.

Preizkušanje 5V 2A SMPS vezja

Za preizkus vezja sem priključil vhodno stran na omrežno napajanje prek VARIAC-a za nadzor vhodne izmenične napetosti. Izhodna napetost pri 85VAC in 230VAC je prikazana spodaj -

Kot lahko vidite v obeh primerih, se izhodna napetost vzdržuje na 5V. Potem pa sem izhod priključil na svoj obseg in preveril, ali se valovi. Merjenje valovanja je prikazano spodaj

Izhodna valovitost je precej visoka in kaže 150mV pk-pk valovitost. To popolnoma ni dobro za napajalno vezje. Na podlagi analize je visoko valovanje posledica spodnjih dejavnikov -

1. Neustrezno načrtovanje PCB.
2. Ground odskakanje vprašanje.
3. Hladilnik PCB ni primeren.
4. Brez izrezov na hrupnih napajalnih vodih.
5. Povečana odstopanja na transformatorju zaradi ročnega navijanja. Proizvajalci transformatorjev med navitji strojev nanesejo potapljaški lak za boljšo stabilnost transformatorjev.

Če je vezje pretvorjeno v pravilno tiskano vezje, lahko pričakujemo valovitost izhoda napajanja znotraj 50mV pk-pk, tudi z ročnim navitnim transformatorjem. Ker pa veroboard ni varna možnost za vklop napajalnega napajanja v izmenični in enosmerni domeni, se ves čas priporoča, da je treba pred uporabo visokonapetostnih vezij v praktičnih scenarijih vzpostaviti ustrezen PCB. Video si lahko ogledate na koncu te strani in preverite, kako deluje vezje v pogojih obremenitve.

Upam, da ste razumeli vadnico in se naučili, kako z ročno izdelanim transformatorjem zgraditi lastna vezja SMPS. Če imate kakršna koli vprašanja, jih pustite v spodnjem oddelku za komentarje ali uporabite dodatna vprašanja na naših forumih.