Disseny de circuits d’alimentació de 12V 1a mitjançant viper22a

Els circuits d’alimentació en mode de commutació (SMPS) són sovint necessaris en molts dissenys electrònics per convertir la tensió de xarxa de CA a un nivell adequat de voltatge continu perquè el dispositiu funcioni. Aquest tipus de convertidors AC-DC pren la tensió de xarxa de 230V / 110V CA com a entrada i el converteix en voltatge continu de baix nivell canviant-lo, d’aquí el nom de font d’alimentació del mode de commutació. Ja hem construït pocs circuits SMPS abans, com aquest circuit SMPS de 5V 2A i el circuit SMPS de 12V 1A TNY268. Fins i tot vam construir el nostre propi transformador SMPS que es podria utilitzar en els nostres dissenys SMPS juntament amb el controlador IC. En aquest projecte construirem un altre circuit SMPS de 12V 1A mitjançant el VIPer22A, que és un popular IC de controladors SMPS de baix cost de STMicroelectronics. Aquest tutorial us guiarà pel circuit complet i també us explicaràcom construir el vostre propi transformador per al circuit VIPER. Com és interessant començar.

Especificacions del disseny de la font d'alimentació VIPer22A

Igual que el projecte anterior basat en SMPS, diferents tipus de font d'alimentació funcionen en entorns diferents i funcionen en un límit d'entrada-sortida específic. Aquest SMPS també té una especificació. Per tant, cal fer una anàlisi adequada de les especificacions abans de continuar amb el disseny real.

Especificació d'entrada: serà un SMPS en domini de conversió de CA a CC. Per tant, l'entrada serà AC. En aquest projecte, la tensió d'entrada és fixa. És segons la taxa de tensió estàndard europea. Per tant, la tensió CA d’entrada d’aquest SMPS serà de 220-240VAC. També és la tensió estàndard de l'Índia.

Especificació de sortida: la tensió de sortida es selecciona com a 12V amb 1A de corrent nominal. Per tant, tindrà una sortida de 12W. Com que aquest SMPS proporcionarà tensió constant independentment del corrent de càrrega, funcionarà en mode CV (voltatge constant). A més, la tensió de sortida serà constant i constant a la tensió d’entrada més baixa amb càrrega màxima (2A) a la sortida.

Voltatge d'ondulació de sortida: és molt desitjable que una bona font d'alimentació tingui un voltatge d'ondulació inferior a 30 mV pk-pk. El voltatge d'ondulació objectiu és el mateix per a aquest SMPS, menys de 30 mV pk-pk. Tanmateix, l'ondulació de la sortida SMPS depèn en gran mesura de la construcció SMPS, de la PCB i del tipus de condensador. Hem utilitzat un condensador de baixa ESR amb una classificació de 105 graus de Wurth Electronics i sembla que la ondulació de sortida esperada és inferior.

Circuits de protecció: hi ha diversos circuits de protecció que es poden utilitzar en un SMPS per a un funcionament segur i fiable. El circuit de protecció protegeix el SMPS i la càrrega associada. Depenent del tipus, el circuit de protecció es pot connectar a través de l'entrada o de la sortida. Per a aquest SMPS, s’utilitzarà protecció contra sobretensions d’entrada amb un voltatge màxim d’entrada de funcionament de 275VAC. A més, per tractar problemes d’EMI, s’utilitzarà un filtre de mode comú per eliminar l’EMI generat. A la banda de sortida, inclourem protecció contra curtcircuits, protecció contra sobretensió i protecció contra sobrecorrent.

Selecció de l'IC del controlador SMPS

Tots els circuits SMPS requereixen un IC de gestió d’energia també conegut com IC de commutació o IC SMPS o IC més sec. Resumim les consideracions de disseny per seleccionar l'IC de gestió d'energia ideal que sigui adequat per al nostre disseny. Els nostres requisits de disseny són

1. Sortida de 12W. 12V 1A a plena càrrega.
2. Qualificació d’entrada estàndard europea. 85-265VAC a 50Hz
3. Protecció contra sobretensions d’entrada. Tensió màxima d'entrada 275VAC.
4. Protecció contra curtcircuit, sobretensió i sobrecorrent de sortida.
5. Operacions de tensió constant.

Dels requisits anteriors hi ha una àmplia gamma de circuits integrats per seleccionar, però per a aquest projecte hem seleccionat el controlador d’alimentació VIPer22A de STMicroelectronics. És un CI de controladors d’alimentació de molt baix cost de STMicroelectronics.

A la imatge anterior es mostra la potència típica de VIPer22A IC. Tot i això, no hi ha cap secció especificada per a l'especificació de sortida de potència de tipus obert o adaptador. Farem els SMPS en marc obert i per a la qualificació d’entrada europea. En aquest segment VIPer22A podria proporcionar una sortida de 20W. L’utilitzarem per a sortida de 12W. El pinout IC VIPer22A es dóna a la imatge següent.

Disseny d'un circuit d'alimentació VIPer22APower

La millor manera de construir el circuit és mitjançant el programari de disseny de fonts d’alimentació. Podeu descarregar el programa de disseny VIPer versió 2.24 per utilitzar VIPer22A, l'última versió d'aquest programari ja no admet VIPer22A. És un excel·lent programari de disseny de fonts d’alimentació de STMicroelectronics. En proporcionar la informació de requisits de disseny, es pot generar el diagrama complet del circuit d’alimentació. A continuació es mostra el circuit VIPer22A d’aquest projecte generat pel programari

Abans d’entrar directament a construir la part prototip, explorem l’operació de circuits. El circuit té les seccions següents:

1. Protecció contra falles d'SMPS i d'entrada
2. Filtre d'entrada
3. Conversió AC-DC
4. Circuit de controladors o circuit de commutació
5. Circuit de pinça.
6. Magnètica i aïllament galvànic.
7. Filtre EMI
8. Rectificador secundari
9. Secció de filtres
10. Secció de comentaris.

Protecció contra falles d'SMPS i d'entrada.

Aquesta secció consta de dos components, F1 i RV1. F1 és un fusible de bufat lent de 1A 250VAC i RV1 és un MOV (Varistor d’òxid de metall) de 27 mm de 7 mm. Durant una pujada d’alta tensió (més de 275VAC), el MOV es va quedar curt i fa saltar el fusible d’entrada. No obstant això, a causa de la característica de cop lent, el fusible resisteix el corrent d'entrada a través del SMPS.

Filtre d'entrada

El condensador C3 és un condensador de filtre de línia de 250VAC. És un condensador de tipus X similar al que hem utilitzat en el nostre disseny de circuits de subministrament d’energia sense transformador.

Conversió AC-DC.

La conversió de corrent altern es realitza mitjançant un díode rectificador de pont complet DB107. És un díode rectificador de 1000V 1A. El filtratge es fa mitjançant el condensador de 22uF 400V. No obstant això, durant aquest prototip, hem utilitzat un valor molt gran de condensador. En lloc de 22uF, hem utilitzat condensador de 82uF a causa de la disponibilitat del condensador. Aquest condensador d'alt valor no és necessari per al funcionament del circuit. 22uF 400V és suficient per a una potència nominal de 12W.

Circuit de controlador o circuit de commutació.

VIPer22A requereix energia del bobinatge parcial del transformador. Després d’obtenir el voltatge de polarització, VIPer comença a canviar el transformador mitjançant un mosfet d’alta tensió incorporat. D3 s’utilitza per convertir la sortida de polarització de CA a CC i la resistència R1, 10 Ohm s’utilitza per controlar el corrent d’entrada. El condensador del filtre és de 4,7 uF 50 V per suavitzar l’ondulació de CC.

Circuit de pinça

El transformador actua com un gran inductor a través del controlador de potència IC VIPer22. Per tant, durant el cicle d’apagat, el transformador crea pics d’alta tensió a causa de la inductància de fuites del transformador. Aquests pics de tensió d'alta freqüència són perjudicials per al controlador de potència IC i poden provocar un error en el circuit de commutació. Per tant, això ha de ser suprimit per la pinça del díode del transformador. D1 i D2 s’utilitzen per al circuit de pinça. D1 és el díode TVS i D2 és un díode de recuperació ultraràpid. D1 s’utilitza per fixar la tensió mentre que D2 s’utilitza com a díode de bloqueig. Segons el disseny, la tensió de fixació objectiu (VCLAMP) és de 200 V. Per tant, P6KE200A està seleccionat i, per als problemes relacionats amb el bloqueig ultraràpid, es selecciona UF4007 com a D2.

Magnètica i aïllament galvànic.

El transformador és un transformador ferromagnètic i no només converteix la CA d’alta tensió en una CA de baixa tensió, sinó que també proporciona un aïllament galvànic. Té tres ordres sinuoses. Bobinatge primari, auxiliar o polaritzat i el bobinatge secundari.

Filtre EMI.

El filtratge EMI es realitza mitjançant el condensador C4. Augmenta la immunitat del circuit per reduir les altes interferències EMI. És un condensador de classe Y amb una tensió nominal de 2kV.

Circuit secundari de rectificador i canalla.

La sortida del transformador es rectifica i es converteix a CC mitjançant D6, un díode rectificador Schottky. Com que el corrent de sortida és 2A, es selecciona un díode 3A 60V per a aquest propòsit. SB360 és un díode Schottky de 3A 60V.

Secció de filtres.

C6 és el condensador del filtre. És un condensador de baixa ESR per a un millor rebuig de les ondulacions. A més, s’utilitza un post-filtre LC on L2 i C7 proporcionen un millor rebuig d’ondulació a la sortida.

Secció de comentaris.

El voltatge de sortida és detectat per l’U3 TL431 i R6 i R7. Després de detectar la línia, U2, es controla l’optocoplador i aïlla galvànicament la part de detecció de retroalimentació secundària amb el controlador lateral primari. El PC817 és un optoacoplador. Té dues cares, un transistor i un LED a l'interior. En controlar el LED, es controla el transistor. Com que la comunicació es realitza de forma òptica, no té cap connexió elèctrica directa, de manera que també satisfà l'aïllament galvànic del circuit de retroalimentació.

Ara, com que el LED controla directament el transistor, proporcionant una polarització suficient a través del LED Optocoupler, es pot controlar el transistor Optocoupler, més concretament el circuit del controlador. Aquest sistema de control l’utilitza el TL431. Un regulador de derivació. Com que el regulador de derivació té un divisor de resistències a través del pin de referència, pot controlar el led Optocoupler que hi ha connectat. El pin de retroalimentació té una tensió de referència de 2,5V. Per tant, el TL431 només pot estar actiu si el voltatge del divisor és suficient. En el nostre cas, el divisor de tensió s’estableix en un valor de 5V. Per tant, quan la sortida arriba a 5 V, el TL431 obté 2,5 V a través del pin de referència i, per tant, activa el LED de l’optocoplador que controla el transistor de l’optocoplador i controla indirectament el TNY268PN. Si el voltatge no és suficient a la sortida, el cicle de commutació es suspèn immediatament.

En primer lloc, el TNY268PN activa el primer cicle de commutació i després detecta el seu pin EN. Si tot està bé, continuarà el canvi, si no, tornarà a intentar-ho al cap de temps. Aquest bucle es continua fins que tot esdevé normal, evitant així problemes de curtcircuit o sobretensió. És per això que s’anomena topologia flyback, ja que el voltatge de sortida es torna al controlador per detectar operacions relacionades. A més, el bucle provador s’anomena mode de funcionament de singlot en la condició d’error.

Construcció del transformador de commutació per al circuit VIPER22ASMPS

Vegem el diagrama de construcció del transformador generat. Aquest diagrama s’obté a partir del programari de disseny de subministraments elèctrics que hem comentat anteriorment.

El nucli és E25 / 13/7 amb un buit d’aire de 0,36 mm. La inductància primària és 1mH. Per a la construcció d’aquest transformador, calen les següents coses. Si no sou nou en la construcció de transformadors, llegiu l'article sobre com construir el vostre propi transformador SMPS.

1. Cinta de polièster
2. Parells de nuclis E25 / 13/7 amb un buit d’aire de 0,36 mm.
3. Fil de coure de 30 AWG
4. Fil de coure de 43 AWG (hem utilitzat 36 AWG per indisponibilitat)
5. 23 AWG (també hem utilitzat 36 AWG per a aquest)
6. Bobina horitzontal o vertical (hem fet servir bobina horitzontal)
7. Un bolígraf per subjectar la bobina durant el bobinatge.

Pas 1: subjecteu el nucli amb un bolígraf, inicieu un fil de coure de 30 AWG des del pin 3 de la bobina i continueu 133 voltes en sentit horari fins al pin 1. Apliqueu 3 capes de cinta de polièster.

Pas 2: Inicieu el bobinatge Bias mitjançant filferro de coure de 43 AWG del pin 4 i continueu fins a les 31 voltes i finalitzeu el bobinat al pin 5. Apliqueu 3 capes de cinta de polièster.

Inicieu l’enrotllament Bias mitjançant filferro de coure de 43 AWG des del pin 4 i continueu fins a les 31 voltes i finalitzeu el bobinat al pin 5. Apliqueu 3 capes de cinta de polièster.

Pas 3: inicieu el bobinatge secundari des del passador 10 i continueu el bobinatge en sentit horari de 21 voltes. Apliqueu 4 capes de cinta de polièster.

Pas 4: assegureu el nucli obert amb la cinta adhesiva que s'enrotlla un al costat de l'altre. Això reduirà la vibració durant la transferència de flux d'alta densitat.

Un cop feta la construcció, el transformador es prova amb un mesurador LCR per mesurar el valor d’inductància de les bobines. El mesurador mostra 913 mH, aproximadament a la inductància primària d’1 mH.

Construint el circuit SMPS VIPer22A:

Amb la qualificació del transformador verificada, podem procedir a soldar tots els components d’una placa Vero tal com s’indica al diagrama del circuit. El meu tauler un cop feta la feina de soldadura, semblava a continuació

Prova del circuit VIPer22A per a SMPS de 12V 1A:

Per provar el circuit, vaig connectar el costat d'entrada a la xarxa elèctrica mitjançant un VARIAC per controlar la tensió de xarxa de CA. A la imatge següent es mostra el voltatge de sortida a 225VAC.

Com podeu veure al costat de la sortida, obtenim 12,12 V, que s’acosta al voltatge de sortida desitjat de 12 V. El treball complet es mostra al vídeo adjunt al final d'aquesta pàgina. Espero que hàgiu entès el tutorial i hàgiu après a crear els vostres propis circuits SMPS amb un transformador fet a mà. Si teniu alguna pregunta, deixeu-los a la secció de comentaris a continuació.