Com dissenyar un circuit d'alimentació de 5v 2a smps

La font d'alimentació (PSU) és una part fonamental en qualsevol disseny de producte electrònic. La majoria de productes electrònics domèstics, com ara carregadors mòbils, altaveus Bluetooth, bancs d’alimentació, rellotges intel·ligents, etc., requereixen un circuit d’alimentació que pugui convertir el subministrament de corrent altern a 5 V CC per fer-los funcionar. En aquest projecte construirem un circuit d'alimentació de corrent altern al corrent continu amb una potència nominal de 10W. Aquest és el nostre circuit que convertirà la xarxa elèctrica de 220V a 5V i proporcionarà un corrent de sortida màxim fins a 2A. Aquesta potència hauria de ser suficient per alimentar la majoria de productes electrònics que funcionen amb 5V. També el circuit SMPS de 5V 2A és molt popular a l’electrònica, ja que hi ha molts microcontroladors que funcionen a 5V.

La idea del projecte és mantenir la construcció tan senzilla com sigui possible, per tant dissenyarem el circuit complet sobre una placa de punts (placa perf) i també construirem el nostre propi transformador perquè tothom pugui replicar aquest disseny o construir-ne de similars. Excitat! Comencem doncs. Anteriorment, també hem construït un circuit SMPS de 12V i 15W mitjançant un PCB, de manera que les persones que estiguin interessades en com dissenyar un PCB per a un projecte d'alimentació (unitat d'alimentació) també ho poden comprovar.

Circuit SMPS de 5V 2A: especificacions de disseny

Les diferents varietats d’alimentació es comporten de manera diferent en entorns diferents. A més, SMPS funciona en límits específics d’entrada-sortida. Cal fer una anàlisi d’especificacions adequada abans de continuar amb el disseny real.

Especificació d'entrada:

Aquest serà un SMPS en un domini de conversió de CA a CC. Per tant, l'entrada serà AC. Per al valor de la tensió d'entrada, és bo utilitzar una classificació d'entrada universal per al SMPS. Per tant, la tensió de corrent altern serà de 85-265VAC amb 50Hz. D'aquesta manera, l'SMPS es pot utilitzar a qualsevol país, independentment del seu valor de tensió de corrent altern.

Especificació de sortida:

La tensió de sortida es selecciona com a 5V amb 2A de la potència actual. Per tant, tindrà una sortida de 10W. Atès que aquest SMPS proporcionarà tensió constant independentment del corrent de càrrega, funcionarà en mode CV (Voltatge constant). Aquest voltatge de sortida de 5 V ha de ser constant i estable fins i tot amb la tensió d’entrada més baixa durant una càrrega màxima (2A) a la sortida.

És molt desitjable que una bona font d'alimentació tingui una tensió d'ondulació inferior a 30 mV pk-pk. La tensió d’ondulació objectiu d’aquest SMPS és inferior a 30 mV de pic-pic. Atès que aquest SMPS es construirà al veroboard mitjançant un transformador de commutació fet a mà, podem esperar uns valors de ondulació lleugerament més alts. Aquest problema es pot evitar utilitzant un PCB.

Funcions de protecció:

Hi ha diversos circuits de protecció que es poden utilitzar en un SMPS per a una operació segura 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 del CI de gestió d'energia

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 10W. 5V 2A a plena càrrega.
2. Classificació d’entrada universal. 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 CI per triar, però per a aquest projecte hem seleccionat la integració de potència. La integració de potència és una empresa de semiconductors que té una àmplia gamma de circuits integrats de controladors de potència en diversos rangs de potència. Basant-nos en els requisits i la disponibilitat, hem decidit utilitzar el TNY268PN de petites famílies switch II. Prèviament, hem utilitzat aquest CI per construir un circuit SMPS de 12V en un PCB.

A la imatge anterior es mostra la potència màxima de 15W. No obstant això, farem el SMPS en el marc obert i per a la classificació d’entrada universal. En aquest segment, el TNY268PN podria proporcionar sortida de 15W. Vegem el diagrama de pins.

Disseny del circuit SMPS de 5v 2Amp

La millor manera de construir l’ esquema SMPS de 5V 2A és fer servir el programari expert PI d’integració de potència. Descarregueu el programari expert PI i utilitzeu la versió 8.6. És un excel·lent programari de disseny de fonts d'alimentació. El circuit que es mostra a continuació es construeix mitjançant el programari expert PI de Power Integration. Si no coneixeu aquest programari, podeu consultar la secció de disseny d’aquest circuit SMPS de 12V per entendre com utilitzar el programari.

Abans d’entrar directament a construir la part prototip, explorem el diagrama del circuit SMPS de 5v 2A i el seu funcionament.

El circuit té les seccions següents:

1. Protecció contra falles d'SMPS i d'entrada
2. Conversió AC-DC
3. Filtre PI
4. Circuit de controladors o circuit de commutació
5. Protecció contra bloqueig de baixa tensió.
6. Circuit de pinça.
7. Magnètica i aïllament galvànic.
8. Filtre EMI
9. Circuit secundari de rectificador i canalla
10. Secció de filtres
11. 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.

Conversió AC-DC:

Aquesta secció es regeix pel pont de díodes. Aquests quatre díodes (dins de DB107) fan un rectificador de pont complet. Els díodes són 1N4006, però l'estàndard 1N4007 pot fer la feina perfectament. En aquest projecte, aquests quatre díodes se substitueixen per un rectificador de pont complet DB107.

Filtre PI:

Els diferents estats tenen un estàndard de rebuig EMI diferent. Aquest disseny confirma l' estàndard EN61000-Class 3 i el filtre PI està dissenyat de manera que redueixi el rebuig EMI en mode comú. Aquesta secció es crea amb C1, C2 i L1. C1 i C2 són condensadors de 400V 18uF. És un valor estrany, de manera que se selecciona 22uF 400V per a aquesta aplicació. El L1 és un estrangulador de mode comú que pren senyal EMI diferencial per cancel·lar-los tots dos.

Circuit de controlador o circuit de commutació:

És el cor d’un SMPS. El costat principal del transformador està controlat pel circuit de commutació TNY268PN. La freqüència de commutació és de 120-132khz. A causa d'aquesta elevada freqüència de commutació, es poden utilitzar transformadors més petits. El circuit de commutació té dos components, U1 i C3. U1 és el principal controlador IC TNY268PN. El C3 és el condensador de derivació necessari per al funcionament del nostre controlador IC.

Protecció contra bloqueig de baixa tensió:

La protecció contra bloqueig de baixa tensió es realitza mitjançant la resistència de sentit R1 i R2. S’utilitza quan l’SMPS passa al mode de reinici automàtic i detecta la tensió de la línia. El valor de R1 i R2 es genera a través de l' eina PI Expert. Dues resistències en sèrie són una mesura de seguretat i una bona pràctica per evitar problemes de fallada de resistència. Així, en lloc de 2M, s’utilitzen dues resistències 1M a la sèrie.

Circuit de pinça:

D1 i D2 són el circuit de pinça. D1 és el díode TVS i D2 és un díode de recuperació ultraràpid. El transformador actua com un gran inductor a través del controlador de potència IC TNY268PN. Per tant, durant el cicle d’apagada, el transformador crea pics d’ alta tensió a causa de la inductància de fuites del transformador. Aquests pics de tensió d'alta freqüència són suprimits per la pinça del díode a través del transformador. L’UF4007 es selecciona a causa de la recuperació ultraràpida i el P6KE200A es selecciona per a l’operació TVS. Segons el disseny, la tensió de tancament objectiu (VCLAMP) és de 200 V. Per tant, es selecciona P6KE200A 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.

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 snubber:

La sortida del transformador es rectifica i es converteix a CC mitjançant D6, un díode rectificador Schottky. El circuit de barres a través del D6 proporciona supressió de la tensió transitòria durant les operacions de commutació. El circuit snubber consisteix en una resistència i un condensador, R3 i C5.

Secció de filtre:

La secció de filtre consisteix en un condensador de filtre C6. És un condensador de baixa ESR per a un millor rebuig de les ondulacions. A més, un filtre LC que utilitza L2 i C7 proporciona un millor rebuig 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. L'optocoplador té 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, en cas contrari, es tornarà a intentar un cop passat. 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.

El D3 és un díode de barrera de Schottky. Aquest díode converteix la sortida de CA d'alta freqüència en una CC. El díode Schottky 3A 60V està seleccionat per a un funcionament fiable. R4 i R5 són seleccionats i calculats per PI Expert. Crea un divisor de tensió i transmet el corrent al LED de l’optocoplador del TL431.

R6 i R7 és un simple divisor de voltatge calculat per la fórmula TL431 REF tensió = (Vout x R7) / R6 + R7. El voltatge de referència és de 2,5 V i el Vout és de 12 V. En seleccionar el valor de R6 23,7 k, el R7 passà a 9,09 k aproximadament.

Construint un transformador de commutació per al nostre circuit SMPS

Normalment, per a un circuit SMPS, es necessitarà un transformador de commutació, que es pot adquirir als fabricants de transformadors segons els vostres requisits de disseny. Però el problema aquí és que si apreneu a construir un prototip no trobareu el transformador exacte a les prestatgeries per al vostre disseny. Així, aprendrem a construir un transformador de commutació basat en els requisits de disseny que proporciona el nostre programari expert en PI.

Vegem el diagrama de construcció del transformador generat.

Tal com indica la imatge anterior, hem de realitzar 103 voltes d’un cable únic de 32 AWG al costat principal i 5 voltes de dos cables de 25 AWG al costat secundari.

A la imatge anterior, el punt de partida dels bobinats i la direcció del bobinat es descriuen com un diagrama mecànic. Per fabricar aquest transformador, calen les següents coses:

1. Especificació de nucli EE19, NC-2H o equivalent i buit per ALG 79 nH / T ²
2. Bobina amb 5 passadors al costat primari i secundari.
3. Cinta barrera amb 1 mil·limitat de gruix. Es requereix una cinta d’amplada de 9 mm.
4. Filferro de coure esmaltat recobert soldable de 32 AWG.
5. Fil de coure esmaltat recobert soldable de 25AWG.
6. Mesurador LCR.

Es requereix un nucli EE19 amb NC-2H amb un nucli buit de 79nH / T2; generalment, està disponible per parelles. La bobina és genèrica amb 4 pins primaris i 5 secundaris. Tanmateix, aquí s’utilitza la bobina amb 5 passadors als dos costats.

Per a la cinta Barrera, s’utilitza una cinta adhesiva estàndard que té un gruix de la base superior a 1 mil (normalment 2 mil). Durant les activitats relacionades amb el toc, s’utilitza una tisora ​​per tallar la cinta per obtenir amplades perfectes. Els cables de coure s’obtenen a partir de transformadors antics i també es poden comprar a les botigues locals. A continuació es mostra el nucli i la bobina que estic fent servir

Pas 1: afegiu la soldadura al primer i al cinquè pin del costat principal. Soldeu el cable de 32 AWG al pin 5 i la direcció del bobinatge és en sentit horari. Continueu fins als 103 girs com es mostra a continuació

Això constitueix el costat principal del nostre transformador, un cop finalitzades les 103 voltes de bobinatge, el transformador semblava a continuació.

Pas 2: apliqueu cinta adhesiva per a aïllament, es necessiten 3 voltes de cinta adhesiva. També ajuda a mantenir la bobina en posició.

Pas 3: Inicieu el bobinatge secundari des dels passadors 9 i 10. El costat secundari es fa mitjançant dos fils de cables de coure esmaltats de 25AWG. Soldeu un fil de coure al passador 9 i un altre al passador 10. La direcció del bobinat torna a ser en sentit horari. Continueu fins a 5 voltes i soldeu els extrems als passadors 5 i 6. Afegiu cinta aïllant aplicant cinta adhesiva igual que abans.

Un cop realitzats els bobinatges primaris i secundaris i s’ha fet servir la cinta adhesiva, el transformador va tenir l’aspecte que es mostra a continuació

Pas 4: Ara podem assegurar els dos nuclis amb cinta adhesiva. Un cop fet el transformador complet, hauria de ser el següent.

Pas 5: assegureu-vos també d’embolicar la cinta adhesiva un al costat de l’altre. Això reduirà la vibració durant la transferència de flux d'alta densitat.

Després de fer els passos anteriors i provar el transformador mitjançant un mesurador LCR, tal com es mostra a continuació. El mesurador mostra 1.125 mH o 1125 uh d’inductàncies.

Construint el circuit SMPS:

Un cop el transformador estigui llest, podem procedir al muntatge dels altres components a la placa de punts. Les detalls de peces necessàries per al circuit es poden trobar a la llista de llista de materials a continuació

• Detalls de la peça BOM del circuit SMPS de 5V 2A

Un cop soldats els components, el meu tauler té un aspecte semblant.

Prova del circuit SMPS de 5V 2A

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. El voltatge de sortida a 85VAC i 230VAC es mostra a continuació

Com podeu veure en ambdós casos, la tensió de sortida es manté a 5V. Però després he connectat la sortida al meu abast i he comprovat si hi ha onades. La mesura de l’ondulació es mostra a continuació

La ondulació de la sortida és bastant elevada, mostra una sortida de ondulació de 150 mV pk-pk. Això no és totalment bo per a un circuit d'alimentació. Segons l’anàlisi, l’alta ondulació es deu als factors següents:

1. Disseny incorrecte de PCB.
2. Problema de rebot a terra.
3. El dissipador de calor del PCB no és adequat.
4. No hi ha retall a les línies de subministrament sorolloses.
5. Augment de les toleràncies al transformador a causa del bobinat manual. Els fabricants de transformadors apliquen vernís per immersió durant els bobinats de la màquina per a una millor estabilitat dels transformadors.

Si el circuit es converteix en un PCB adequat, podem esperar que la sortida de la font d'alimentació sigui de 50 mV pk-pk, fins i tot amb un transformador de bobinatge manual. Tanmateix, com que el veroboard no és una opció segura per fer una font d'alimentació en mode de commutació en domini de CA a CC, es suggereix constantment que s'hagi d'establir un PCB adequat abans d'aplicar circuits d'alta tensió en escenaris pràctics. Podeu consultar el vídeo al final d’aquesta pàgina per comprovar el rendiment del circuit en condicions de càrrega.

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 o utilitzeu els nostres fòrums per obtenir més preguntes.