Sådan designes et 5v 2a smps strømforsyningskredsløb

Strømforsyningsenhed (PSU) er en vigtig del af ethvert elektronisk produktdesign. De fleste husholdningselektroniske produkter som mobilopladere, Bluetooth-højttalere, strømbanker, smarte ure osv. Kræver et strømforsyningskredsløb, der kan konvertere AC-strømforsyningen til 5V DC for at betjene dem. I dette projekt vil vi opbygge et lignende strømforsyningskredsløb til jævnstrøm med 10W effekt. Det er vores kredsløb, der konverterer 220V vekselstrøm til 5V og giver en maksimal udgangsstrøm op til 2A. Denne effekt skal være tilstrækkelig til at drive de fleste elektroniske produkter, der kører på 5V. Også 5V 2A SMPS-kredsløb er ret populært inden for elektronik, da der er masser af mikrokontroller, der fungerer på 5V.

Idéen med projektet er at holde byggeriet så simpelt som muligt, derfor designer vi det komplette kredsløb over et stiplet bord (perf board) og vil også bygge vores egen transformer, så enhver kan replikere dette design eller bygge lignende. Spændt rigtigt! Så lad os komme i gang. Tidligere har vi også bygget et 12V 15W SMPS-kredsløb ved hjælp af et printkort, så folk, der er interesserede i, hvordan man designer et printkort til et PSU-projekt (strømforsyningsenhed) kan også kontrollere det.

5V 2A SMPS-kredsløb - designspecifikationer

Forskellige varianter af strømforsyning opfører sig forskelligt i forskellige miljøer. SMPS fungerer også i specifikke input-output grænser. Korrekt specifikationsanalyse skal udføres, inden vi går videre med det faktiske design.

Input specifikation:

Dette vil være en SMPS i AC til DC konverteringsdomæne. Derfor vil input være AC. For indgangsspændingsværdien er det godt at bruge en universel indgangsklassificering til SMPS. AC-spændingen vil således være 85-265VAC med 50Hz-klassificering. På denne måde kan SMPS bruges i ethvert land uanset deres vekselstrømsnetspændingsværdi.

Output specifikation:

Udgangsspændingen vælges som 5V med 2A af den aktuelle værdi. Således vil det være 10W output. Da denne SMPS vil give konstant spænding uanset belastningsstrømmen, fungerer den i CV-tilstanden (konstant spænding). Denne udgangsspænding på 5V skal være konstant og stabil, selv ved den laveste indgangsspænding under en maksimal belastning (2A) over udgangen.

Det er meget ønsket, at en god strømforsyningsenhed har en rippelspænding på mindre end 30 mV pk-pk. Den målrettede rippelspænding for denne SMPS er mindre end 30mV peak-peak ripple. Da denne SMPS vil blive bygget i veroboard ved hjælp af en håndlavet skiftetransformator, kan vi forvente lidt højere værdier for krusning. Dette problem kan undgås ved hjælp af et printkort.

Beskyttelsesfunktioner:

Der er forskellige beskyttelseskredsløb, der kan anvendes i en SMPS til en sikker og pålidelig drift. Beskyttelseskredsløbet beskytter SMPS såvel som den tilknyttede belastning. Afhængigt af typen kan beskyttelseskredsløb forbindes på tværs af input eller på tværs af output.

Til denne SMPS vil indgangsspændingsbeskyttelse blive brugt med en maksimal driftsindgangsspænding på 275VAC. For at håndtere EMI-problemer vil der også blive brugt et common mode-filter til at slette det genererede EMI. På udgangssiden inkluderer vi kortslutningsbeskyttelse, overspændingsbeskyttelse og overstrømsbeskyttelse.

Valg af strømstyrings-IC

Hvert SMPS-kredsløb kræver en strømstyrings-IC, også kendt som switch IC eller SMPS IC eller Drier IC. Lad os sammenfatte designovervejelserne for at vælge den ideelle strømstyrings-IC, der passer til vores design. Vores designkrav er

10W output. 5V 2A ved fuld belastning.
Universal input-klassificering. 85-265VAC ved 50Hz
Input overspændingsbeskyttelse. Maksimal indgangsspænding 275VAC.
Output kortslutning, overspænding og overstrømsbeskyttelse.
Konstant spændingsoperationer.

Fra ovenstående krav er der bred vifte af IC'er at vælge imellem, men til dette projekt har vi valgt Power integration. Power integration er et halvlederfirma, der har en bred vifte af power driver IC'er i forskellige effektudgangsområder. Baseret på kravene og tilgængeligheden har vi besluttet at bruge TNY268PN fra små switch II-familier. Vi har tidligere brugt denne IC til at opbygge et 12V SMPS-kredsløb på et printkort.

I ovenstående billede vises den maksimale effekt 15W. Vi laver dog SMPS i den åbne ramme og til den universelle indgangsklassificering. I et sådant segment kunne TNY268PN levere 15W output. Lad os se pin-diagrammet.

Design af 5v 2Amp SMPS Circuit

Den bedste måde at opbygge 5V 2A SMPS-skemaet på er at bruge Power integration's PI-ekspertsoftware. Download PI-ekspertsoftwaren, og brug version 8.6. Det er fremragende software til design af strømforsyning. Nedenstående kredsløb er konstrueret ved hjælp af Power Integrations PI-ekspertsoftware. Hvis du er ny med denne software, kan du henvise til designsektionen i dette 12V SMPS-kredsløb for at forstå, hvordan du bruger softwaren.

Før vi går direkte ind i opbygningen af prototypedelen, lad os udforske 5v 2A SMPS-kredsløbsdiagrammet og dets funktion.

Kredsløbet har følgende afsnit-

Inputbølge og SMPS-fejlbeskyttelse
AC-DC konvertering
PI-filter
Driverkredsløb eller Skiftekredsløb
Spændingsbeskyttelse under spænding.
Klemkredsløb.
Magnetik og galvanisk isolering.
EMI-filter
Sekundær ensretter og snubber kredsløb
Filtersektion
Feedback sektion.

Inputbølge og SMPS-fejlbeskyttelse:

Dette afsnit består af to komponenter, F1 og RV1. F1 er en 1A 250VAC sikring med langsom slag og RV1 er en 7mm 275V MOV (Metal Oxide Varistor). Under en højspændingsbølge (mere end 275VAC) blev MOV død kort og blæser indgangssikringen. På grund af den langsomme blæse-funktion modstår sikringen imidlertid indgangsstrøm gennem SMPS.

AC-DC konvertering:

Dette afsnit styres af diodebroen. Disse fire dioder (inde i DB107) udgør en fuld bro ensretter. Dioderne er 1N4006, men standard 1N4007 kan udføre jobbet perfekt. I dette projekt udskiftes disse fire dioder med en fuld bro ensretter DB107.

PI filter:

Forskellige stater har forskellige EMI-afvisningsstandarder. Dette design bekræfter EN61000-klasse 3-standarden, og PI-filteret er designet på en sådan måde at reducere den fælles-mode EMI-afvisning. Dette afsnit oprettes ved hjælp af C1, C2 og L1. C1 og C2 er 400V 18uF kondensatorer. Det er en ulige værdi, så 22uF 400V er valgt til denne applikation. L1 er en almindelig choker, der tager differentielt EMI-signal for at annullere begge dele.

Driverkredsløb eller koblingskredsløb:

Det er hjertet i en SMPS. Transformatorens primære side styres af koblingskredsløbet TNY268PN. Skiftefrekvensen er 120-132 kHz. På grund af denne høje skiftefrekvens kan mindre transformere bruges. Skiftekredsløbet har to komponenter, U1 og C3. U1 er den vigtigste driver IC TNY268PN. C3 er den bypass-kondensator, der er nødvendig for at arbejde med vores driver IC.

Spændingsbeskyttelse under spænding:

Beskyttelse mod spænding under spænding udføres af sensormodstanden R1 og R2. Det bruges, når SMPS går i auto-genstartstilstand og registrerer netspændingen. Værdien af R1 og R2 genereres via PI Expert-værktøjet. To modstande i serie er en sikkerhedsforanstaltning og en god praksis for at undgå problemer med modstandssvigt. Således anvendes i stedet for 2M to 1M modstande i serien.

Klemkredsløb:

D1 og D2 er klemkredsen. D1 er TVS-dioden, og D2 er en ultrahurtig genoprettelsesdiode. Transformatoren fungerer som en enorm induktor på tværs af driveren IC TNY268PN. Derfor skaber transformatoren under frakoblingscyklussen højspændingsspidser på grund af transformatorens lækageinduktans. Disse højfrekvente spændingsspidser undertrykkes af diodeklemmen på tværs af transformeren. UF4007 er valgt på grund af den ultrahurtige opsving, og P6KE200A er valgt til TVS-operationen. I henhold til designet er den målrettede fastspænding (VCLAMP) 200V. Derfor er P6KE200A valgt, og til ultrahurtig blokeringsrelaterede problemer vælges UF4007 som D2.

Magnetik og galvanisk isolering:

Transformatoren er en ferromagnetisk transformer, og den konverterer ikke kun højspændings AC til lavspændings AC, men giver også galvanisk isolering.

EMI filter:

EMI-filtrering udføres af C4 kondensatoren. Det øger kredsløbets immunitet for at reducere den høje EMI-interferens. Det er en Y-klasse kondensator med en spænding på 2kV.

Sekundær ensretter og snubber-kredsløb:

Outputtet fra transformeren er rettet og konverteret til DC ved hjælp af D6, en Schottky-ensretterdiode. Snubber-kredsløbet over D6 tilvejebringer undertrykkelse af spændingens forbigående under skifteoperationer. Snubber-kredsløbet består af en modstand og en kondensator, R3 og C5.

Filtersektion:

Filtersektionen består af en filterkondensator C6. Det er en lav ESR-kondensator til bedre afvisning af krusninger. Et LC-filter, der bruger L2 og C7, giver også bedre afvisning af krusninger på tværs af output.

Feedback sektion:

Udgangsspændingen registreres af U3 TL431 og R6 og R7. Efter registrering af linjen U2 styres optokobleren og galvanisk isolerer den sekundære feedback-sensordel med den primære sidestyring. Optokobleren har en transistor og en LED inde i den. Ved at styre LED'en styres transistoren. Da kommunikationen udføres optisk, har den ingen direkte elektrisk forbindelse, hvilket også tilfredsstiller den galvaniske isolering på feedback-kredsløbet.

Nu, da LED'en direkte styrer transistoren, kan man ved at tilvejebringe tilstrækkelig bias over Optocoupler-LED'en styre Optocoupler-transistoren, mere specifikt driverkredsløb. Dette kontrolsystem anvendes af TL431. En shuntregulator. Da shuntregulatoren har en modstandsdeler hen over referencestiften, kan den styre Optocoupler-ledningen, der er forbundet over den. Feedbackstiften har en referencespænding på 2,5V. Derfor kan TL431 kun være aktiv, hvis spændingen over skillelinjen er tilstrækkelig. I vores tilfælde er spændingsdeleren indstillet til en værdi på 5V. Derfor, når output når 5V, får TL431 2,5V over referencestiften og aktiverer således Optocoupler's LED, som styrer transistoren på Optocoupler og indirekte styrer TNY268PN. Hvis spændingen ikke er tilstrækkelig på tværs af udgangen, afbrydes omskiftningscyklussen straks.

Først aktiverer TNY268PN den første skiftecyklus og registrerer derefter dens EN-pin. Hvis alt er i orden, fortsætter det skiftet, hvis ikke, prøver det igen efter engang. Denne sløjfe fortsættes, indtil alt bliver normalt, hvilket forhindrer kortslutnings- eller overspændingsproblemer. Dette kaldes flyback-topologi, da udgangsspændingen flyves tilbage til driveren for at registrere relaterede operationer. Prøvesløjfen kaldes også en hikke-funktionstilstand under fejltilstanden.

D3 er en Schottky-barrierdiode. Denne diode konverterer højfrekvent AC-udgang til en DC. 3A 60V Schottky-diode er valgt til pålidelig drift. R4 og R5 vælges og beregnes af PI-eksperten. Det opretter en spændingsdeler og sender strømmen til Optocoupler-LED'en fra TL431.

R6 og R7 er en simpel spændingsdeler beregnet med formlen TL431 REF-spænding = (Vout x R7) / R6 + R7. Referencespændingen er 2,5V og Vout er 12V. Ved at vælge værdien på R6 23,7k blev R7 ca. 9,09k.

Opbygning af en skiftetransformer til vores SMPS-kredsløb

Normalt for et SMPS-kredsløb kræves en omskiftningstransformator, disse transformere kan anskaffes fra transformerproducenter baseret på dine designkrav. Men problemet her er, hvis du lærer ting at opbygge en prototype, kan du ikke finde den nøjagtige transformer fra hylderne til dit design. Så vi lærer, hvordan man bygger en skiftetransformator baseret på designkravene fra vores PI-ekspertsoftware.

Lad os se det genererede transformer konstruktionsdiagram.

Som ovenstående billede siger, er vi nødt til at udføre 103 drejninger af en enkelt 32 AWG-ledning på den primære side og 5 omdrejninger af to 25 AWG-ledninger på den sekundære side.

På ovenstående billede er startpunktet for viklingerne og retningen af viklingen beskrevet som et mekanisk diagram. For at lave denne transformer er følgende ting nødvendige -

EE19-kerne, NC-2H eller ækvivalent specifikation og gapped til ALG 79 nH / T ²
Spole med 5 ben i den primære og sekundære side.
Barrierebånd med 1 mil tykkelse. 9 mm bred tape er påkrævet.
32 AWG loddet belagte emaljeret kobbertråd.
25AWG loddet belagt emaljeret kobbertråd.
LCR-måler.

EE19-kerne med NC-2H med en gappet kerne på 79nH / T2 er påkrævet; generelt er den tilgængelig parvis. Spolen er en generisk med 4 primære og 5 sekundære ben. Her bruges dog spole med 5 ben på begge sider.

Til barrierebåndet anvendes standardkanaltape, der har en bundtykkelse på mere end 1 mil (typisk 2 mil). Under aflytningsrelaterede aktiviteter bruges en saks til at skære båndet til perfekte bredder. Kobbertråde anskaffes fra gamle transformere, og den kan også købes i lokale butikker. Kernen og spolen, som jeg bruger, er vist nedenfor

Trin 1: Tilføj loddemetal i 1. og 5. ben på den primære side. Lod 32 AWG-ledningen ved pin 5, og viklingsretningen er med uret. Fortsæt indtil 103 drejer som vist nedenfor

Dette udgør den primære side af vores transformer, når de 103 omdrejninger af viklingen er afsluttet, så min transformer sådan ud nedenfor.

Trin 2: Påfør duct tape til isoleringsformål, der er brug for 3 omgange af duct tape. Det hjælper også med at holde spolen på plads.

Trin 3: Start sekundærviklingen fra pin 9 og 10. Den sekundære side er lavet ved hjælp af to tråde af 25AWG emaljerede kobbertråde. Lod en kobbertråd til stiften 9 og en anden i stift 10. Opviklingsretningen er igen med uret. Fortsæt indtil 5 omdrejninger og lod slutningerne på pin 5 og 6. Tilsæt isoleringstape ved at påføre det samme tape som før.

Når både primære og sekundære viklinger er færdige, og tape er brugt, så min transformer ud som vist nedenfor

Trin 4: Nu kan vi sikre de to kerner tæt ved hjælp af tape, og når den færdige transformer er færdig, skal den se sådan ud nedenfor.

Trin 5: Sørg også for at pakke duct tape side om side. Dette vil reducere vibrationen under fluxoverførsel med høj densitet.

Efter ovenstående trin er foretaget, og transformeren testes ved hjælp af et LCR-meter som vist nedenfor. Måleren viser 1,125 mH eller 1125 uh induktanser.

Opbygning af SMPS Circuit:

Når transformeren er klar, kan vi fortsætte med at samle de andre komponenter på det stiplede bord. De dele, der kræves til kredsløbet, kan findes i listen over materialelister nedenfor

BOM-deloplysninger til 5V 2A SMPS-kredsløb

Når komponenterne er loddet, ser mit bord sådan ud.

Test af 5V 2A SMPS-kredsløbet

For at teste kredsløbet tilsluttede jeg indgangssiden til strømforsyningen via en VARIAC for at kontrollere indgangsstrømmen. Udgangsspændingen ved 85VAC og 230VAC er vist i nedenstående -

Som du kan se i begge tilfælde, holdes udgangsspændingen på 5V. Men så forbandt jeg output til mit omfang og tjekkede for krusninger. Krusningsmåling er vist nedenfor

Output krusningen er ret høj, det viser 150mV pk-pk krusning output. Dette er totalt ikke godt for et strømforsyningskredsløb. Baseret på analysen skyldes den høje rippel nedenstående faktorer-

Forkert printkortdesign.
Jordhoppende problem.
Printkølelegemet er forkert.
Ingen udskæring på støjende forsyningsledninger.
Øgede tolerancer på transformator på grund af håndvikling. Transformerproducenter anvender dip lak under maskinens viklinger for bedre stabilitet af transformatorerne.

Hvis kredsløbet konverteres til et ordentligt printkort, kan vi forvente, at strømforsyningens krusningseffekt inden for 50mV pk-pk selv med en håndviklingstransformator. Da veroboard ikke er en sikker mulighed for at foretage switch mode strømforsyning i AC til DC domæne, foreslås det konstant, at korrekt PCB skal etableres, inden der anvendes høje spændingskredsløb i praktiske scenarier. Du kan tjekke videoen i slutningen af denne side for at kontrollere, hvordan kredsløbet fungerer under belastningsforhold.

Håber du forstod vejledningen og lærte at opbygge dine egne SMPS-kredsløb med en håndlavet transformer. Hvis du har spørgsmål, skal du lade dem være i kommentarfeltet nedenfor eller bruge vores fora til flere spørgsmål.