- 5V 2A SMPS-krets - designspecifikationer
- Val av IC för strömhantering
- Designa 5V 2Amp SMPS Circuit
- Bygga en växlingstransformator för vår SMPS-krets
- Bygga SMPS Circuit:
- Testar 5V 2A SMPS-kretsen
Power Supply Unit (PSU) är en viktig del i alla elektroniska produktdesigner. De flesta elektroniska hushållsprodukter som mobilladdare, Bluetooth-högtalare, kraftbanker, smarta klockor etc kräver en strömförsörjningskrets som kan omvandla nätströmmen till 5V DC för att driva dem. I det här projektet kommer vi att bygga en likströmskrets med likström och likström med 10W effekt. Det är vår krets som kommer att konvertera 220V nätström till 5V och ge en maximal utström upp till 2A. Denna effekt ska vara tillräcklig för att driva de flesta elektroniska produkter som körs på 5V. Dessutom är 5V 2A SMPS-kretsen ganska populär inom elektronik eftersom det finns många mikrokontroller som fungerar på 5V.
Idén med projektet är att hålla byggnaden så enkel som möjligt, därför kommer vi att utforma hela kretsen över ett prickat kort (perf-kort) och kommer också att bygga vår egen transformator så att vem som helst kan replikera denna design eller bygga liknande. Upphetsad rätt! Så låt oss komma igång. Tidigare har vi också byggt en 12V 15W SMPS-krets med ett kretskort, så människor som är intresserade av hur man utformar ett kretskort för ett PSU-projekt (strömförsörjningsenhet) kan också kontrollera det.
5V 2A SMPS-krets - designspecifikationer
Olika varianter av strömförsörjning beter sig olika i olika miljöer. SMPS fungerar också i specifika inmatnings- och utgångsgränser. Korrekt specifikationsanalys måste utföras innan man går vidare med den faktiska designen.
Ingångsspecifikation:
Detta kommer att vara en SMPS i AC till DC-konverteringsdomän. Därför kommer ingången att vara växelström. För ingångsspänningsvärdet är det bra att använda en universell ingångsgrad för SMPS. Således kommer växelspänningen att vara 85-265VAC med 50Hz-klassning. På så sätt kan SMPS användas i vilket land som helst, oavsett deras växelspänningsvärde.
Utgångsspecifikation:
Utgångsspänningen väljs som 5V med 2A av strömvärdena. Således blir det 10W uteffekt. Eftersom denna SMPS kommer att ge konstant spänning oberoende av belastningsströmmen kommer den att fungera i CV-läget (konstant spänning). Denna utspänning på 5V bör vara konstant och stabil även vid den lägsta ingångsspänningen under en maximal belastning (2A) över utgången.
Det är mycket önskvärt att en bra strömförsörjningsenhet har en rippelspänning på mindre än 30 mV pk-pk. Den riktade krusningsspänningen för denna SMPS är mindre än 30 mV topp-topp krusning. Eftersom denna SMPS kommer att byggas på veroboard med hjälp av en handgjord omkopplingstransformator kan vi förvänta oss något högre krusningsvärden. Detta problem kan undvikas med hjälp av ett PCB.
Skyddsfunktioner:
Det finns olika skyddskretsar som kan användas i en SMPS för en säker och pålitlig drift. Skyddskretsen skyddar såväl SMPS som tillhörande belastning. Beroende på typ kan skyddskrets anslutas över ingången eller över utgången.
För denna SMPS kommer ingångsspänningsskydd att användas med en maximal ingångsspänning på 275VAC. För att hantera EMI-problem kommer också ett vanligt lägesfilter att användas för att stänga av den genererade EMI. På utgångssidan kommer vi att inkludera kortslutningsskydd, överspänningsskydd och överströmsskydd.
Val av IC för strömhantering
Varje SMPS-krets kräver en strömhanterings-IC, även kallad switch-IC eller SMPS IC eller Drier IC. Låt oss sammanfatta designövervägandena för att välja den perfekta Power Management IC som passar vår design. Våra designkrav är
- 10W utgång. 5V 2A vid full belastning.
- Universal ingångsbetyg. 85-265VAC vid 50Hz
- Ingångsöverspänningsskydd. Maximal ingångsspänning 275VAC.
- Kortslutning, överspänning och överströmsskydd.
- Konstant spänningsoperationer.
Från ovanstående krav finns det ett brett utbud av IC: er att välja mellan, men för detta projekt har vi valt Power integration. Power integration är ett halvledarföretag som har ett brett utbud av IC-drivkretsar i olika effektutbud. Baserat på kraven och tillgängligheten har vi beslutat att använda TNY268PN från små switch II-familjer. Vi har tidigare använt denna IC för att bygga en 12V SMPS-krets på ett kretskort.
I bilden ovan visas den maximala effekten 15W. Vi kommer dock att göra SMPS i den öppna ramen och för den universella ingångsbetyget. I ett sådant segment kan TNY268PN ge 15W-uteffekt. Låt oss se stiftdiagrammet.
Designa 5V 2Amp SMPS Circuit
Det bästa sättet att bygga 5V 2A SMPS Schematisk är att använda Power integration PI expert programvara. Ladda ner PI-expertprogramvaran och använd version 8.6. Det är utmärkt programvara för strömförsörjning. Kretsen nedan är konstruerad med Power Integrations PI-expertprogramvara. Om du är ny med denna programvara kan du hänvisa till designavsnittet i denna 12V SMPS-krets för att förstå hur du använder programvaran.
Innan vi går direkt in i byggandet av prototypdelen, låt oss utforska 5v 2A SMPS-kretsschemat och dess funktion.
Kretsen har följande avsnitt-
- Ingångsskydd och SMPS-felskydd
- AC-DC-omvandling
- PI-filter
- Drivkrets eller omkopplingskrets
- Låsskydd under spänning.
- Klämkrets.
- Magnetik och galvanisk isolering.
- EMI-filter
- Sekundär likriktare och snubberkrets
- Filtersektion
- Feedback avsnitt.
Ingångsskydd och SMPS-felskydd:
Detta avsnitt består av två komponenter, F1 och RV1. F1 är en 1A 250VAC långsam säkring och RV1 är en 7mm 275V MOV (Metal Oxide Varistor). Under en högspänning (mer än 275VAC) blev MOV död kort och blåser ingångssäkring. Men på grund av den långsamma blåsningsfunktionen tål säkringen inströmningsström genom SMPS.
AC-DC-omvandling:
Detta avsnitt styrs av diodbryggan. Dessa fyra dioder (inuti DB107) gör en full brygglikriktare. Dioderna är 1N4006, men standard 1N4007 kan göra jobbet perfekt. I det här projektet ersätts dessa fyra dioder med en full brygglikriktare DB107.
PI-filter:
Olika stater har olika EMI-avvisningsstandarder. Denna konstruktion bekräftar EN61000-klass 3-standarden och PI-filtret är utformat på ett sådant sätt att det vanliga EMI-avvisandet minskar. Detta avsnitt skapas med C1, C2 och L1. C1 och C2 är 400V 18uF kondensatorer. Det är ett udda värde så 22uF 400V väljs för denna applikation. L1 är en vanlig choke som tar differentiell EMI-signal för att avbryta båda.
Drivkrets eller kopplingskrets:
Det är hjärtat i en SMPS. Transformatorns primära sida styrs av omkopplingskretsen TNY268PN. Växelfrekvensen är 120-132 kHz. På grund av denna höga omkopplingsfrekvens kan mindre transformatorer användas. Omkopplingskretsen har två komponenter, U1 och C3. U1 är huvuddrivrutinen IC TNY268PN. C3 är den förbikopplingskondensator som behövs för att arbeta med vår förar-IC.
Låsskydd under spänning:
Utspänningsskydd görs av avkänningsmotståndet R1 och R2. Den används när SMPS går in i autostartläget och känner av nätspänningen. Värdet på R1 och R2 genereras via PI Expert-verktyget. Två motstånd i serie är en säkerhetsåtgärd och en god praxis för att undvika problem med motståndsfel. Istället för 2M används sålunda två 1M-motstånd i serien.
Klämkrets:
D1 och D2 är klämkretsen. D1 är TVS-dioden och D2 är en ultra-snabb återvinningsdiod. Transformatorn fungerar som en enorm induktor över kraftdrivrutinen IC TNY268PN. Därför under omkoppling frånslagen cykel, skapar transformatorn höga spänningsspikar på grund av läckinduktansen hos transformatorn. Dessa högfrekventa spikar undertrycks av diodklämman över transformatorn. UF4007 har valts på grund av den extremt snabba återställningen och P6KE200A har valts för TVS-funktionen. Enligt design är den riktade spänningsspänningen (VCLAMP) 200V. Därför väljs P6KE200A och för ultra-snabba blockeringsrelaterade problem väljs UF4007 som D2.
Magnetik och galvanisk isolering:
Transformatorn är en ferromagnetisk transformator och den omvandlar inte bara högspänning växelström till lågspänning växelström utan ger också galvanisk isolering.
EMI-filter:
EMI-filtrering görs av C4-kondensatorn. Det ökar kretsens immunitet för att minska den höga EMI-störningen. Det är en Y-klass kondensator med en spänning på 2kV.
Sekundär likriktare och snubberkrets:
Utgången från transformatorn korrigeras och omvandlas till DC med D6, en Schottky-likriktardiod. Snubberkretsen över D6 ger dämpning av spänningen som är transient under omkopplingsoperationer. Snubberkretsen består av ett motstånd och en kondensator, R3 och C5.
Filtersektion:
Filtersektionen består av en filterkondensator C6. Det är en låg ESR-kondensator för bättre avstötning av krusningar. Ett LC-filter som använder L2 och C7 ger också bättre rippelavstötning över utgången.
Feedback avsnitt:
Utspänningen känns av U3 TL431 och R6 och R7. Efter avkänning av linjen U2 styrs optokopplaren och isolerar den sekundära återkopplingsavkänningsdelen galvaniskt med den primära sidostyrenheten. Optokopplaren har en transistor och en LED inuti. Genom att styra lysdioden styrs transistorn. Eftersom kommunikationen sker optiskt har den ingen direkt elektrisk anslutning, vilket tillfredsställer också den galvaniska isoleringen på återkopplingskretsen.
Nu, eftersom lysdioden direkt kontrollerar transistorn, genom att tillhandahålla tillräcklig förspänning över Optocoupler-lysdioden, kan man styra Optocoupler-transistorn, mer specifikt drivkrets. Detta styrsystem används av TL431. En shuntregulator. Eftersom shuntregulatorn har en motståndsdelare över referensstiftet kan den styra Optocoupler-ledningen som är ansluten över den. Återkopplingsstiftet har en referensspänning på 2,5 V.. Därför kan TL431 endast vara aktiv om spänningen över delaren är tillräcklig. I vårt fall är spänningsdelaren inställd på ett värde på 5V. När utgången når 5V får TL431 därför 2,5V över referensstiftet och aktiverar därmed optokopplarens lysdiod som styr transistor hos optokopplaren och indirekt styr TNY268PN. Om spänningen inte är tillräcklig över utgången avbryts omedelbart cykeln.
Först aktiverar TNY268PN den första omkopplingscykeln och känner sedan dess EN-stift. Om allt är okej, kommer det att fortsätta växla, om inte, kommer det att försöka igen efter någon gång. Denna slinga fortsätter tills allt blir normalt, vilket förhindrar problem med kortslutning eller överspänning. Det är därför det kallas flyback-topologi, eftersom utspänningen flys tillbaka till föraren för avkänningsrelaterade operationer. Försöksslingan kallas också ett hicka-driftsläge vid felfunktionen.
D3 är en Schottky-barriärdiod. Denna diod omvandlar högfrekvent växelströmsutgång till en likström. 3A 60V Schottky-diod är vald för tillförlitlig drift. R4 och R5 väljs och beräknas av PI Expert. Det skapar en spänningsdelare och överför strömmen till Optocoupler-lysdioden från TL431.
R6 och R7 är en enkel spänningsdelare beräknad med formeln TL431 REF-spänning = (Vout x R7) / R6 + R7. Referensspänningen är 2,5V och Vout är 12V. Genom att välja värdet på R6 23,7k blev R7 ungefär 9,09k.
Bygga en växlingstransformator för vår SMPS-krets
Normalt krävs en omkopplingstransformator för en SMPS-krets, dessa transformatorer kan anskaffas från transformatortillverkare baserat på dina designkrav. Men problemet här är om du lär dig saker att bygga en prototyp kan du inte hitta den exakta transformatorn från hyllorna för din design. Så vi kommer att lära oss hur man bygger en omkopplingstransformator baserat på designkraven från vår PI-expertprogramvara.
Låt oss se det genererade transformatorns konstruktionsdiagram.
Som ovanstående bild säger måste vi utföra 103 svängningar av enstaka 32 AWG-tråd på primärsidan och 5 varv av två 25 AWG-trådar på sekundärsidan.
I bilden ovan beskrivs lindningens startpunkt och lindningens riktning som ett mekaniskt diagram. För att göra denna transformator behövs följande saker-
- EE19-kärna, NC-2H eller motsvarande specifikation och gapped för ALG 79 nH / T 2
- Spole med 5 stift i primär- och sekundärsidan.
- Barriärtejp med 1 mil tjocklek. 9 mm bred tejp krävs.
- 32 AWG lödbar belagd emaljerad koppartråd.
- 25AWG lödbar belagd emaljerad koppartråd.
- LCR-mätare.
EE19-kärna med NC-2H med en gappad kärna på 79nH / T2 krävs; i allmänhet är den tillgänglig i par. Spolen är en generisk med fyra primära och 5 sekundära stift. Här används emellertid spole med 5 stift på båda sidor.
För barriärtejpen används standardkanaltape som har en bastjocklek på mer än 1 mil (vanligtvis 2 mil). Under knackningsrelaterade aktiviteter används sax för att klippa tejpen för perfekta bredd. Koppartråd anskaffas från gamla transformatorer och det kan också köpas i lokala butiker. Kärnan och spolen som jag använder visas nedan
Steg 1: Lägg till löd i första och femte stiftet på primärsidan. Löd 32 AWG-ledningen vid stift 5 och lindningsriktningen är medurs. Fortsätt tills 103 svängar enligt bilden nedan
Detta utgör den primära sidan av vår transformator, när de 103 varv av lindningen är klar såg min transformator ut så här nedan.
Steg 2: Applicera tejp för isoleringsändamål, 3 varv tejp behövs. Det hjälper också till att hålla spolen på plats.
Steg 3: Starta sekundärlindningen från stift 9 och 10. Sekundärsidan är gjord med två trådar av 25AWG emaljerade koppartrådar. Löd en koppartråd till stiftet 9 och en annan i stift 10. Lindningsriktningen är åter medurs. Fortsätt tills 5 varv och löd ändarna på stift 5 och 6. Lägg till isoleringstejp genom att applicera tejp samma som tidigare.
När både primära och sekundära lindningar är klara och kanalbandet använts såg min transformator ut som visas nedan
Steg 4: Nu kan vi säkra de två kärnorna tätt med hjälp av tejp. När den färdiga transformatorn är klar ska den se ut så här nedan.
Steg 5: Se också till att linda tejpen sida vid sida. Detta minskar vibrationerna under högdensitetsflödesöverföring.
Efter att ovanstående steg har gjorts och transformatorn testats med en LCR-mätare som visas nedan. Mätaren visar 1,125 mH eller 1125 uh induktanser.
Bygga SMPS Circuit:
När transformatorn är klar kan vi fortsätta med att montera de andra komponenterna på det prickade kortet. De delavkalkningar som krävs för kretsen finns i listan över materiallistor nedan
- BOM-delinformation för 5V 2A SMPS-krets
När komponenterna är lödda ser mitt kort ut ungefär så här.
Testar 5V 2A SMPS-kretsen
För att testa kretsen anslöt jag ingångssidan till elnätet via en VARIAC för att styra ingångens växelspänning. Utgångsspänningen vid 85VAC och 230VAC visas nedan -
Som du kan se i båda fallen bibehålls utspänningen på 5V. Men sedan kopplade jag utgången till mitt omfång och letade efter krusningar. Rippelmätningen visas nedan
Utgående krusning är ganska hög, det visar 150mV pk-pk krusningseffekt. Detta är inte bra för en strömförsörjningskrets. Baserat på analysen beror den höga krusningen på faktorerna nedan-
- Felaktig PCB-design.
- Markstoppande fråga.
- PCB-kylflänsen är felaktig.
- Ingen utskärning på bullriga försörjningslinjer.
- Ökade toleranser på transformatorn på grund av handlindning. Transformatortillverkare applicerar dopplack under maskinlindningarna för att förbättra transformatorernas stabilitet.
Om kretsen omvandlas till ett korrekt kretskort kan vi förvänta oss strömförsörjningens krusningseffekt inom 50mV pk-pk även med en handlindande transformator. Men eftersom veroboard inte är ett säkert alternativ för att göra strömförsörjning för växelläge i AC till DC-domän föreslås det ständigt att korrekt kretskort måste upprättas innan högspänningskretsar tillämpas i praktiska scenarier. Du kan kontrollera videon i slutet av denna sida för att kontrollera hur kretsen fungerar under belastningsförhållanden.
Hoppas att du förstod handledningen och lärde dig att bygga dina egna SMPS-kretsar med en handgjord transformator. Om du har några frågor lämnar du dem i kommentarfältet nedan eller använder våra forum för fler frågor.