Kaip suprojektuoti 5v 2a smps maitinimo grandinę

Maitinimo blokas (PSU) yra gyvybiškai svarbi bet kokio elektroninio gaminio dizaino dalis. Daugumai buitinių elektroninių gaminių, tokių kaip mobilieji įkrovikliai, „Bluetooth“ garsiakalbiai, maitinimo bankai, išmanieji laikrodžiai ir kt., Reikalinga maitinimo grandinė, kuri kintamosios srovės maitinimo šaltinį galėtų paversti 5 V nuolatine srove. Šiame projekte sukursime panašią kintamosios srovės ir nuolatinės srovės maitinimo grandinę su 10 W galia. Tai yra mūsų grandinė pavers 220 V kintamosios srovės tinklą į 5 V ir užtikrins maksimalią išėjimo srovę iki 2A. Šio galingumo turėtų pakakti daugumai elektroninių gaminių, veikiančių 5 V įtampa, maitinimo. Taip pat 5V 2A SMPS grandinė yra gana populiari elektronikoje, nes yra daug mikrovaldiklių, veikiančių 5V įtampa.

Projekto idėja yra kuo paprastesnė konstrukcija, todėl mes suprojektuosime visą grandinę per punktyrinę lentą (perf lentą) ir taip pat sukursime savo transformatorių, kad kiekvienas galėtų pakartoti šį dizainą ar pastatyti panašius. Džiaugiamės teisingai! Taigi leiskite pradėti. Anksčiau mes taip pat sukūrėme 12 V 15 W SMPS grandinę, naudodami PCB, todėl žmonės, kurie domisi, kaip sukurti PSU projektą PSU projektui (maitinimo blokas), taip pat gali tai patikrinti.

5V 2A SMPS grandinė. Projektavimo specifikacijos

Skirtingos maitinimo šaltinių veislės skirtingose aplinkose elgiasi skirtingai. Be to, SMPS veikia pagal tam tikras įvesties ir išvesties ribas. Prieš pradedant tikrąjį projektą, reikia atlikti tinkamą specifikacijų analizę.

Įvesties specifikacija:

Tai bus SMPS kintamosios ir nuolatinės srovės konversijos srityje. Todėl įvestis bus kintama. Įvesties įtampos vertei naudinga naudoti universalų SMPS įvesties reitingą. Taigi kintamosios srovės įtampa bus 85–265 VAC su 50 Hz reitingu. Tokiu būdu SMPS gali būti naudojamas bet kurioje šalyje, neatsižvelgiant į jų kintamosios srovės įtampos vertę.

Išvesties specifikacija:

Išėjimo įtampa parenkama kaip 5V, esant 2A srovės galiai. Taigi, tai bus 10 W galia. Kadangi šis SMPS užtikrins pastovią įtampą, nepriklausomai nuo apkrovos srovės, jis veiks CV (pastovios įtampos) režimu. Ši 5 V išėjimo įtampa turėtų būti pastovi ir pastovi net esant mažiausiai įėjimo įtampai, kai maksimali apkrova (2A) visoje išėjime.

Labai norima, kad gero maitinimo bloko banginė įtampa būtų mažesnė nei 30 mV pk-pk. Šio SMPS tikslinė pulsacijos įtampa yra mažesnė nei 30 mV didžiausio ir didžiausio pulsacijos. Kadangi šis SMPS bus pastatytas verbalyje naudojant rankų darbo perjungimo transformatorių, galime tikėtis šiek tiek didesnių bangų verčių. Šios problemos galima išvengti naudojant PCB.

Apsaugos savybės:

SMPS sistemoje galima naudoti įvairias apsaugos grandines saugiai ir patikimai. Apsaugos grandinė apsaugo SMPS, taip pat su tuo susijusią apkrovą. Priklausomai nuo tipo, apsaugos grandinę galima prijungti per įvestį arba išėjimą.

Šiam SMPS bus naudojama apsauga nuo viršįtampių, kai maksimali darbinė įėjimo įtampa yra 275 VAC. Be to, norint išspręsti EMI problemas, bus naudojamas įprasto režimo filtras, kuris pašalins sugeneruotą EMI. Dėl išėjimo pusėje mes apimti Apsauga nuo trumpojo jungimo, apsauga nuo viršįtampio ir per dabartinę apsaugą.

Maitinimo valdymo IC pasirinkimas

Kiekvienai SMPS grandinei reikalingas maitinimo valdymo IC, taip pat žinomas kaip perjungimo IC arba SMPS IC arba Drier IC. Apibendrinkime dizaino sumetimus, kad pasirinktume idealų energijos valdymo IC, kuris bus tinkamas mūsų dizainui. Mūsų projektavimo reikalavimai yra

10W galia. 5V 2A esant pilnai apkrovai.
Universalus įvesties įvertinimas. 85-265 VAC 50Hz dažniu
Įvesties apsauga nuo viršįtampių. Didžiausia įėjimo įtampa 275VAC.
Išėjimo trumpasis jungimas, apsauga nuo viršįtampio ir viršsrovės.
Nuolatinės įtampos operacijos.

Iš aukščiau nurodytų reikalavimų galima rinktis iš daugybės IC, tačiau šiam projektui pasirinkome „ Power“ integraciją. Maitinimo integracija yra puslaidininkių kompanija, turinti platų galios valdiklių IC spektrą įvairiuose galios diapazonuose. Atsižvelgdami į reikalavimus ir prieinamumą, mes nusprendėme naudoti TNY268PN iš mažų II jungiklių šeimų. Anksčiau mes naudojome šį IC, norėdami sukurti 12 V SMPS grandinę ant PCB.

Aukščiau pateiktame paveikslėlyje parodyta maksimali galia 15W. Tačiau mes padarysime SMPS atvirame rėme ir visuotiniam įvesties reitingui. Tokiame segmente TNY268PN galėtų suteikti 15 W galingumą. Pažiūrėkime kaiščių schemą.

5v 2Amp SMPS grandinės projektavimas

Geriausias būdas sukurti 5V 2A SMPS schemą yra naudoti „Power Integration“ PI ekspertų programinę įrangą. Atsisiųskite PI ekspertų programinę įrangą ir naudokite 8.6 versiją. Tai puiki maitinimo šaltinio projektavimo programinė įranga. Žemiau parodyta grandinė sukonstruota naudojant „Power Integration“ PI ekspertų programinę įrangą. Jei dar nesinaudojote šia programine įranga, galite sužinoti šios 12 V SMPS grandinės projektavimo skyrių, kad suprastumėte, kaip naudoti programinę įrangą.

Prieš eidami tiesiai į prototipo dalies kūrimą, panagrinėkime 5v 2A SMPS grandinės schemą ir jos veikimą.

Grandinėje yra šie skyriai:

Įvesties viršįtampio ir SMPS apsauga nuo gedimų
AC-DC konversija
PI filtras
Vairuotojo grandinė arba perjungimo grandinė
Apsauga nuo per mažos įtampos blokavimo
Spaustuko grandinė.
Magnetika ir galvaninė izoliacija.
EMI filtras
Antrinis lygintuvas ir „snubber“ grandinė
Filtro skyrius
Atsiliepimų skiltis.

Įvesties viršįtampių ir SMPS gedimų apsauga:

Šį skyrių sudaro du komponentai - F1 ir RV1. F1 yra 1A 250VAC lėtas saugiklis, o RV1 yra 7mm 275V MOV (metalo oksido varistorius). Aukštos įtampos šuolio metu (daugiau nei 275 VAC) MOV trumpam sustojo ir išpūtė įvesties saugiklį. Tačiau dėl lėto pūtimo funkcijos saugiklis atlaiko įsiurbimo srovę per SMPS.

AC-DC konversija:

Šią atkarpą reguliuoja diodų tiltas. Šie keturi diodai (DB107 viduje) sukuria viso tilto lygintuvą. Diodai yra 1N4006, tačiau standartinis 1N4007 gali puikiai atlikti šį darbą. Šiame projekte šie keturi diodai yra pakeisti viso tilto lygintuvu DB107.

PI filtras:

Skirtingose valstybėse skiriasi EMI atmetimo standartas. Ši konstrukcija patvirtina EN61000 3 klasės standartą, o PI filtras sukurtas taip, kad sumažintų įprasto režimo EMI atmetimą. Šis skyrius sukurtas naudojant C1, C2 ir L1. C1 ir C2 yra 400 V 18uF kondensatoriai. Tai nelyginė vertė, todėl šiai programai pasirinktas 22uF 400V. L1 yra įprasto režimo droselis, kuriam reikia diferencinio EMI signalo, kad būtų atšaukti abu.

Vairuotojo grandinė arba perjungimo grandinė:

Tai SMPS širdis. Transformatoriaus pagrindinę pusę valdo perjungimo grandinė TNY268PN. Perjungimo dažnis yra 120-132 khz. Dėl šio aukšto perjungimo dažnio galima naudoti mažesnius transformatorius. Perjungimo grandinę sudaro du komponentai - U1 ir C3. U1 yra pagrindinis IC TNY268PN variklis. C3 yra apeinamasis kondensatorius, reikalingas mūsų vairuotojo IC darbui.

Apsauga nuo nepakankamos įtampos:

Apsaugą nuo per mažos įtampos blokuoja jutiminiai rezistoriai R1 ir R2. Jis naudojamas, kai SMPS pereina į automatinio paleidimo režimą ir pajunta linijos įtampą. R1 ir R2 reikšmė generuojama naudojant PI eksperto įrankį. Du nuoseklūs rezistoriai yra saugos priemonė ir gera praktika siekiant išvengti rezistoriaus gedimo problemų. Taigi vietoj 2M serijoje naudojami du 1M rezistoriai.

Spaustuko grandinė:

D1 ir D2 yra spaustuko grandinė. D1 yra TVS diodas, o D2 - ypač greitas atkūrimo diodas. Transformatorius veikia didžiulį induktorių per maitinimo šaltinį IC TNY268PN. Todėl per išjungimo ciklą transformatorius sukuria aukštos įtampos šuolius dėl transformatoriaus nuotėkio induktyvumo. Šiuos aukšto dažnio įtampos šuolius slopina transformatoriaus diodų spaustukas. UF4007 pasirenkamas dėl ypač greito atkūrimo, o TVS operacijai - P6KE200A. Pagal projektą tikslinė užspaudimo įtampa (VCLAMP) yra 200 V. Todėl pasirenkamas P6KE200A ir dėl itin greito blokavimo susijusių problemų UF4007 pasirenkamas kaip D2.

Magnetika ir galvaninė izoliacija:

Transformatorius yra feromagnetinis transformatorius ir jis ne tik paverčia aukštos įtampos kintamąją į žemos įtampos kintamąja srove, bet ir užtikrina galvaninę izoliaciją.

EMI filtras:

EMI filtravimą atlieka C4 kondensatorius. Tai padidina grandinės atsparumą, kad sumažintų didelius EMI trukdžius. Tai yra Y klasės kondensatorius, kurio įtampa yra 2kV.

Antrinis lygintuvas ir „Snubber“ grandinė:

Transformatoriaus išvestis ištaisoma ir paverčiama nuolatine nuolatine srove naudojant D6 - Schottky lygintuvo diodą. D6 įtampos grandinė slopina pereinamąją įtampą perjungimo operacijų metu. Snuberio grandinę sudaro vienas rezistorius ir vienas kondensatorius R3 ir C5.

Filtro skyrius:

Filtro sekciją sudaro filtro kondensatorius C6. Tai mažo ESR kondensatorius, leidžiantis geriau atmesti pulsaciją. Be to, LC filtras, naudojant L2 ir C7, užtikrina geresnį pulsacijos atmetimą išvestyje.

Atsiliepimų skiltis:

Išėjimo įtampą nustato U3 TL431 ir R6 ir R7. Pajutęs liniją U2, optinis jungiklis yra valdomas ir galvaniškai izoliuojantis antrinio grįžtamojo ryšio jutimo dalį pirminiu šoniniu valdikliu. „Optocoupler“ viduje yra tranzistorius ir šviesos diodas. Valdant šviesos diodą, tranzistorius valdomas. Kadangi ryšys vykdomas optiškai, jis neturi tiesioginio elektros jungties, todėl patenkina ir galvaninę izoliaciją grįžtamojo ryšio grandinėje.

Dabar, kai šviesos diodas tiesiogiai valdo tranzistorių, užtikrindamas pakankamą „Optocoupler“ šviesos diodų poslinkį, galima valdyti „ Optocoupler“ tranzistorių, tiksliau - tvarkyklės grandinę. Šią valdymo sistemą naudoja TL431. Šunto reguliatorius. Kadangi šunto reguliatorius turi rezistoriaus daliklį per atskaitos kaištį, jis gali valdyti per jį sujungtą „Optocoupler“ laidą. Grįžtamojo kaiščio atskaitos įtampa yra 2,5 V. Todėl TL431 gali būti aktyvus tik tuo atveju, jei įtampa per daliklį yra pakankama. Mūsų atveju įtampos daliklis yra nustatytas į 5 V vertę. Todėl, kai išėjimas pasiekia 5 V, TL431 gauna 2,5 V per atskaitos kaištį ir taip įjungia „Optocoupler“ šviesos diodą, kuris valdo „Optocoupler“ tranzistorių ir netiesiogiai valdo „TNY268PN“. Jei išėjime nepakanka įtampos, perjungimo ciklas nedelsiant sustabdomas.

Pirma, TNY268PN suaktyvina pirmąjį perjungimo ciklą ir tada nujaučia jo EN kaištį. Jei viskas gerai, jis tęs perjungimą, jei ne, po kurio laiko bandys dar kartą. Ši kilpa tęsiama tol, kol viskas normalizuosis, taip išvengiant trumpojo jungimo ar viršįtampio problemų. Štai kodėl ji vadinama „ flyback“ topologija, nes išėjimo įtampa grįžta į vairuotoją, kad jis suprastų susijusias operacijas. Be to, bandymo ciklas vadinamas žagsėjimo režimu gedimo sąlygomis.

D3 yra Schottky barjerinis diodas. Šis diodas konvertuoja aukšto dažnio kintamosios srovės išėjimą į nuolatinę. Patikimam veikimui parenkamas 3A 60 V „Schottky“ diodas. R4 ir R5 parenka ir apskaičiuoja PI ekspertas. Jis sukuria įtampos daliklį ir perduoda srovę į „Optocoupler“ šviesos diodą iš TL431.

R6 ir R7 yra paprastas įtampos daliklis, apskaičiuotas pagal formulę TL431 REF įtampa = (Vout x R7) / R6 + R7. Etaloninė įtampa yra 2,5 V, o Vout - 12 V. Pasirinkus R6 23,7k vertę, R7 apytiksliai tapo 9,09k.

Perjungimo transformatoriaus sukūrimas mūsų SMPS grandinei

Paprastai SMPS grandinei reikės perjungimo transformatoriaus, šiuos transformatorius galima įsigyti iš transformatorių gamintojų, atsižvelgiant į jūsų projektavimo reikalavimus. Tačiau čia yra problema, jei mokaisi prototipo kūrimo dalykų, nerandate tikslaus transformatoriaus lentynose, kur galite sukurti savo dizainą. Taigi mes sužinosime, kaip sukurti perjungimo transformatorių, atsižvelgiant į projektavimo reikalavimus, kuriuos pateikia mūsų PI ekspertų programinė įranga.

Pažiūrėkime sugeneruotą transformatoriaus konstrukcijos diagramą.

Kaip nurodyta pirmiau pateiktame paveikslėlyje, mes turime atlikti 103 viengubo 32 AWG laido posūkius pagrindinėje pusėje ir 5 posūkius dviejų 25 AWG laidų antrinėje pusėje.

Aukščiau pateiktame paveikslėlyje apvijų pradinis taškas ir vyniojimo kryptis apibūdinama kaip mechaninė schema. Norint pagaminti šį transformatorių, reikia šių dalykų:

EE19 šerdis, NC-2H arba lygiavertė specifikacija ir su tarpais ALG 79 nH / T ²
Špagatas su 5 kaiščiais pagrindinėje ir antrinėje pusėse.
Barjerinė juosta 1 mil storio. Reikalinga 9 mm pločio juosta.
32 AWG lydmetalis dengtas emaliuotas varinis laidas.
25AWG lydmetalis dengtas emaliuotas varinis laidas.
LCR matuoklis.

Reikalinga EE19 šerdis su NC-2H, kurios šerdis yra 79nH / T2; paprastai jis yra poromis. Špagatas yra bendrasis, turintis 4 pirminius ir 5 antrinius kaiščius. Tačiau čia naudojamas ritė su 5 kaiščiais iš abiejų pusių.

„Barrier“ juostai naudojama standartinė lipni juosta, kurios pagrindo storis yra didesnis nei 1 mil (paprastai 2 mil). Vykdant su bakstelėjimu susijusią veiklą, žirklės naudojamos norint nupjauti juostą, kad jos plotis būtų tobulas. Vario laidai perkami iš senų transformatorių, jų galima įsigyti ir vietinėse parduotuvėse. Šerdis ir ritė, kurią naudoju, parodyta žemiau

1 žingsnis: Pridėkite lydmetalį 1 ir 5 kaiščiuose pagrindinėje pusėje. Lituokite 32 AWG laidą 5 kaištyje ir vyniojimo kryptis yra pagal laikrodžio rodyklę. Toliau važiuokite iki 103 posūkių, kaip parodyta žemiau

Tai sudaro pagrindinę mūsų transformatoriaus pusę, kai bus baigti 103 apvijos posūkiai, mano transformatorius atrodė taip žemiau.

2 žingsnis: Apklijuokite lipnia juosta izoliacijai, reikia 3 juostos posūkių. Tai taip pat padeda išlaikyti ritę.

3 žingsnis: pradėkite antrinę apviją nuo kaiščių 9 ir 10. Antrinė pusė pagaminta naudojant dvi 25AWG emaliuotų varinių laidų sruogas. Pritvirtinkite vieną varinę vielą prie kaiščio 9, o kitą - prie kaiščio 10. Apvijos kryptis vėl yra pagal laikrodžio rodyklę. Tęskite iki 5 apsisukimų ir lituokite 5 ir 6 kaiščių galus. Įklijuokite izoliacinę juostą taip pat, kaip ir anksčiau.

Kai bus padaryta pirminė ir antrinė apvijos ir panaudota lipni juosta, mano transformatorius atrodė taip, kaip parodyta žemiau

4 žingsnis: Dabar mes galime tvirtai pritvirtinti du branduolius naudodami lipnią juostelę. Kai tai bus padaryta, baigtas transformatorius turėtų atrodyti taip žemiau.

5 žingsnis: Taip pat būtinai apvyniokite lipnią juostą viena šalia kitos. Tai sumažins vibraciją perduodant didelio tankio srautus.

Atlikus aukščiau nurodytus veiksmus ir transformatorių išbandžius naudojant LCR matuoklį, kaip parodyta žemiau. Skaitiklis rodo 1,125 mH arba 1125 uh induktyvumą.

SMPS grandinės kūrimas:

Kai transformatorius bus paruoštas, mes galime surinkti kitus komponentus ant punktyrinės lentos. Detalės detales, reikalingas grandinei, rasite žemiau esančiame medžiagų sąraše

Informacija apie 5V 2A SMPS grandinės BOM dalį

Kai komponentai bus lituoti, mano plokštė atrodo maždaug taip.

5V 2A SMPS grandinės testavimas

Norėdami patikrinti grandinę, aš prijungiau įvesties pusę prie maitinimo šaltinio per VARIAC, kad galėčiau valdyti įvesties kintamosios srovės tinklo įtampą. Išėjimo įtampa esant 85 VAC ir 230 V AC yra parodyta žemiau.

Kaip matote abiem atvejais, išėjimo įtampa palaikoma 5 V įtampa. Bet tada aš prijungiau išvestį prie savo srities ir patikrinau, ar nėra bangų. Apačių matavimas parodytas žemiau

Išėjimo bangavimas yra gana didelis, jis rodo 150mV pk-pk pulsacijos išėjimą. Tai visiškai nėra gerai maitinimo grandinei. Remiantis analize, didelį bangavimą lemia žemiau

Netinkamas PCB projektavimas.
Žemės atšokimo problema.
PCB šilumos kriauklė yra netinkama.
Nėra išjungimo triukšmingose tiekimo linijose.
Padidėjęs transformatoriaus nuokrypis dėl rankinio vyniojimo. Transformatorių gamintojai mašinos apvijų metu tepa panardinamąjį laką, kad transformatoriai būtų stabilesni.

Jei grandinė bus paversta tinkama PCB, galime tikėtis, kad maitinimo šaltinio išvestis bus 50mV pk-pk ribose, net ir su rankiniu vyniojamuoju transformatoriumi. Vis dėlto, kadangi „veroboard“ nėra saugus pasirinkimas perjungimo režimo maitinimą iš kintamosios ir nuolatinės srovės domeno, nuolat siūloma prieš pradedant taikyti aukštos įtampos grandines praktiniuose scenarijuose, sukurti tinkamą PCB. Vaizdo įrašą galite patikrinti šio puslapio pabaigoje, kad patikrintumėte, kaip grandinė veikia apkrovos sąlygomis.

Tikiuosi, kad supratote pamoką ir sužinojote, kaip sukurti savo SMPS grandines su rankų darbo transformatoriumi. Jei turite klausimų, palikite juos komentarų skiltyje žemiau arba naudokite mūsų forumus, jei norite gauti daugiau klausimų.