Як розробити схему живлення 5v 2a smps

Блок живлення (БП) є життєво важливою частиною будь-якого електронного дизайну виробу. Для більшості побутових електронних продуктів, таких як мобільні зарядні пристрої, акустичні системи Bluetooth, банки живлення, розумні годинники тощо, потрібна схема живлення, яка може перетворити джерело живлення змінного струму на 5 В постійного струму для їх роботи. У цьому проекті ми побудуємо аналогічну схему живлення змінного та постійного струму з номінальною потужністю 10 Вт. Тобто наша схема перетворить мережу змінного струму 220В на 5В і забезпечить максимальний вихідний струм до 2А. Цей показник потужності повинен бути достатнім для живлення більшості електронних виробів, що працюють на 5 В. Також схема 5V 2A SMPS досить популярна в електроніці, оскільки існує безліч мікроконтролерів, які працюють від 5V.

Ідея проекту полягає в тому, щоб зробити конструкцію якомога простішою, отже, ми розробимо повну схему над пунктирною дошкою (перфорна дошка), а також побудуємо наш власний трансформатор, щоб кожен міг повторити цю конструкцію або побудувати подібні. Схвильований правильно! Тож давайте почнемо. Раніше ми також побудували схему SMPS 12 В на 15 Вт, використовуючи друковану плату, тому люди, які цікавляться, як розробити друковану плату для проекту БП (блок живлення), можуть це також перевірити.

Схема SMPS 5V 2A - технічні характеристики

Різні різновиди джерел живлення поводяться по-різному в різних середовищах. Крім того, SMPS працює в певних межах вводу-виводу. Належний аналіз специфікації потрібно виконати перед тим, як рухатись до фактичного проекту.

Вхідна специфікація:

Це буде SMPS в домені перетворення змінного та постійного струму. Тому вхід буде змінним. Для значення вхідної напруги добре використовувати універсальний рейтинг вхідного сигналу для SMPS. Таким чином, змінна напруга складе 85-265 В змінного струму з номіналом 50 Гц. Таким чином, SMPS можна використовувати в будь-якій країні, незалежно від значення мережі змінного струму.

Вихідна специфікація:

Вихідна напруга вибирається як 5 В з 2 А поточного значення. Таким чином, це буде потужність 10 Вт. Оскільки цей SMPS буде забезпечувати постійну напругу незалежно від струму навантаження, він буде працювати в режимі CV (постійної напруги). Ця вихідна напруга 5В повинна бути постійною і стабільною навіть при найнижчій вхідній напрузі під час максимального навантаження (2А) на виході.

Вкрай бажано, щоб хороший блок живлення мав напругу пульсацій менше 30 мВ pk-pk. Цільова напруга пульсацій для цієї SMPS становить менше 30 мВ пікової пульсації. Оскільки цей SMPS буде побудований у veroboard із використанням ручного комутаційного трансформатора, ми можемо очікувати дещо вищих значень пульсацій. Цю проблему можна уникнути, використовуючи друковану плату.

Особливості захисту:

Існують різні схеми захисту, які можна використовувати в ДЗПО для безпечної та надійної роботи. Схема захисту захищає SMPS, а також пов'язане з цим навантаження. Залежно від типу, ланцюг захисту може бути підключена через вхід або через вихід.

Для цього SMPS буде використовуватися захист від перенапруги на вході з максимальною робочою вхідною напругою 275 В змінного струму. Крім того, для вирішення проблем EMI буде використаний загальний фільтр режимів для гасіння сформованого EMI. На стороні виведення ми будемо включати в себе захист від короткого замикання, захист від перенапруги і перевантаження по струму.

Вибір ІС управління енергією

Кожна схема SMPS вимагає мікросхеми управління живленням, також відомої як комутаційна мікросхема або мікросхема SMPS або мікросхема сушіння Давайте підведемо підсумки дизайну, щоб вибрати ідеальну ІС для управління живленням, яка буде підходити для нашого проекту. Наші вимоги до дизайну такі

1. Вихід 10 Вт. 5В 2А при повному навантаженні.
2. Універсальний рейтинг введення. 85-265 В змінного струму при 50 Гц
3. Захист від перенапруги на вході. Максимальна вхідна напруга 275 В змінного струму.
4. Вихідне коротке замикання, захист від перенапруги та перенапруги.
5. Операції з постійною напругою.

З вищевказаних вимог можна вибрати широкий спектр ІС, але для цього проекту ми вибрали інтеграцію живлення. Інтеграція енергії - це напівпровідникова компанія, яка має широкий спектр ІС драйверів живлення в різних діапазонах вихідної потужності. Виходячи з вимог та доступності, ми вирішили використовувати TNY268PN із крихітних сімейств комутаторів II. Раніше ми використовували цю мікросхему для побудови схеми 12В SMPS на друкованій платі.

На зображенні вище показано максимальну потужність 15 Вт. Однак ми зробимо SMPS у відкритому кадрі та для універсального вхідного рейтингу. У такому сегменті TNY268PN може забезпечити потужність 15 Вт. Давайте подивимося схему штифтів.

Проектування схеми SMPS 5v 2Amp

Найкращий спосіб побудувати схему SMPS 5V 2A - це використовувати експертне програмне забезпечення PI Power Integration. Завантажте програмне забезпечення PI expert та використовуйте версію 8.6. Це відмінне програмне забезпечення для проектування джерел живлення. Схема, показана нижче, побудована з використанням програмного забезпечення PI Power Integration. Якщо ви новачок у цьому програмному забезпеченні, ви можете звернутися до розділу проектування цієї схеми 12В SMPS, щоб зрозуміти, як користуватися цим програмним забезпеченням.

Перш ніж переходити безпосередньо до створення прототипу, давайте вивчимо схему схеми SMPS 5v 2A та її роботу.

Схема має такі розділи -

1. Захист від перенапруги на вході та SMPS
2. Перетворення змінного та постійного струму
3. PI-фільтр
4. Схема драйвера або схема перемикання
5. Захист від блокування під напругою.
6. Схема затиску.
7. Магнетика та гальванічна ізоляція.
8. EMI-фільтр
9. Вторинний випрямляч і глушник
10. Розділ фільтра
11. Розділ зворотного зв’язку.

Захист від перенапруги на вході та SMPS:

Цей розділ складається з двох компонентів, F1 та RV1. F1 - це запобіжник повільного розрядження 1А на 250 В змінного струму, а RV1 - це 7-міліметровий 275 В MOV (варистор з оксиду металу). Під час перенапруги високої напруги (більше 275 В змінного струму), MOV короткочасно замкнувся і спрацьовує вхідний запобіжник. Однак, завдяки функції повільного роздування, запобіжник витримує пусковий струм через SMPS.

Перетворення змінного та постійного струму:

Цей розділ регулюється діодним мостом. Ці чотири діоди (всередині DB107) складають повний мостовий випрямляч. Діоди 1N4006, але стандартний 1N4007 може чудово виконати цю роботу. У цьому проекті ці чотири діоди замінені повноцінним мостовим випрямлячем DB107.

PI-фільтр:

Різні штати мають різний стандарт відхилення EMI. Ця конструкція підтверджує стандарт EN61000-Class 3, а фільтр PI сконструйований таким чином, щоб зменшити загальний режим відхилення EMI. Цей розділ створений за допомогою C1, C2 та L1. С1 і С2 - конденсатори 400 В 18 мкФ. Це непарне значення, тому для цієї програми вибрано 22 мкФ 400 В. L1 є дроселем загального режиму, який приймає диференціальний сигнал EMI для скасування обох.

Схема драйвера або схема перемикання:

Це серце ДМЗП. Первинна сторона трансформатора управляється ланцюгом комутації TNY268PN. Частота комутації становить 120-132 кГц. Завдяки цій високій частоті комутації можна використовувати менші трансформатори. Схема комутації складається з двох компонентів - U1 і C3. U1 - основний драйвер IC TNY268PN. С3 - це байпасний конденсатор, який необхідний для роботи нашого драйвера ІС.

Захист від блокування під напругою:

Захист від блокування під напругою здійснюється сенсорним резистором R1 і R2. Він використовується, коли SMPS переходить у режим автоматичного перезапуску та визначає напругу мережі. Значення R1 і R2 генеруються за допомогою інструмента PI Expert. Два резистори послідовно - це засіб безпеки та хороша практика, щоб уникнути проблем з резистором. Таким чином, замість 2М, послідовно використовуються два резистори 1М.

Схема затиску:

D1 і D2 - це затискна схема. D1 - це діод TVS, а D2 - надшвидкий діод відновлення. Трансформатор діє на величезну індуктивність через драйвер живлення IC TNY268PN. Тому під час циклу вимкнення трансформатор створює стрибки високої напруги через індуктивність витоку трансформатора. Ці високочастотні стрибки напруги пригнічуються діодним затискачем на трансформаторі. UF4007 обрано завдяки надшвидкому відновленню, а для роботи TVS обрано P6KE200A. Відповідно до конструкції, цільова напруга затиску (VCLAMP) становить 200 В. Тому вибрано P6KE200A, а для проблем, пов’язаних із надшвидким блокуванням, UF4007 вибрано як D2.

Магнітна та гальванічна ізоляція:

Трансформатор є феромагнітним трансформатором, і він не тільки перетворює високовольтний змінний струм в низьковольтний, але також забезпечує гальванічну розв'язку.

EMI-фільтр:

Фільтрація ЕМІ здійснюється конденсатором С4. Це підвищує імунітет схеми, щоб зменшити високі перешкоди ЕМІ. Це конденсатор Y-класу з напругою 2 кВ.

Вторинний випрямляч і снубер-схема:

Вихід трансформатора випрямляється і перетворюється на постійний струм за допомогою D6, випрямного діода Шотткі. Снубер-схема на D6 забезпечує придушення перехідної напруги під час операцій перемикання. Снубер-схема складається з одного резистора та одного конденсатора, R3 та C5.

Розділ фільтра:

Фільтруюча секція складається з фільтруючого конденсатора С6. Це конденсатор із низьким коефіцієнтом ESR для кращого відбракування пульсацій. Крім того, LC-фільтр, що використовує L2 і C7, забезпечує кращу відмову пульсацій на виході.

Розділ зворотного зв'язку:

Вихідна напруга визначається U3 TL431 і R6 і R7. Після зондування лінії U2, оптроном керують і гальванічно ізолюють вторинну частину зондування зворотного зв'язку первинним бічним контролером. Оптопар має транзистор і всередині нього світлодіод. Керуючи світлодіодом, управляється транзистором. Оскільки зв'язок здійснюється оптично, він не має прямого електричного з'єднання, отже, задовольняючи гальванічну розв'язку на ланцюзі зворотного зв'язку.

Тепер, оскільки світлодіод безпосередньо керує транзистором, забезпечуючи достатнє зміщення через світлодіодний оптопар, можна керувати транзистором оптопар, точніше схеми драйвера. Ця система управління використовується TL431. Шунтовий регулятор. Оскільки шунтовий регулятор має резисторний дільник через опорний штифт, він може керувати світлодіодом оптопари, який підключений через нього. Контакт зворотного зв'язку має опорну напругу 2,5 В. Тому TL431 може бути активним, лише якщо напруга на дільнику достатня. У нашому випадку дільник напруги встановлюється на значення 5В. Отже, коли вихідний сигнал досягає 5 В, TL431 отримує 2,5 В через опорний штифт і, таким чином, активує світлодіод оптопари, який управляє транзистором оптрона і опосередковано управляє TNY268PN. Якщо напруги на виході недостатньо, цикл перемикання негайно припиняється.

Спочатку TNY268PN активує перший цикл перемикання, а потім виявляє його EN-штифт. Якщо все в порядку, він продовжить перемикання, якщо ні, то спробує ще раз через деякий час. Цей цикл продовжується, поки все не нормалізується, таким чином запобігаючи проблемам короткого замикання або перенапруги. Ось чому це називається зворотною топологією, оскільки вихідна напруга повертається назад до драйвера для зондування пов'язаних операцій. Крім того, цикл спроб називається режимом гикавки за умови відмови.

D3 є бар'єрним діодом Шотткі. Цей діод перетворює високочастотний вихід змінного струму в постійний. Діод Шотткі 3А 60 В обраний для надійної роботи. R4 та R5 вибираються та обчислюються експертом PI. Він створює дільник напруги і передає струм на світлодіод оптопари від TL431.

R6 і R7 - це простий дільник напруги, розрахований за формулою TL431 REF напруги = (Vout x R7) / R6 + R7. Опорна напруга становить 2,5 В, а Vout - 12 В. Вибравши значення R6 23,7k, R7 став приблизно 9,09k.

Побудова комутаційного трансформатора для нашої схеми SMPS

Зазвичай для схеми SMPS потрібен комутаційний трансформатор, який можна придбати у виробників трансформаторів відповідно до ваших конструктивних вимог. Але проблема тут полягає в тому, що якщо ви навчитеся будувати прототип, ви не зможете знайти точний трансформатор з полиць для вашого дизайну. Тож ми дізнаємось, як побудувати комутаційний трансформатор, виходячи з проектних вимог, наданих нашим програмним забезпеченням PI expert.

Подивимося сформовану схему побудови трансформатора.

Як зазначено на зображенні вище, нам потрібно виконати 103 обертання одиночного проводу 32 AWG на первинній стороні та 5 витків двох проводів 25 AWG на вторинній стороні.

На зображенні вище початкова точка обмоток і напрямок обмотки описані як механічна схема. Для виготовлення цього трансформатора потрібні наступні речі -

1. Сердечник EE19, NC-2H або еквівалентна специфікація, а також проміжок для ALG 79 nH / T ²
2. Шпулька з 5 шпильками на первинній і вторинній стороні.
3. Бар'єрна стрічка товщиною 1 мільйон. Потрібна стрічка шириною 9 мм.
4. 32 Дріт з емальованим мідним дротом AWG з паянням.
5. 25AWG емальований мідний дріт з паяним покриттям.
6. Вимірювач LCR.

Потрібен сердечник EE19 з NC-2H із зазором в ядрі 79nH / T2 загалом, він доступний парами. Шпулька є загальним з 4 основними та 5 вторинними штифтами. Однак тут використовується шпулька з 5 шпильками з обох боків.

Для бар'єрної стрічки використовується звичайна клейка стрічка, яка має товщину основи більше 1 мільйону (як правило, 2 міль). Під час діяльності, пов’язаної з відстукуванням, ножицями використовується для розрізання стрічки на ідеальну ширину. Мідні дроти закуповуються у старих трансформаторів, їх також можна придбати в місцевих магазинах. Ядро і шпулька, які я використовую, показані нижче

Крок 1: Додайте припій у 1-му та 5-му штифтах на первинній стороні. Припаяйте провід 32 AWG на штифт 5, і напрямок обмотки - за годинниковою стрілкою. Продовжуйте до 103 поворотів, як показано нижче

Це утворює первинну сторону нашого трансформатора, як тільки 103 витки обмотки будуть завершені, мій трансформатор виглядав так, як показано нижче.

Крок 2: Нанесіть скотч для ізоляції, потрібно 3 обороти скотча. Це також допомагає підтримувати котушку в положенні.

Крок 3: Запустіть вторинну обмотку з штифтів 9 і 10. Вторинна сторона виконана з використанням двох ниток емальованого мідного дроту 25AWG. Припаяйте один мідний дріт до штифта 9, а інший - до штифта 10. Напрямок обмотки знову за годинниковою стрілкою. Продовжуйте до 5 обертів і припаюйте закінчення на штифтах 5 і 6. Додайте ізоляційну стрічку, накладаючи клейку стрічку так само, як і раніше.

Після того, як виконані як первинна, так і вторинна обмотки та використана клейка стрічка, мій трансформатор виглядав так, як показано нижче

Крок 4: Тепер ми можемо щільно закріпити два жили скотчем, після закінчення готовий трансформатор повинен виглядати нижче.

Крок 5: Також обов’язково обмотайте клейку стрічку поруч. Це зменшить вібрацію під час передачі потоку високої щільності.

Після виконання вищезазначених кроків і випробування трансформатора за допомогою лічильника LCR, як показано нижче. Вимірювач показує індуктивність 1,125 мГн або 1125 мкг.

Побудова схеми SMPS:

Після того, як трансформатор готовий, ми можемо приступити до складання інших компонентів на пунктирній дошці. Деталі деталей, необхідні для схеми, можна знайти в наведеному нижче списку матеріалів

• Деталі специфікації для схеми SMPS 5V 2A

Після пайки компонентів моя плата виглядає приблизно так.

Тестування схеми SMPS 5В 2А

Для тестування схеми я підключив вхідну сторону до мережі через VARIAC для контролю вхідної напруги мережі змінного струму. Вихідна напруга при 85 В і 230 В змінного струму показано нижче

Як ви можете бачити в обох випадках, вихідна напруга підтримується на рівні 5 В. Але потім я підключив висновок до своєї сфери і перевіряю на пульсації. Вимірювання пульсацій показано нижче

Вихідна пульсація досить висока, вона показує 150mV pk-pk пульсації. Це абсолютно погано для ланцюга живлення. На підставі аналізу висока пульсація зумовлена ​​чинниками, наведеними нижче:

1. Неправильне проектування друкованих плат.
2. Проблема відскоку на землі.
3. Тепловідвід PCB неправильний.
4. Немає вирізу на шумних лініях живлення.
5. Збільшені допуски на трансформаторі через ручну обмотку. Виробники трансформаторів застосовують занурений лак під час обмоток машини для кращої стійкості трансформаторів.

Якщо схему перетворити на належну друковану плату, ми можемо очікувати пульсаційну потужність джерела живлення в межах 50 мВ pk-pk навіть за допомогою трансформатора ручної обмотки. Тим не менше, оскільки veroboard не є безпечним варіантом для вимкнення режиму живлення в режимі змінного струму до домену постійного струму, постійно пропонується встановити належну друковану плату перед застосуванням схем високої напруги в практичних сценаріях. Ви можете перевірити відео в кінці цієї сторінки, щоб перевірити, як працює схема в умовах навантаження.

Сподіваюся, ви зрозуміли навчальний посібник і навчилися будувати власні схеми SMPS за допомогою трансформатора ручної роботи. Якщо у вас виникли запитання, залиште їх у розділі коментарів нижче або скористайтесь нашим форумом для отримання додаткових запитань.