Hvordan designe en 5v 2a smps strømforsyningskrets

Strømforsyningsenhet (PSU) er en viktig del i ethvert elektronisk produktdesign. De fleste elektroniske husholdningsprodukter som mobilladere, Bluetooth-høyttalere, strømbanker, smarte klokker osv. Krever en strømforsyningskrets som kan konvertere AC-strømforsyningen til 5V DC for å betjene dem. I dette prosjektet vil vi bygge en likestrømstrømforsyningskrets med likestrøm med 10W effekt. Det er kretsen vår som vil konvertere 220V vekselstrøm til 5V og gi maksimal utgangsstrøm opptil 2A. Denne effektklassen bør være nok til å drive de fleste elektroniske produkter som kjører på 5V. Også 5V 2A SMPS-krets er ganske populær innen elektronikk siden det er mange mikrokontrollere som fungerer på 5V.

Ideen med prosjektet er å holde bygningen så enkel som mulig, og derfor vil vi designe den komplette kretsen over et prikket brett (perf board) og vil også bygge vår egen transformator slik at alle kan replikere denne designen eller bygge lignende. Spent riktig! Så la oss komme i gang. Tidligere har vi også bygd en 12V 15W SMPS-krets ved hjelp av et PCB, så folk som er interessert i hvordan de skal designe et PCB for et PSU-prosjekt (strømforsyningsenhet) kan også sjekke det.

5V 2A SMPS-krets - designspesifikasjoner

Ulike varianter av strømforsyning oppfører seg forskjellig i forskjellige miljøer. SMPS fungerer også i bestemte inngangs- og utgangsgrenser. Riktig spesifikasjonsanalyse må utføres før du går videre med den faktiske utformingen.

Inngangsspesifikasjon:

Dette vil være en SMPS i AC til DC-konverteringsdomene. Derfor vil inngangen være AC. For inngangsspenningsverdien er det bra å bruke en universell inngangsvurdering for SMPS. Dermed vil vekselstrømmen være 85-265VAC med 50Hz vurdering. På denne måten kan SMPS brukes i alle land uavhengig av deres vekselstrømspenningsverdi.

Utgangsspesifikasjon:

Utgangsspenningen er valgt som 5V med 2A av gjeldende vurdering. Dermed blir det 10W utgang. Siden denne SMPS vil gi konstant spenning uavhengig av belastningsstrømmen, vil den fungere på CV-modus (konstant spenning). Denne utgangsspenningen på 5V skal være konstant og jevn, selv ved den laveste inngangsspenningen under en maksimal belastning (2A) over utgangen.

Det er sterkt ønskelig at en god strømforsyningsenhet har en rippelspenning på mindre enn 30mV pk-pk. Den målrettede rippelspenningen for denne SMPS er mindre enn 30mV peak-peak ripple. Siden denne SMPS-en skal bygges på veroboard ved hjelp av en håndlaget koblingstransformator, kan vi forvente litt høyere rippelverdier. Dette problemet kan unngås ved å bruke et PCB.

Beskyttelsesfunksjoner:

Det er forskjellige beskyttelseskretser som kan brukes i en SMPS for en sikker og pålitelig drift. Beskyttelseskretsen beskytter SMPS samt tilhørende belastning. Avhengig av type kan beskyttelseskretsen kobles over inngangen eller over utgangen.

For denne SMPS vil inngangsoverspenningsbeskyttelse brukes med en maksimal driftsinngangsspenning på 275VAC. For å håndtere EMI-problemer, vil et vanlig modusfilter også brukes til å tømme generert EMI. På utgangssiden vil vi inkludere kortslutningsbeskyttelse, overspenningsbeskyttelse og overstrømsbeskyttelse.

Valg av strømstyrings-IC

Hver SMPS-krets krever en strømstyrings-IC, også kjent som bytte-IC eller SMPS IC eller tørrere IC. La oss oppsummere designhensynene for å velge den ideelle Power Management IC som passer for vårt design. Våre designkrav er

1. 10W utgang. 5V 2A ved full belastning.
2. Universal inngangsvurdering. 85-265VAC ved 50Hz
3. Inngangsoverspenningsvern. Maksimal inngangsspenning 275VAC.
4. Utgang kortslutning, overspenning og overstrøm beskyttelse.
5. Konstant spenningsoperasjoner.

Fra kravene ovenfor er det et bredt spekter av ICer å velge mellom, men for dette prosjektet har vi valgt Power integration. Power integration er et halvlederselskap som har et bredt spekter av IC-drivere for strømdrivere i forskjellige kraftutgangsområder. Basert på kravene og tilgjengeligheten har vi bestemt oss for å bruke TNY268PN fra små switch II-familier. Vi har tidligere brukt denne ICen til å bygge en 12V SMPS-krets på et PCB.

På bildet ovenfor vises maksimal effekt 15W. Imidlertid vil vi lage SMPS i den åpne rammen og for universell inngangsvurdering. I et slikt segment kan TNY268PN gi 15W utgang. La oss se pin-diagrammet.

Design av 5v 2Amp SMPS Circuit

Den beste måten å bygge 5V 2A SMPS Schematic på er å bruke Power integrasjons PI-ekspertprogramvare. Last ned PI-ekspertprogramvaren og bruk versjon 8.6. Det er utmerket programvare for strømforsyningsdesign. Kretsen vist nedenfor er konstruert ved hjelp av Power Integrations PI-ekspertprogramvare. Hvis du ikke er kjent med denne programvaren, kan du henvise til designseksjonen i denne 12V SMPS-kretsen for å forstå hvordan du bruker programvaren.

Før vi går rett inn i å bygge prototypedelen, la oss utforske 5v 2A SMPS-kretsskjemaet og dets drift.

Kretsen har følgende seksjoner-

1. Inngangssving og SMPS-feilbeskyttelse
2. AC-DC konvertering
3. PI-filter
4. Driverkrets eller bryterkrets
5. Beskyttelse mot spenning.
6. Klemkrets.
7. Magnetikk og galvanisk isolasjon.
8. EMI-filter
9. Sekundær likeretter og snubberkrets
10. Filterseksjon
11. Tilbakemeldingsseksjon.

Inngangsstrøm og SMPS-feilbeskyttelse:

Denne delen består av 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 høyspenningsbølge (mer enn 275VAC) ble MOV død kort og blåser inngangssikringen. På grunn av funksjonen for langsom slag tåler sikringen imidlertid innstrømningsstrøm gjennom SMPS.

AC-DC konvertering:

Denne delen styres av diodebroen. Disse fire diodene (inne i DB107) lager en full bro likeretter. Diodene er 1N4006, men standard 1N4007 kan gjøre jobben perfekt. I dette prosjektet erstattes disse fire diodene med en full bro likeretter DB107.

PI-filter:

Ulike stater har forskjellige EMI-avvisningsstandarder. Denne utformingen bekrefter EN61000-klasse 3-standarden, og PI-filteret er utformet på en slik måte å redusere EMI-avvisning i vanlig modus. Denne delen er opprettet ved hjelp av C1, C2 og L1. C1 og C2 er 400V 18uF kondensatorer. Det er en merkelig verdi, så 22uF 400V er valgt for denne applikasjonen. L1 er en vanlig modus choke som tar differensial EMI signal for å avbryte begge deler.

Driverkrets eller bryterkrets:

Det er hjertet til en SMPS. Transformatorens primærside styres av bryterkretsen TNY268PN. Byttefrekvensen er 120-132 kHz. På grunn av denne høye koblingsfrekvensen kan mindre transformatorer brukes. Bryterkretsen har to komponenter, U1 og C3. U1 er hoveddriveren IC TNY268PN. C3 er bypass-kondensatoren som er nødvendig for å fungere på driver IC.

Uspenningsbeskyttelse:

Uspenningsbeskyttelse utelukkes av sansemotstanden R1 og R2. Den brukes når SMPS går i automatisk omstart-modus og registrerer linjespenningen. Verdien av R1 og R2 genereres via PI Expert-verktøyet. To motstander i serie er et sikkerhetstiltak og god praksis for å unngå problemer med motstandssvikt. I stedet for 2M brukes altså to 1M motstander i serien.

Klemkrets:

D1 og D2 er klemkretsen. D1 er TVS-dioden og D2 er en ultra-rask gjenopprettingsdiode. Transformatoren fungerer som en enorm induktor på tvers av driveren IC TNY268PN. Derfor under utkoblingssyklusen skaper transformatoren høyspennings pigger på grunn av transformatorens lekkasjeinduktans. Disse høyfrekvente spenningspiggene undertrykkes av diodeklemmen over transformatoren. UF4007 er valgt på grunn av den ultra-raske gjenopprettingen og P6KE200A er valgt for TVS-operasjonen. I henhold til designet er målspenningen (VCLAMP) 200V. Derfor er P6KE200A valgt, og for ultra-raske blokkeringsrelaterte problemer blir UF4007 valgt som D2.

Magnetikk og galvanisk isolasjon:

Transformatoren er en ferromagnetisk transformator, og den konverterer ikke bare høyspenningen til en lavspenning, men gir også galvanisk isolasjon.

EMI-filter:

EMI-filtrering gjøres av C4 kondensatoren. Det øker kretsens immunitet for å redusere den høye EMI-forstyrrelsen. Det er en Y-klasse kondensator med en spenningsgrad på 2kV.

Sekundær likeretter og snubberkrets:

Utgangen fra transformatoren rettes opp og konverteres til DC ved bruk av D6, en Schottky-likeretterdiode. Snubberkretsen over D6 gir undertrykkelse av spenningen som er forbigående under bytteoperasjoner. Snubberkretsen består av en motstand og en kondensator, R3 og C5.

Filterseksjon:

Filterdelen består av en filterkondensator C6. Det er en lav ESR-kondensator for bedre avvisning av krusninger. Et LC-filter som bruker L2 og C7 gir også bedre avvisning av rippel over utgangen.

Tilbakemeldingsseksjon:

Utgangsspenningen registreres av U3 TL431 og R6 og R7. Etter å ha registrert linjen, U2, blir optokoblingen styrt og galvanisk isolert den sekundære tilbakemeldingsregistreringsdelen med den primære sidekontrolleren. Optokoblingen har en transistor og en LED inne i den. Ved å kontrollere LED-en styres transistoren. Siden kommunikasjonen utføres optisk, har den ingen direkte elektrisk forbindelse, og tilfredsstiller også den galvaniske isolasjonen på tilbakemeldingskretsen.

Nå som LED-en direkte styrer transistoren, ved å gi tilstrekkelig skjevhet over Optocoupler-LED-en, kan man kontrollere Optocoupler-transistoren, nærmere bestemt driverkrets. Dette kontrollsystemet brukes av TL431. En shuntregulator. Siden shuntregulatoren har en motstandsdeler over referansepinnen, kan den styre Optocoupler-ledningen som er koblet over den. Tilbakemeldingspinnen har en referansespenning på 2,5V. Derfor kan TL431 bare være aktiv hvis spenningen over skillelinjen er tilstrekkelig. I vårt tilfelle er spenningsdeleren satt til en verdi på 5V. Derfor, når utgangen når 5V, får TL431 2,5V over referansepinnen og aktiverer dermed optokoblerens LED som styrer transistoren til optokoblingen og indirekte styrer TNY268PN. Hvis spenningen ikke er tilstrekkelig over utgangen, blir koblingssyklusen umiddelbart suspendert.

Først aktiverer TNY268PN den første byttesyklusen og registrerer deretter EN-pinnen. Hvis alt er i orden, vil det fortsette å bytte, hvis ikke, vil det prøve igjen etter en gang. Denne sløyfen fortsetter til alt blir normalt, og forhindrer dermed kortslutnings- eller overspenningsproblemer. Dette er grunnen til at det kalles flyback-topologi, siden utgangsspenningen flys tilbake til driveren for å registrere relaterte operasjoner. Prøveløkkelen kalles også en hikke-modus for driftsforhold.

D3 er en Schottky-barrierdiode. Denne dioden konverterer høyfrekvent AC-utgang til en DC. 3A 60V Schottky-diode er valgt for pålitelig drift. R4 og R5 velges og beregnes av PI Expert. Den lager en spenningsdeler og sender strømmen til Optocoupler LED fra TL431.

R6 og R7 er en enkel spenningsdeler beregnet med formelen TL431 REF-spenning = (Vout x R7) / R6 + R7. Referansespenningen er 2,5V og Vout er 12V. Ved å velge verdien på R6 23,7k, ble R7 omtrent 9,09k.

Bygg en byttetransformator for vår SMPS-krets

Normalt for en SMPS-krets vil det være nødvendig med en koblingstransformator. Disse transformatorene kan anskaffes fra transformatorprodusenter basert på dine designkrav. Men problemet her er at hvis du lærer ting å bygge en prototype, kan du ikke finne den eksakte transformatoren fra hyllene for designet ditt. Så vi vil lære hvordan vi bygger en koblingstransformator basert på designkravene som er gitt av vår PI-ekspertprogramvare.

La oss se det genererte transformatorens konstruksjonsdiagram.

Som bildet ovenfor sier, må vi utføre 103 sving av 32 AWG-ledninger på primærsiden og 5 omdreininger av to 25 AWG-ledninger på sekundærsiden.

På bildet ovenfor er startpunktet for viklingene og viklingen retning beskrevet som et mekanisk diagram. For å lage denne transformatoren er følgende ting nødvendig -

1. EE19-kjerne, NC-2H eller tilsvarende spesifikasjon og gappet for ALG 79 nH / T ²
2. Spole med 5 pinner i primær- og sekundærsiden.
3. Barrierebånd med 1 mil tykkelse. Det kreves 9 mm bred tape.
4. 32 AWG loddet belegg emaljert kobbertråd.
5. 25AWG loddet, belagt emaljert kobbertråd.
6. LCR-måler.

EE19-kjerne med NC-2H med en gapende kjerne på 79nH / T2 kreves; generelt er den tilgjengelig parvis. Spolen er en generisk med 4 primære og 5 sekundære pinner. Her brukes imidlertid spole med 5 pinner på begge sider.

For barrierebåndet brukes standard kanaltape som har en bunntykkelse på mer enn 1 mil (Vanligvis 2 mil). Under avlyttingsrelaterte aktiviteter brukes saks til å kutte tapen for perfekte bredder. Kobberledninger anskaffes fra gamle transformatorer, og den kan også kjøpes fra lokale butikker. Kjernen og spolen som jeg bruker er vist nedenfor

Trinn 1: Legg loddetinn i første og femte pinne på primærsiden. Lodd 32 AWG-ledningen ved pinne 5, og viklingsretningen er med klokken. Fortsett til 103 svinger som vist nedenfor

Dette utgjør den primære siden av transformatoren vår, så snart de 103 svingene i viklingen er fullført, så transformatoren min slik ut nedenfor.

Trinn 2: Påfør teip for isolasjonsformål, det er behov for 3 omganger av teip. Det hjelper også med å holde spolen på plass.

Trinn 3: Start sekundærviklingen fra pin 9 og 10. Den sekundære siden er laget med to tråder 25AWG emaljerte kobbertråder. Lod en kobbertråd til pinnen 9 og en annen i pinnen 10. Svingningsretningen er igjen med klokken. Fortsett til 5 omdreininger og lodd slutten på pinne 5 og 6. Legg til isolasjonsbånd ved å påføre tape samme som før.

Når både primære og sekundære viklinger er ferdig og kanalbåndet ble brukt, så transformatoren min ut som vist nedenfor

Trinn 4: Nå kan vi sikre de to kjernene tett ved hjelp av teipebånd. Når ferdig transformator skal se slik ut nedenfor.

Trinn 5: Sørg også for å pakke kanaltape ved siden av hverandre. Dette vil redusere vibrasjonen under overføring av høy tetthet.

Etter at trinnene ovenfor er utført og transformatoren testes ved hjelp av en LCR-meter som vist nedenfor. Måleren viser 1,125 mH eller 1125 uh induktanser.

Bygg SMPS-kretsen:

Når transformatoren er klar, kan vi fortsette med å montere de andre komponentene på det prikkete brettet. Delenes detials som kreves for kretsen, finner du i listen over materielllister nedenfor

• BOM-deldetaljer for 5V 2A SMPS-krets

Når komponentene er loddet, ser brettet ut slik.

Testing av 5V 2A SMPS-kretsen

For å teste kretsen koblet jeg inngangssiden til strømforsyningen gjennom en VARIAC for å kontrollere inngangsstrømmen. Utgangsspenningen ved 85VAC og 230VAC er vist nedenfor -

Som du kan se i begge tilfeller, holdes utgangsspenningen på 5V. Men så koblet jeg utgangen til omfanget mitt og sjekk for krusninger. Ringmåling er vist nedenfor

Utgangsringelen er ganske høy, den viser 150mV pk-pk-ringutgang. Dette er ikke bra for en strømforsyningskrets. Basert på analysen skyldes høy rippel faktorene nedenfor -

1. Feil PCB-design.
2. Bakken spretter problemet.
3. PCB-kjøleribben er feil.
4. Ingen utkobling på støyende forsyningslinjer.
5. Økte toleranser på transformator på grunn av håndvikling. Transformatorprodusenter bruker dip lakk under maskinviklingene for bedre stabilitet av transformatorene.

Hvis kretsen blir konvertert til en skikkelig PCB, kan vi forvente ringeffekten av strømforsyningen innen 50mV pk-pk selv med en håndvikletransformator. Likevel, ettersom veroboard ikke er et trygt alternativ for å lage brytermodus strømforsyning i AC til DC-domene, foreslås det kontinuerlig at riktig PCB må etableres før høyspenningskretser påføres i praktiske scenarier. Du kan sjekke videoen på slutten av denne siden for å sjekke hvordan kretsen fungerer under belastningsforhold.

Håper du forsto opplæringen og lærte hvordan du bygger dine egne SMPS-kretser med en håndlaget transformator. Hvis du har spørsmål, la dem være i kommentarfeltet nedenfor, eller bruk forumene våre for flere spørsmål.