- 5V 2A SMPS-piiri - suunnittelun tekniset tiedot
- Virranhallintapiirin valinta
- Suunnittelu 5v 2Amp SMPS-piiri
- Kytkentämuuntajan rakentaminen SMPS-piirillemme
- SMPS-piirin rakentaminen:
- 5V 2A SMPS -piirin testaus
Virtalähde (PSU) on tärkeä osa elektronista tuotesuunnittelua. Suurin osa kotitalouksien elektronisista tuotteista, kuten mobiililaturit, Bluetooth-kaiuttimet, virtapankit, älykellot jne., Edellyttävät virtalähdepiiriä, joka voi muuntaa verkkovirran 5 V DC: ksi niiden käyttämiseksi. Tässä projektissa rakennamme samanlaisen vaihtovirta- ja tasavirtalähdepiirin, jonka teho on 10 W. Tämä on piiri, joka muuntaa 220 V: n vaihtovirran 5 V: ksi ja tarjoaa maksimilähtövirran jopa 2 A. Tämän teholuokituksen tulisi olla riittävä useimpien 5 V: lla toimivien elektronisten tuotteiden virran saamiseksi. Myös 5V 2A SMPS -piiri on varsin suosittu elektroniikassa, koska siellä on paljon mikro-ohjaimia, jotka toimivat 5V: lla.
Projektin idea on pitää koontiversio mahdollisimman yksinkertaisena, joten suunnittelemme koko piirin pisteviivalla (perf board) ja rakennamme myös oman muuntajamme, jotta kuka tahansa voisi kopioida tämän mallin tai rakentaa vastaavia. Innoissaan oikein! Joten anna aloittaa. Aikaisemmin olemme rakentaneet myös 12 V: n 15 W: n SMPS-piirin piirilevyllä, joten ihmiset, jotka ovat kiinnostuneita piirilevyn suunnittelusta PSU-projektille (virtalähde), voivat myös tarkistaa sen.
5V 2A SMPS-piiri - suunnittelun tekniset tiedot
Eri virtalähdemallit käyttäytyvät eri tavoin eri ympäristöissä. Lisäksi SMPS toimii tietyillä panos-lähtö-rajoilla. Oikea spesifikaatioanalyysi on suoritettava ennen varsinaisen suunnittelun jatkamista.
Syöttötiedot:
Tämä on SMPS AC-DC-muunnosalueella. Siksi tulo on vaihtovirta. Tulojännitteen arvoksi on hyvä käyttää yleistä tuloluokitusta SMPS: lle. Siten vaihtojännite on 85-265 VAC 50 Hz: n nimellisarvolla. Tällä tavalla SMPS: ää voidaan käyttää missä tahansa maassa riippumatta niiden verkkojännitteen arvosta.
Lähtötiedot:
Lähtöjännitteeksi valitaan 5V, kun virran nimellisarvo on 2A. Siten se on 10 W: n teho. Koska tämä SMPS tuottaa vakiojännitteen kuormavirrasta riippumatta, se toimii CV-tilassa (vakiojännite). Tämän 5 V: n lähtöjännitteen tulisi olla vakio ja vakaa jopa pienimmällä tulojännitteellä maksimikuormituksen (2A) aikana lähdön yli.
On erittäin toivottavaa, että hyvän virtalähdeyksikön pulssijännite on alle 30 mV pk-pk. Tämän SMPS: n kohdennettu aaltoilujännite on alle 30 mV huippu-huippu aaltoilu. Koska tämä SMPS rakennetaan verolevylle käsintehdyllä kytkinmuuntajalla, voimme odottaa hieman suurempia aaltoilun arvoja. Tämä ongelma voidaan välttää käyttämällä piirilevyä.
Suojausominaisuudet:
SMPS: ssä voidaan käyttää useita suojapiirejä turvallisen ja luotettavan toiminnan varmistamiseksi. Suojapiiri suojaa SMPS: ää ja siihen liittyvää kuormaa. Tyypistä riippuen suojapiiri voidaan liittää tulon tai lähdön yli.
Tämän SMPS, tulo ylijännitesuojaus käytetään enintään toiminta tulojännite 275Vac. Lisäksi EMI-ongelmien käsittelemiseksi käytetään yhteisen tilan suodatinta generoidun EMI: n tyhjentämiseksi. Lähtöpuolella on oikosulkusuoja, ylijännitesuoja ja ylivirtasuoja.
Virranhallintapiirin valinta
Jokainen SMPS-piiri vaatii virranhallinta-IC: n, joka tunnetaan myös nimellä kytkentä-IC tai SMPS-IC tai kuivaus-IC. Yhteenvetona suunnittelunäkökohdista valitaan ihanteellinen virranhallinta-IC, joka sopii suunnitteluun. Suunnitteluvaatimuksemme ovat
- 10W lähtö. 5V 2A täydellä kuormalla.
- Yleinen tuloluokitus. 85-265 VAC 50 Hz: ssä
- Syötä ylijännitesuoja. Suurin tulojännite 275 VAC.
- Lähtö oikosulku-, ylijännite- ja ylivirtasuojaus.
- Jatkuva jännite.
Yllä olevista vaatimuksista on laaja valikoima IC: itä, joista valita, mutta tälle projektille olemme valinneet Power-integraation. Virran integrointi on puolijohdeyritys, jolla on laaja valikoima virtalähde-IC: itä eri tehoalueilla. Vaatimusten ja saatavuuden perusteella olemme päättäneet käyttää TNY268PN: tä pienistä kytkin II -perheistä. Olemme aiemmin käyttäneet tätä mikropiiriä 12 V: n SMPS-piirin rakentamiseen piirilevylle.
Yllä olevassa kuvassa suurin teho on 15 W. Teemme kuitenkin SMPS: n avoimessa kehyksessä ja yleisen tuloluokituksen saamiseksi. Tällaisessa segmentissä TNY268PN voisi tuottaa 15 W: n lähdön. Katsotaanpa pin-kaavio.
Suunnittelu 5v 2Amp SMPS-piiri
Paras tapa rakentaa 5V 2A SMPS Schematic on käyttää Power Integrationin PI-asiantuntijaohjelmistoa. Lataa PI-asiantuntijaohjelmisto ja käytä versiota 8.6. Se on erinomainen virtalähteen suunnitteluohjelmisto. Alla esitetty piiri on rakennettu Power Integrationin PI-asiantuntijaohjelmistolla. Jos olet uusi ohjelmisto, voit tutustua tämän 12 V: n SMPS-piirin suunnitteluosioon ymmärtämään, miten ohjelmistoa käytetään.
Ennen kuin siirrymme suoraan prototyyppiosan rakentamiseen, tutkitaan 5v 2A SMPS -piirikaavio ja sen toiminta.
Piirissä on seuraavat osat -
- Tulon ylijännite- ja SMPS-vikasuojaus
- AC-DC-muunnos
- PI-suodatin
- Ohjainpiiri tai kytkentäpiiri
- Alijännitteen lukitussuoja.
- Kiinnityspiiri.
- Magneetti ja galvaaninen eristys.
- EMI-suodatin
- Toissijainen tasasuuntaaja ja snubber-piiri
- Suodatinosa
- Palaute-osio.
Tulon ylijännitesuoja ja SMPS-vikasuojaus:
Tämä osa koostuu kahdesta osasta, F1 ja RV1. F1 on 1A 250VAC hidas sulake ja RV1 on 7mm 275V MOV (Metal Oxide Varistor). Suurjännitepiirin (yli 275 VAC) aikana MOV: n akku on lyhyt ja puhaltaa tulosulakkeen. Hidas puhallusominaisuuden takia sulake kestää syöksyvirtaa SMPS: n kautta.
AC-DC-muunnos:
Tätä osaa ohjaa diodisilta. Nämä neljä diodia (DB107: n sisällä) muodostavat täydellisen sillan tasasuuntaajan. Diodit ovat 1N4006, mutta vakio 1N4007 voi tehdä työn täydellisesti. Tässä projektissa nämä neljä diodia korvataan täyssillan tasasuuntaajalla DB107.
PI-suodatin:
Eri tiloilla on erilainen EMI-hylkäysstandardi. Tämä muotoilu vahvistaa EN61000-luokan 3 standardin ja PI-suodatin on suunniteltu siten, että se vähentää yhteismoodin EMI-hylkäystä. Tämä osa luodaan käyttämällä C1, C2 ja L1. C1 ja C2 ovat 400 V 18uF kondensaattoreita. Se on pariton arvo, joten 22uF 400V valitaan tälle sovellukselle. L1 on tavallinen rikastin, joka vaatii differentiaalisen EMI-signaalin molempien peruuttamiseksi.
Kuljettajan piiri tai kytkentäpiiri:
Se on SMPS: n sydän. Muuntajan ensisijaista puolta ohjaa kytkentäpiiri TNY268PN. Kytkentätaajuus on 120-132 khz. Tämän korkean kytkentätaajuuden ansiosta voidaan käyttää pienempiä muuntajia. Kytkentäpiirissä on kaksi komponenttia, U1 ja C3. U1 on pääohjaimen IC TNY268PN. C3 on ohituskondensaattori, jota tarvitaan ohjaimen IC: n toimintaan.
Alijännitteen lukitussuoja:
Alijännitteen lukitussuojaus suoritetaan sensorivastuksella R1 ja R2. Sitä käytetään, kun SMPS siirtyy automaattiseen uudelleenkäynnistystilaan ja tunnistaa verkkojännitteen. R1: n ja R2: n arvo luodaan PI Expert -työkalulla. Kaksi sarjassa olevaa vastusta on turvatoimenpide ja hyvä käytäntö vastuksen vikaantumisen välttämiseksi. Siten sarjassa käytetään 2M: n sijasta kahta 1M-vastusta.
Kiinnityspiiri:
D1 ja D2 ovat kiinnityspiiri. D1 on TVS-diodi ja D2 on erittäin nopea palautumisdiodi. Muuntaja toimii valtavalla induktorilla teho-ohjain IC TNY268PN: n poikki. Siksi aikana sammuttamalla-syklin, muuntajan luo korkea jännite piikkejä johtuen vuoto induktanssi muuntajan. Diodipidike vaimentaa nämä suurtaajuusjännitepiikit muuntajan poikki. UF4007 on valittu erittäin nopean palautumisen vuoksi ja P6KE200A on valittu TVS-toimintaan. Suunnittelun mukaan kohdennettu kiristysjännite (VCLAMP) on 200 V. Siksi valitaan P6KE200A ja erittäin nopeaan estämiseen liittyvissä asioissa UF4007 valitaan D2: ksi.
Magneetti ja galvaaninen eristys:
Muuntaja on ferromagneettinen muuntaja, ja se ei vain muunna suurjännitevirtaa pienjännitevirraksi, vaan tarjoaa myös galvaanisen eristyksen.
EMI-suodatin:
EMI-suodatus tapahtuu C4-kondensaattorilla. Se lisää piirin immuniteettia suurten EMI-häiriöiden vähentämiseksi. Se on Y-luokan kondensaattori, jonka jännite on 2 kV.
Toissijainen tasasuuntaaja ja Snubber-piiri:
Muuntajan ulostulo tasataan ja muunnetaan DC: ksi käyttämällä D6: ta, Schottky-tasasuuntaajan diodia. D6: n poikki oleva katkaisupiiri vaimentaa transientin jännitteen kytkentäoperaatioiden aikana. Snubber-piiri koostuu yhdestä vastuksesta ja yhdestä kondensaattorista, R3 ja C5.
Suodatinosa:
Suodatinosa koostuu suodatinkondensaattorista C6. Se on matalan ESR-kondensaattori paremman aaltoilun hylkimiseksi. Myös LC-suodatin, joka käyttää L2: ta ja C7: tä, antaa paremman aaltoilun hyljinnän koko lähdössä.
Palauteosio:
Lähtöjännite tunnistaa U3 TL431 ja R6 ja R7. Tunnistettuaan linja, U2, optoeristintä ohjataan ja eristetään galvaanisesti toissijainen takaisinkytkentäanturi ensisijaisella sivusäätimellä. Optoerottimessa on transistori ja sen sisällä LED. Transistoria ohjataan ohjaamalla LEDiä. Koska tiedonsiirto tapahtuu optisesti, sillä ei ole suoraa sähköliitäntää, mikä täyttää myös takaisinkytkentäpiirin galvaanisen eristyksen.
Nyt kun LED ohjaa suoraan transistoria tarjoamalla riittävän esijännityksen Optocoupler LED: n poikki, voidaan ohjata Optocoupler-transistoria, tarkemmin sanottuna ohjainpiiriä. Tätä ohjausjärjestelmää käyttää TL431. Shunt-säädin. Koska shunttisäätimessä on vastuksenjakaja sen referenssitapin poikki, se voi ohjata sen yli kytkettyä Optocoupler-lediä. Takaisinkytkentätapin referenssijännite on 2,5 V. Siksi TL431 voi olla aktiivinen vain, jos jakajan poikki oleva jännite on riittävä. Meidän tapauksessamme jännitteenjakaja asetetaan arvoon 5V. Siksi, kun ulostulo saavuttaa 5 V, TL431 saa 2,5 V referenssitapin yli ja aktivoi siten optoerottimen LED: n, joka ohjaa optoerottimen transistoria ja ohjaa epäsuorasti TNY268PN: tä. Jos jännite ei ole riittävä ulostulossa, kytkentäjakso keskeytetään välittömästi.
Ensinnäkin TNY268PN aktivoi ensimmäisen kytkentäjakson ja tunnistaa sen EN-nastan. Jos kaikki on kunnossa, se jatkaa vaihtamista, jos ei, se yrittää uudelleen jonkin ajan kuluttua. Tätä silmukkaa jatketaan, kunnes kaikki normalisoituu, mikä estää oikosulku- tai ylijänniteongelmat. Siksi sitä kutsutaan flyback-topologiaksi, koska lähtöjännite johdetaan takaisin kuljettajaan liittyvien toimintojen havaitsemiseksi. Yritettävää silmukkaa kutsutaan myös hikka-toimintatilaksi vikatilanteessa.
D3 on Schottky-estodiodi. Tämä diodi muuntaa suurtaajuisen vaihtovirtalähdön tasavirraksi. 3A 60 V: n Schottky-diodi on valittu luotettavaan toimintaan. R4 ja R5 valitaan ja lasketaan PI-asiantuntijan toimesta. Se luo jännitteenjakajan ja siirtää virran Optocoupler-LEDille TL431: stä.
R6 ja R7 on yksinkertainen jännitteenjakaja, joka lasketaan kaavalla TL431 REF-jännite = (Vout x R7) / R6 + R7. Referenssijännite on 2,5 V ja Vout on 12 V. Valitsemalla arvon R6 23,7k arvo R7: stä tuli noin 9,09k.
Kytkentämuuntajan rakentaminen SMPS-piirillemme
Normaalisti SMPS-piiriä varten tarvitaan kytkentämuuntaja, nämä muuntajat voidaan hankkia muuntajien valmistajilta suunnitteluvaatimusten perusteella. Mutta ongelma tässä on, jos opit prototyypin rakentamista, et löydä tarkkaa muuntajaa hyllyiltäsi suunnittelua varten. Joten opimme rakentamaan kytkentämuuntajan PI-asiantuntijaohjelmistomme suunnitteluvaatimusten perusteella.
Katsotaanpa luotu muuntajan rakennekaavio.
Kuten yllä olevassa kuvassa todetaan, meidän on suoritettava 103 kierrosta yksittäistä 32 AWG-johtoa ensiöpuolella ja 5 kierrosta kahta 25 AWG-johtoa toissijaisella puolella.
Yllä olevassa kuvassa käämien alkupiste ja käämityksen suunta kuvataan mekaanisena kaaviona. Tämän muuntajan valmistamiseksi tarvitaan seuraavia asioita -
- EE19 ydin, NC-2H tai vastaava selityksessä ja aukkoja sisältävä varten ALG 79 nH / T 2
- Puola, jossa 5 nastaa ensisijaisessa ja toissijaisessa puolessa.
- Suojateippi, jonka paksuus on 1 mil. Tarvitaan 9 mm leveä teippi.
- 32 AWG juotettava pinnoitettu emaloitu kuparilanka.
- 25AWG juotettava pinnoitettu emaloitu kuparilanka.
- LCR-mittari.
Vaaditaan EE19-ydin NC-2H: lla, jonka rakoydin on 79 nH / T2; yleensä sitä on saatavana pareittain. Puola on yleinen, jossa on 4 ensisijaista ja 5 toissijaista tapia. Tässä kuitenkin käytetään puolaa, jossa on 5 nastaa molemmin puolin.
Barrier-nauhalle käytetään vakiokanavanauhaa, jonka pohjan paksuus on yli 1 mil (tyypillisesti 2 mil). Napauttamiseen liittyvien toimintojen aikana saksilla leikataan teippi täydellisiin leveyksiin. Kuparilangat hankitaan vanhoista muuntajista, ja niitä voi ostaa myös paikallisista kaupoista. Ydin ja puola, jota käytän, on esitetty alla
Vaihe 1: Lisää juotetta ensiöpuolen 1. ja 5. tappi. Juota 32 AWG-johdin tapiin 5 ja kelaussuunta on myötäpäivään. Jatka 103 kierrosta alla olevan kuvan mukaisesti
Tämä muodostaa muuntajan ensisijaisen puolen, kun 103 käämityksen kierrosta on valmis, muuntajan näytin tältä alla.
Vaihe 2: Levitä teippi eristystarkoituksiin, tarvitaan 3 kierrosta teippiä. Se auttaa myös pitämään kelan paikallaan.
Vaihe 3: Aloita toissijainen käämi napoista 9 ja 10. Toissijainen puoli tehdään kahdella 25AWG emaloidulla kuparilangalla. Juotos yksi kuparilanka tapiin 9 ja toinen napaan 10. Käämityssuunta on jälleen myötäpäivään. Jatka kunnes 5 kierrosta ja juotetaan tapien 5 ja 6 päät. Lisää eristusteippi levittämällä samalla tapilla kuin aiemmin.
Kun sekä ensiö- että toisiokäämit on tehty ja kanavateippiä on käytetty, muuntajani näytti alla olevan kuvan mukaisesti
Vaihe 4: Nyt voimme kiinnittää kaksi ydintä tiukasti teipillä.Kun olet valmis, valmiiden muuntajien tulisi näyttää tältä alla.
Vaihe 5: Muista myös käärittää teippi vierekkäin. Tämä vähentää tärinää suuren tiheyden vuonsiirron aikana.
Kun yllä olevat vaiheet on suoritettu ja muuntaja testattu käyttämällä LCR-mittaria, kuten alla on esitetty. Mittarin induktanssit ovat 1,125 mH tai 1125 uh.
SMPS-piirin rakentaminen:
Kun muuntaja on valmis, voimme jatkaa muiden komponenttien kokoamista katkoviivalle. Piiriin tarvittavat osahyödykkeet löytyvät alla olevasta materiaaliluettelosta
- BOM-osan tiedot 5V 2A SMPS -piirille
Kun komponentit on juotettu, levyni näyttää tältä.
5V 2A SMPS -piirin testaus
Piirin testaamiseksi kytkin tulopuolen verkkovirtalähteeseen VARIAC: n kautta vaihtovirran verkkojännitteen ohjaamiseksi. Lähtöjännite jännitteillä 85 VAC ja 230 VAC on esitetty alla -
Kuten näette molemmissa tapauksissa, lähtöjännite pidetään 5 V: ssä. Mutta sitten liitin lähdön laajuuteeni ja tarkistan värejä. Aaltoilu mittaus on esitetty alla
Lähtö aaltoilu on melko korkea, se näyttää 150 mV pk-pk aaltoilun. Tämä ei ole täysin hyvä virtalähdepiirille. Analyysin perusteella korkea aaltoilu johtuu seuraavista tekijöistä:
- Virheellinen piirilevyn suunnittelu.
- Maalla pomppiva ongelma.
- Piirilevyn jäähdytyselementti on väärä.
- Ei aukkoa meluisissa syöttölinjoissa.
- Muuntajan toleranssien lisääntyminen käsikäämityksen vuoksi. Muuntajien valmistajat levittävät upotuslakkaa koneen käämien aikana muuntajien paremman vakauden saavuttamiseksi.
Jos piiri muunnetaan oikeeksi piirilevyksi, voimme odottaa virtalähteen aaltoilulähtöä 50 mV pk-pk: n sisällä jopa käsikäämitysmuuntajalla. Silti, koska verolauta ei ole turvallinen vaihtoehto kytkentätilan virtalähteen tekemiseksi vaihtovirta-tasavirta-alueelle, ehdotetaan jatkuvasti, että asianmukainen piirilevy on perustettava ennen suurjännitepiirien käyttämistä käytännön tilanteissa. Voit tarkistaa tämän sivun lopussa olevasta videosta, kuinka piiri toimii kuormitusolosuhteissa.
Toivottavasti ymmärrät opetusohjelman ja opit rakentamaan omat SMPS-piirisi käsintehdyllä muuntajalla. Jos sinulla on kysyttävää, jätä ne alla olevaan kommenttiosioon tai käytä foorumeitamme lisää kysymyksiä varten.