Как спроектировать схему источника питания 5в 2а smps

Блок питания (PSU) является жизненно важной частью любого электронного продукта. Для работы большинства бытовых электронных продуктов, таких как мобильные зарядные устройства, динамики Bluetooth, блоки питания, умные часы и т. Д., Требуется схема источника питания, которая могла бы преобразовывать напряжение питания переменного тока в 5 В постоянного тока. В этом проекте мы построим аналогичную схему источника питания переменного тока в постоянный с номинальной мощностью 10 Вт. То есть наша схема преобразует сеть переменного тока 220 В в 5 В и обеспечит максимальный выходной ток до 2 А. Этой мощности должно хватить для питания большинства электронных устройств, работающих от 5 В. Также схема SMPS 5V 2A довольно популярна в электронике, так как существует множество микроконтроллеров, работающих от 5V.

Идея проекта состоит в том, чтобы сделать сборку максимально простой, поэтому мы спроектируем полную схему на точечной плате (перфорированной плате), а также построим наш собственный трансформатор, чтобы любой мог воспроизвести этот дизайн или построить аналогичные. В восторге! Итак, приступим. Ранее мы также построили схему SMPS 12 В 15 Вт с использованием печатной платы, поэтому люди, которым интересно, как спроектировать печатную плату для проекта блока питания (блока питания), также могут проверить это.

Цепь ИИП 5В, 2А - Конструктивные характеристики

Различные типы источников питания по-разному работают в разных средах. Также SMPS работает в определенных границах ввода-вывода. Перед тем, как приступить к фактическому проектированию, необходимо провести надлежащий анализ спецификации.

Спецификация ввода:

Это будет домен преобразования переменного тока в постоянный ИИП. Следовательно, на входе будет переменный ток. В качестве значения входного напряжения хорошо использовать универсальный входной рейтинг для SMPS. Таким образом, напряжение переменного тока будет 85-265 В переменного тока с номинальной частотой 50 Гц. Таким образом, SMPS можно использовать в любой стране, независимо от величины сетевого напряжения переменного тока.

Спецификация выхода:

Выходное напряжение выбрано 5 В при номинальном токе 2 А. Таким образом, это будет выходная мощность 10 Вт. Поскольку этот SMPS будет обеспечивать постоянное напряжение независимо от тока нагрузки, он будет работать в режиме CV (постоянное напряжение). Это выходное напряжение 5 В должно быть постоянным и устойчивым даже при самом низком входном напряжении при максимальной нагрузке (2 А) на выходе.

Крайне желательно, чтобы хороший блок питания имел пульсации напряжения менее 30 мВ пик-пик. Целевое напряжение пульсаций для этого ИИП составляет менее 30 мВ пик-пик пульсаций. Поскольку этот SMPS будет построен на плате с использованием коммутирующего трансформатора ручной работы, мы можем ожидать немного более высокие значения пульсации. Этой проблемы можно избежать, используя печатную плату.

Особенности защиты:

Существуют различные схемы защиты, которые могут быть использованы в SMPS для безопасной и надежной работы. Схема защиты защищает SMPS, а также связанную с ним нагрузку. В зависимости от типа схема защиты может быть подключена к входу или выходу.

Для этого SMPS будет использоваться входная защита от перенапряжения с максимальным рабочим входным напряжением 275 В переменного тока. Кроме того, для решения проблем с электромагнитными помехами будет использоваться фильтр синфазных помех для подавления генерируемых электромагнитных помех. На стороне вывода мы будем включать в себя защиту от короткого замыкания, защита от перенапряжения и перегрузки по току.

Выбор микросхемы управления питанием

Для каждой цепи SMPS требуется ИС управления питанием, также известная как ИС переключения, ИС SMPS или ИС осушителя. Подведем итоги проектных соображений, чтобы выбрать идеальную ИС управления питанием, которая будет подходить для нашей конструкции. Наши требования к дизайну:

Выход 10 Вт. 5В 2А при полной нагрузке.
Универсальный входной рейтинг. 85-265 В переменного тока при 50 Гц
Защита от перенапряжения на входе. Максимальное входное напряжение 275 В переменного тока.
Выходная защита от короткого замыкания, перенапряжения и перегрузки по току.
Работа с постоянным напряжением.

Из вышеперечисленных требований есть широкий выбор ИС, но для этого проекта мы выбрали интеграцию питания. Power Integration - это компания, производящая полупроводники, у которой есть широкий спектр микросхем драйверов питания в различных диапазонах выходной мощности. Исходя из требований и доступности, мы решили использовать TNY268PN из семейств крошечных коммутаторов II. Ранее мы использовали эту ИС для построения схемы 12 В SMPS на печатной плате.

На изображении выше показана максимальная мощность 15 Вт. Однако мы будем делать ИИП в открытом корпусе и для универсального входного рейтинга. В таком сегменте TNY268PN может обеспечить выходную мощность 15 Вт. Посмотрим на схему контактов.

Проектирование схемы SMPS 5 В 2 А

Лучший способ построить схему SMPS 5 В, 2 А - использовать экспертное программное обеспечение PI Power Integration. Загрузите программное обеспечение PI expert и используйте версию 8.6. Это отличное программное обеспечение для проектирования источников питания. Схема, показанная ниже, построена с использованием экспертного программного обеспечения PI Power Integration. Если вы новичок в этом программном обеспечении, вы можете обратиться к разделу проектирования этой схемы 12 В SMPS, чтобы понять, как использовать программное обеспечение.

Прежде чем приступить к созданию прототипа, давайте рассмотрим принципиальную схему SMPS 5 В 2 А и его работу.

Схема состоит из следующих частей:

Защита от импульсных перенапряжений и отказов SMPS
Преобразование AC-DC
PI фильтр
Схема драйвера или схема переключения
Защита от пониженного напряжения.
Схема зажима.
Магнит и гальваническая развязка.
EMI фильтр
Вторичный выпрямитель и демпферная цепь
Раздел фильтра
Раздел обратной связи.

Защита от импульсных перенапряжений и отказов SMPS:

Этот раздел состоит из двух компонентов: F1 и RV1. F1 - это плавкий предохранитель с задержкой срабатывания 1 А, 250 В переменного тока, а RV1 - это 7-миллиметровый варистор на 275 В (металлооксидный варистор). Во время скачка высокого напряжения (более 275 В переменного тока) MOV резко замыкается и перегорает входной предохранитель. Однако благодаря функции медленного срабатывания предохранитель выдерживает пусковой ток через ИИП.

Преобразование AC-DC:

Этот участок управляется диодным мостом. Эти четыре диода (внутри DB107) образуют полный мостовой выпрямитель. Диоды - 1N4006, но стандартный 1N4007 справится с этой задачей отлично. В этом проекте эти четыре диода заменены полным мостовым выпрямителем DB107.

ПИ-фильтр:

В разных штатах есть разные стандарты отклонения EMI. Эта конструкция соответствует стандарту EN61000-Class 3, а фильтр PI разработан таким образом, чтобы уменьшить подавление синфазных электромагнитных помех. Этот раздел создается с использованием C1, C2 и L1. C1 и C2 - конденсаторы 400 В 18 мкФ. Это нечетное значение, поэтому для этого приложения выбрано 22 мкФ 400 В. L1 - это синфазный дроссель, который принимает дифференциальный сигнал электромагнитных помех для устранения обоих.

Схема драйвера или схема переключения:

Это сердце SMPS. Первичная обмотка трансформатора управляется коммутационной схемой TNY268PN. Частота переключения 120-132 кГц. Из-за этой высокой частоты переключения можно использовать трансформаторы меньшего размера. Схема переключения состоит из двух компонентов: U1 и C3. U1 - это основная микросхема драйвера TNY268PN. C3 - это байпасный конденсатор, который необходим для работы нашей микросхемы драйвера.

Защита от пониженного напряжения:

Защита от блокировки при пониженном напряжении обеспечивается резисторами считывания R1 и R2. Он используется, когда SMPS переходит в режим автоматического перезапуска и определяет линейное напряжение. Значение R1 и R2 генерируется с помощью инструмента PI Expert. Два последовательно подключенных резистора - это мера безопасности и хороший способ избежать проблем с отказом резистора. Таким образом, вместо 2М в серии используются два резистора 1М.

Схема зажима:

D1 и D2 - цепь зажима. D1 - диод TVS, а D2 - диод сверхбыстрого восстановления. Трансформатор действует как огромная катушка индуктивности на интегральной схеме драйвера питания TNY268PN. Поэтому во время отключения трансформатор создает выбросы высокого напряжения из-за индуктивности рассеяния трансформатора. Эти высокочастотные всплески напряжения подавляются диодным зажимом на трансформаторе. UF4007 выбран из-за сверхбыстрого восстановления, а P6KE200A выбран для работы TVS. В соответствии с конструкцией целевое напряжение ограничения (VCLAMP) составляет 200 В. Поэтому выбран P6KE200A, а для проблем, связанных со сверхбыстрой блокировкой, UF4007 выбран как D2.

Магниты и гальваническая развязка:

Трансформатор представляет собой ферромагнитный трансформатор, который не только преобразует переменный ток высокого напряжения в переменный ток низкого напряжения, но также обеспечивает гальваническую развязку.

Фильтр EMI:

Фильтрация электромагнитных помех выполняется конденсатором C4. Это увеличивает невосприимчивость схемы, чтобы уменьшить высокие помехи EMI. Это конденсатор Y-класса с номинальным напряжением 2 кВ.

Вторичный выпрямитель и цепь демпфера:

Выходной сигнал трансформатора выпрямляется и преобразуется в постоянный ток с помощью выпрямительного диода Шоттки D6. Демпферная цепь на D6 обеспечивает подавление переходных процессов напряжения во время операций переключения. Демпферная цепь состоит из одного резистора и одного конденсатора, R3 и C5.

Раздел фильтра:

Секция фильтра состоит из фильтрующего конденсатора C6. Это конденсатор с низким ESR для лучшего подавления пульсаций. Кроме того, LC-фильтр, использующий L2 и C7, обеспечивает лучшее подавление пульсаций на выходе.

Раздел обратной связи:

Выходное напряжение измеряется U3 TL431 и R6 и R7. После измерения линии U2 оптопара управляется и гальванически изолирует вторичный датчик обратной связи с контроллером первичной стороны. Оптопара имеет внутри транзистор и светодиод. Управляя светодиодом, можно управлять транзистором. Поскольку связь осуществляется оптически, она не имеет прямого электрического соединения, что обеспечивает гальваническую развязку цепи обратной связи.

Теперь, когда светодиод напрямую управляет транзистором, обеспечивая достаточное смещение через светодиод оптопары, можно управлять транзистором оптопары, а точнее схемой драйвера. Эта система управления используется TL431. Шунтирующий регулятор. По мере того как параллельный стабилизатор имеет резистор делитель через него контрольный штифт, он может контролировать оптрон светодиод, который соединен через него. Контактная обратная связь имеет опорное напряжение 2.5V. Следовательно, TL431 может быть активен только при достаточном напряжении на делителе. В нашем случае делитель напряжения установлен на значение 5В. Следовательно, когда выходное напряжение достигает 5 В, TL431 получает 2,5 В через опорный вывод и, таким образом, активирует светодиод оптопары, который управляет транзистором оптопары и косвенно управляет TNY268PN. Если на выходе недостаточно напряжения, цикл переключения немедленно приостанавливается.

Сначала TNY268PN активирует первый цикл переключения, а затем определяет свой вывод EN. Если все в порядке, он продолжит переключение, если нет, через некоторое время он попытается еще раз. Этот цикл продолжается до тех пор, пока все не нормализуется, что предотвращает проблемы с коротким замыканием или перенапряжением. Вот почему это называется топологией обратного хода, поскольку выходное напряжение возвращается к драйверу для измерения связанных операций. Кроме того, цикл попыток называется режимом икоты при отказе.

D3 представляет собой диод с барьером Шоттки. Этот диод преобразует высокочастотный выход переменного тока в постоянный. Диод Шоттки 3A 60V выбран для надежной работы. R4 и R5 выбираются и рассчитываются PI Expert. Он создает делитель напряжения и передает ток на светодиод оптопары от TL431.

R6 и R7 - это простой делитель напряжения, рассчитываемый по формуле TL431 REF Voltage = (Vout x R7) / R6 + R7. Опорное напряжение 2.5V и Vout является 12V. Выбрав значение R6 23,7k, R7 стал примерно 9,09k.

Создание коммутирующего трансформатора для нашей схемы SMPS

Обычно для схемы SMPS требуется коммутирующий трансформатор, эти трансформаторы можно приобрести у производителей трансформаторов в соответствии с вашими проектными требованиями. Но проблема здесь в том, что если вы изучаете материал по созданию прототипа, вы не можете найти на полках точный трансформатор для своего дизайна. Итак, мы узнаем, как построить переключающий трансформатор на основе проектных требований, предоставленных нашим экспертным программным обеспечением PI.

Посмотрим на построенную схему построения трансформатора.

Как показано на изображении выше, нам нужно выполнить 103 витка одного провода 32 AWG на первичной стороне и 5 витков двух проводов 25 AWG на вторичной стороне.

На изображении выше начальная точка обмотки и направление обмотки описаны в виде механической схемы. Чтобы сделать этот трансформатор, необходимо следующее:

Ядро EE19, NC-2H или эквивалентная спецификация и зазор для ALG 79 нГн / Т ²
Шпулька с 5 штифтами на первичной и вторичной стороне.
Барьерная лента толщиной 1 мил. Требуется лента шириной 9 мм.
Эмалированный медный провод с паяемым покрытием 32 AWG.
Эмалированный медный провод с паяемым покрытием 25AWG.
Измеритель LCR.

Требуется сердечник EE19 с NC-2H с зазором 79nH / T2; как правило, это доступно парами. Шпулька стандартная с 4-мя первичными и 5-ю вторичными штифтами. Однако здесь используется шпулька с 5 штифтами с обеих сторон.

Для барьерной ленты используется стандартная клейкая лента с базовой толщиной более 1 мил (обычно 2 мил). Во время операций, связанных с нарезанием резьбы, ножницами отрезают ленту до идеальной ширины. Медные провода закупаются у старых трансформаторов, их также можно купить в местных магазинах. Сердечник и шпулька, которые я использую, показаны ниже.

Шаг 1: Добавьте припой на 1-й и 5-й штырьки первичной стороны. Припаяйте провод 32 AWG к выводу 5, направление намотки - по часовой стрелке. Продолжайте движение до 103 оборотов, как показано ниже.

Это формирует первичную обмотку нашего трансформатора, когда 103 витка обмотки завершены, мой трансформатор выглядел так, как показано ниже.

Шаг 2: Наклейте изоленту для изоляции, необходимо 3 витка изоленты. Это также помогает удерживать катушку на месте.

Шаг 3: Запустите вторичную обмотку с выводов 9 и 10. Вторичная сторона сделана с использованием двух жил из эмалированных медных проводов 25AWG. Припаяйте один медный провод к контакту 9, а другой - к контакту 10. Направление намотки снова по часовой стрелке. Продолжайте до 5 витков и припаяйте концы на штырях 5 и 6. Добавьте изоленту, применив изоленту так же, как и раньше.

После того как первичная и вторичная обмотки были выполнены и изолента была использована, мой трансформатор выглядел так, как показано ниже.

Шаг 4: Теперь мы можем надежно закрепить два сердечника изолентой. После этого готовый трансформатор должен выглядеть так, как показано ниже.

Шаг 5: Также обязательно оберните изоленту бок о бок. Это уменьшит вибрацию при передаче магнитного потока высокой плотности.

После выполнения вышеуказанных шагов и тестирования трансформатора с помощью измерителя LCR, как показано ниже. Измеритель показывает индуктивность 1,125 мГн или 1125 мкГн.

Построение схемы SMPS:

Как только трансформатор будет готов, мы можем приступить к сборке других компонентов на точечной плате. Детали, необходимые для схемы, можно найти в списке материалов ниже.

Детали спецификации для цепи SMPS 5V 2A

После пайки компонентов моя плата выглядит примерно так.

Тестирование цепи SMPS 5V 2A

Для проверки схемы я подключил входную сторону к источнику питания через VARIAC для управления входным напряжением сети переменного тока. Выходное напряжение при 85 и 230 В переменного тока показано ниже.

Как вы можете видеть в обоих случаях, выходное напряжение поддерживается на уровне 5 В. Но затем я подключил выход к моему прицелу и проверил рябь. Измерение пульсации показано ниже.

Пульсации на выходе довольно высокие, они показывают пульсации 150 мВ пик-пик. Это совершенно не подходит для цепи питания. Согласно анализу, высокая пульсация обусловлена следующими факторами:

Неправильное проектирование печатной платы.
Проблема с отскоком от земли.
Радиатор печатной платы неисправен.
Нет отключения на шумных линиях питания.
Повышенные допуски на трансформаторе из-за ручного наматывания. Производители трансформаторов наносят лак окунанием на обмотки машин для лучшей устойчивости трансформаторов.

Если схема преобразована в правильную печатную плату, мы можем ожидать пульсации на выходе источника питания в пределах 50 мВ пик-пик даже с трансформатором с ручной обмоткой. Тем не менее, поскольку Veroboard не является безопасным вариантом для создания импульсного источника питания в области переменного тока в постоянный, постоянно предлагается установить надлежащую печатную плату перед применением цепей высокого напряжения в практических сценариях. Вы можете посмотреть видео в конце этой страницы, чтобы проверить, как схема работает в условиях нагрузки.

Надеюсь, вы поняли руководство и научились создавать собственные схемы SMPS с помощью трансформатора ручной работы. Если у вас есть какие-либо вопросы, оставьте их в разделе комментариев ниже или воспользуйтесь нашим форумом, чтобы задать дополнительные вопросы.