Hoe een 5v 2a smps-voedingscircuit te ontwerpen

Power Supply Unit (PSU) is een essentieel onderdeel in elk elektronisch productontwerp. De meeste huishoudelijke elektronische producten zoals mobiele opladers, bluetooth-luidsprekers, powerbanks, smartwatches enz. Vereisen een stroomvoorzieningscircuit dat de wisselstroomvoeding kan omzetten naar 5V DC om ze te laten werken. In dit project zullen we een vergelijkbaar AC naar DC voedingscircuit bouwen met een nominaal vermogen van 10W. Dat is ons circuit dat het 220V AC-lichtnet omzet naar 5V en een maximale uitgangsstroom tot 2A leveren. Dit vermogen zou voldoende moeten zijn om de meeste elektronische producten op 5V van stroom te voorzien. Ook een 5V 2A SMPS-circuit is behoorlijk populair in de elektronica, omdat er veel microcontrollers zijn die op 5V werken.

Het idee van het project is om de build zo eenvoudig mogelijk te houden, daarom ontwerpen we het volledige circuit over een gestippeld bord (perf board) en bouwen we ook onze eigen transformator zodat iedereen dit ontwerp kan repliceren of soortgelijke kan bouwen. Opgewonden toch! Dus laten we beginnen. Eerder hebben we ook een 12V 15W SMPS-schakeling gebouwd met behulp van een printplaat, zodat mensen die geïnteresseerd zijn in het ontwerpen van een printplaat voor een PSU-project (voedingseenheid) dat ook kunnen controleren.

5V 2A SMPS-circuit - Ontwerpspecificaties

Verschillende soorten stroomvoorziening gedragen zich anders in verschillende omgevingen. SMPS werkt ook in specifieke invoer-uitvoergrenzen. Er moet een goede specificatieanalyse worden uitgevoerd voordat u verder gaat met het daadwerkelijke ontwerp.

Input specificatie:

Dit wordt een SMPS in AC naar DC conversiedomein. Daarom is de invoer AC. Voor de waarde van de ingangsspanning is het goed om een universele ingangsclassificatie voor de SMPS te gebruiken. De wisselspanning is dus 85-265VAC met een nominale waarde van 50Hz. Op deze manier kan de SMPS in elk land worden gebruikt, ongeacht hun AC-netspanningswaarde.

Uitgangsspecificatie:

De uitgangsspanning is geselecteerd als 5V met 2A van de huidige beoordeling. Het wordt dus 10W-uitvoer. Omdat deze SMPS een constante spanning levert, ongeacht de belastingsstroom, werkt deze in de CV-modus (constante spanning). Deze uitgangsspanning van 5V moet constant en stabiel zijn, zelfs bij de laagste ingangsspanning tijdens een maximale belasting (2A) over de uitgang.

Het is zeer gewenst dat een goede voedingseenheid een rimpelspanning heeft van minder dan 30mV pk-pk. De beoogde rimpelspanning voor deze SMPS is minder dan 30mV piek-piek rimpel. Aangezien deze SMPS in veroboard wordt gebouwd met behulp van een handgemaakte schakeltransformator kunnen we een iets hogere rimpelwaarde verwachten. Dit probleem kan worden vermeden door een printplaat te gebruiken.

Beveiligingsfuncties:

Er zijn verschillende beveiligingscircuits die in een SMPS kunnen worden gebruikt voor een veilige en betrouwbare werking. Het beveiligingscircuit beschermt zowel de SMPS als de bijbehorende belasting. Afhankelijk van het type kan een beveiligingscircuit over de ingang of over de uitgang worden aangesloten.

Voor deze SMPS wordt ingangsstroombeveiliging gebruikt met een maximale ingangsspanning van 275 VAC. Om EMI-problemen op te lossen, wordt ook een common-mode filter gebruikt om de gegenereerde EMI te onderdrukken. Aan de uitgangszijde zullen we kortsluitbeveiliging, overspanningsbeveiliging en overstroombeveiliging opnemen.

Selectie van de Power Management IC

Elk SMPS-circuit vereist een energiebeheer-IC, ook wel schakel-IC of SMPS-IC of droger-IC genoemd. Laten we de ontwerpoverwegingen samenvatten om de ideale energiebeheer-IC te selecteren die geschikt is voor ons ontwerp. Onze ontwerpvereisten zijn

10W vermogen. 5V 2A bij volledige belasting.
Universele ingangsclassificatie. 85-265VAC bij 50Hz
Input overspanningsbeveiliging. Maximale ingangsspanning 275VAC.
Kortsluiting, overspanning en overstroombeveiliging.
Operaties met constante spanning.

Van de bovenstaande vereisten is er een breed scala aan IC's om uit te kiezen, maar voor dit project hebben we Power-integratie geselecteerd. Power Integration is een halfgeleiderbedrijf met een breed scala aan power driver IC's in verschillende vermogensbereikbereiken. Op basis van de vereisten en beschikbaarheid hebben we besloten om de TNY268PN uit de kleine switch II-families te gebruiken. We hebben dit IC eerder gebruikt om een 12V SMPS-circuit op een PCB te bouwen.

In de bovenstaande afbeelding wordt het maximale vermogen van 15W weergegeven. We zullen de SMPS echter in het open frame en voor de universele ingangsclassificatie maken. In een dergelijk segment zou TNY268PN 15W-uitvoer kunnen leveren. Laten we het pin-diagram bekijken.

Het ontwerpen van het 5v 2Amp SMPS-circuit

De beste manier om het 5V 2A SMPS-schema te bouwen, is door de PI-expertsoftware van Power Integration te gebruiken. Download de PI expert software en gebruik de versie 8.6. Het is uitstekende software voor het ontwerpen van voedingseenheden. Het hieronder getoonde circuit is geconstrueerd met behulp van de PI-expertsoftware van Power Integration. Als u nieuw bent met deze software, kunt u het ontwerpgedeelte van dit 12V SMPS-circuit raadplegen om te begrijpen hoe u de software moet gebruiken.

Laten we, voordat we meteen beginnen met het bouwen van het prototypedeel, het 5v 2A SMPS-schakelschema en de werking ervan bekijken.

Het circuit heeft de volgende secties-

Bescherming tegen ingangsschommelingen en SMPS-fouten
AC-DC-conversie
PI-filter
Stuurcircuit of schakelcircuit
Bescherming tegen te lage spanning.
Klem circuit.
Magnetics en galvanische isolatie.
EMI-filter
Secundaire gelijkrichter en snubbercircuit
Filter sectie
Feedback sectie.

Inputstoot- en SMPS-foutbeveiliging:

Dit gedeelte bestaat uit twee componenten, F1 en RV1. F1 is een 1A 250VAC trage zekering en RV1 is een 7 mm 275V MOV (Metal Oxide Varistor). Tijdens een hoge spanningspiek (meer dan 275VAC), werd de MOV dood kort en springt de ingangszekering door. Vanwege de langzame slagfunctie is de zekering echter bestand tegen inschakelstroom door de SMPS.

AC-DC-conversie:

Dit gedeelte wordt beheerst door de diodebrug. Deze vier diodes (binnen DB107) vormen een volledige bruggelijkrichter. De diodes zijn 1N4006, maar standaard 1N4007 kan het werk perfect doen. In dit project worden deze vier diodes vervangen door een volledige bruggelijkrichter DB107.

PI-filter:

Verschillende staten hebben verschillende EMI-afwijzingsnormen. Dit ontwerp bevestigt de norm EN61000-Klasse 3 en het PI-filter is zo ontworpen dat de common-mode EMI-afwijzing wordt verminderd. Deze sectie is gemaakt met C1, C2 en L1. C1 en C2 zijn 400V 18uF condensatoren. Het is een oneven waarde, dus 22uF 400V is geselecteerd voor deze toepassing. De L1 is een common-mode smoorspoel die een differentieel EMI-signaal nodig heeft om beide te annuleren.

Stuurcircuits of schakelcircuit:

Het is het hart van een SMPS. De primaire zijde van de transformator wordt bestuurd door het schakelcircuit TNY268PN. De schakelfrequentie is 120-132 kHz. Door deze hoge schakelfrequentie kunnen kleinere transformatoren worden gebruikt. Het schakelcircuit heeft twee componenten, U1 en de C3. U1 is de belangrijkste driver IC TNY268PN. De C3 is de bypass-condensator die nodig is voor de werking van ons driver-IC.

Bescherming tegen te lage spanning:

Bescherming tegen onderspanning wordt uitgevoerd door de meetweerstand R1 en R2. Het wordt gebruikt wanneer de SMPS in de automatische herstartmodus gaat en de netspanning detecteert. De waarde van R1 en R2 wordt gegenereerd via de PI Expert-tool. Twee weerstanden in serie zijn een veiligheidsmaatregel en een goede gewoonte om problemen met weerstandsstoringen te voorkomen. Dus in plaats van 2M worden in de serie twee 1M-weerstanden gebruikt.

Klem circuit:

D1 en D2 zijn het klemcircuit. D1 is de TVS-diode en D2 is een ultrasnelle hersteldiode. De transformator fungeert als een enorme inductor over de power driver IC TNY268PN. Daarom veroorzaakt de transformator tijdens de uitschakelcyclus hoge spanningspieken als gevolg van de lekinductie van de transformator. Deze hoogfrequente spanningspieken worden onderdrukt door de diodeklem over de transformator. UF4007 is geselecteerd vanwege het ultrasnelle herstel en P6KE200A is geselecteerd voor de TVS-werking.Volgens het ontwerp is de beoogde klemspanning (VCLAMP) 200V. Daarom is P6KE200A geselecteerd en voor problemen met ultrasnelle blokkering is UF4007 geselecteerd als D2.

Magnetics en galvanische isolatie:

De transformator is een ferromagnetische transformator en zet niet alleen de hoogspanning wisselstroom om naar een laagspanning wisselstroom, maar zorgt ook voor galvanische isolatie.

EMI-filter:

EMI-filtering wordt gedaan door de C4-condensator. Het verhoogt de immuniteit van het circuit om de hoge EMI-interferentie te verminderen. Het is een Y-Klasse condensator met een nominale spanning van 2 kV.

Secundaire gelijkrichter en snubbercircuit:

De output van de transformator wordt gelijkgericht en omgezet in DC met behulp van D6, een Schottky-gelijkrichterdiode. Het snubbercircuit over de D6 zorgt voor onderdrukking van de spanningsovergang tijdens schakelhandelingen. Het snubbercircuit bestaat uit een weerstand en een condensator, R3 en C5.

Filter sectie:

Het filtersectie bestaat uit een filtercondensator C6. Het is een lage ESR-condensator voor een betere rimpelonderdrukking. Ook zorgt een LC-filter met L2 en C7 voor een betere rimpelonderdrukking over de uitvoer.

Feedback sectie:

De uitgangsspanning wordt gedetecteerd door de U3 TL431 en R6 en R7. Nadat de lijn U2 is gedetecteerd, wordt de optocoupler bestuurd en wordt het secundaire feedback-detectiegedeelte galvanisch geïsoleerd met de primaire zijcontroller. De Optocoupler heeft een transistor en een LED erin. Door de LED aan te sturen, wordt de transistor aangestuurd. Omdat de communicatie optisch verloopt, heeft het geen directe elektrische verbinding en voldoet daarom ook aan de galvanische isolatie op het feedbackcircuit.

Nu de LED de transistor rechtstreeks bestuurt, door voldoende voorspanning over de Optocoupler-LED te geven, kan men de Optocoupler-transistor, meer specifiek het stuurcircuit, besturen. Dit controlesysteem wordt gebruikt door de TL431. Een shuntregelaar. Omdat de shuntregelaar een weerstandsverdeler over zijn referentiepen heeft, kan deze de Optocoupler-led besturen die erop is aangesloten. De feedbackpin heeft een referentiespanning van 2,5V. Daarom kan de TL431 alleen actief zijn als de spanning over de verdeler voldoende is. In ons geval is de spanningsdeler ingesteld op een waarde van 5V. Daarom, wanneer de output 5V bereikt, krijgt de TL431 2,5V over de referentiepin en activeert zo de Optocoupler's LED die de transistor van de Optocoupler bestuurt en indirect de TNY268PN aanstuurt. Als de spanning over de uitgang niet voldoende is, wordt de schakelcyclus onmiddellijk onderbroken.

Ten eerste activeert de TNY268PN de eerste schakelcyclus en detecteert vervolgens zijn EN-pin. Als alles in orde is, zal het doorgaan met overschakelen, zo niet, zal het het na enige tijd opnieuw proberen. Deze lus wordt voortgezet totdat alles normaal wordt, waardoor problemen met kortsluiting of overspanning worden voorkomen. Dit is de reden waarom het flyback-topologie wordt genoemd, omdat de uitgangsspanning wordt teruggevlogen naar de bestuurder voor detectie-gerelateerde bewerkingen. Ook wordt de try-lus een hiccup-werkingsmodus genoemd op de foutconditie.

De D3 is een Schottky-barrièrediode. Deze diode zet de hoogfrequente wisselstroomuitgang om in gelijkstroom. 3A 60V Schottky-diode is geselecteerd voor betrouwbare werking. R4 en R5 worden geselecteerd en berekend door de PI Expert. Het creëert een spanningsdeler en geeft de stroom door aan de Optocoupler LED van de TL431.

R6 en R7 is een eenvoudige spanningsdeler berekend met de formule TL431 REF-spanning = (Vuit x R7) / R6 + R7. De referentiespanning is 2,5V en de Vout is 12V. Door de waarde van R6 23,7k te selecteren, werd de R7 ongeveer 9,09k.

Een schakeltransformator bouwen voor ons SMPS-circuit

Normaal gesproken is voor een SMPS-circuit een schakeltransformator vereist, deze transformatoren kunnen worden gekocht bij transformatorfabrikanten op basis van uw ontwerpvereisten. Maar het probleem hier is dat als je dingen leert over het bouwen van een prototype, je niet de exacte transformator uit de schappen voor je ontwerp kunt vinden. We zullen dus leren hoe we een schakeltransformator kunnen bouwen op basis van de ontwerpvereisten van onze PI-expertsoftware.

Laten we eens kijken naar het gegenereerde constructiediagram van de transformator.

Zoals de bovenstaande afbeelding aangeeft, moeten we 103 beurten van een enkele 32 AWG-draad aan de primaire zijde en 5 beurten van twee 25 AWG-draden aan de secundaire zijde uitvoeren.

In de bovenstaande afbeelding wordt het beginpunt van de wikkelingen en de richting van de wikkeling beschreven als een mechanisch diagram. Om deze transformator te maken, zijn de volgende dingen nodig:

EE19 kern, NC-2H of gelijkwaardige specificatie en tussenruimte voor ALG 79 nH / T ²
Spoel met 5 pinnen aan de primaire en secundaire zijde.
Afzetlint met een dikte van 1 mil. 9 mm brede tape is vereist.
32 AWG soldeerbare gecoate geëmailleerde koperdraad.
25AWG soldeerbare gecoate geëmailleerde koperdraad.
LCR-meter.

EE19-kern met NC-2H met een tussenruimte van 79nH / T2 is vereist; Over het algemeen is het verkrijgbaar in paren. De spoel is een generiek exemplaar met 4 primaire en 5 secundaire pinnen. Hier wordt echter een klosje met 5 pinnen aan beide zijden gebruikt.

Voor de barrièreband wordt standaard ducttape gebruikt met een basisdikte van meer dan 1 mil (meestal 2 mil). Tijdens de tapgerelateerde activiteiten wordt een schaar gebruikt om de tape op perfecte breedtes af te snijden. Koperdraden worden gekocht van oude transformatoren en kunnen ook bij lokale winkels worden gekocht. De kern en spoel die ik gebruik, worden hieronder weergegeven

Stap 1: Voeg soldeer toe aan de 1e en 5e pin aan de primaire zijde. Soldeer de 32 AWG-draad op pin 5 en de wikkelrichting is met de klok mee. Ga door tot de 103 bochten zoals hieronder getoond

Dit vormt de primaire kant van onze transformator, zodra de 103 windingen zijn voltooid, zag mijn transformator er als volgt uit.

Stap 2: Breng ducttape aan voor isolatiedoeleinden, er zijn 3 windingen ducttape nodig. Het helpt ook om de spoel op zijn plaats te houden.

Stap 3: Start de secundaire wikkeling vanaf pin 9 en 10. De secundaire zijde is gemaakt met twee strengen 25AWG geëmailleerde koperdraden. Soldeer een koperdraad op pin 9 en een andere op pin 10. De wikkelrichting is weer rechtsom. Ga door tot 5 slagen en soldeer de uiteinden op pin 5 en 6. Voeg isolatietape toe door ducttape aan te brengen zoals hiervoor.

Zodra zowel de primaire als de secundaire wikkelingen zijn voltooid en de ducttape is gebruikt, zag mijn transformator eruit zoals hieronder weergegeven

Stap 4: Nu kunnen we de twee kernen stevig vastzetten met ducttape. Als je klaar bent, zou de voltooide transformator er als volgt uit moeten zien.

Stap 5: Zorg er ook voor dat u de ducttape naast elkaar wikkelt. Dit vermindert de trilling tijdens fluxoverdracht met hoge dichtheid.

Nadat de bovenstaande stappen zijn gemaakt en de transformator is getest met behulp van een LCR-meter zoals hieronder weergegeven. De meter laat 1,125 mH of 1125 uh inductanties zien.

Het SMPS-circuit bouwen:

Zodra de transformator klaar is, kunnen we doorgaan met het monteren van de andere componenten op het gestippelde bord. De onderdelen die nodig zijn voor het circuit zijn te vinden in de onderstaande materiaallijst

BOM-onderdeeldetails voor 5V 2A SMPS-circuit

Zodra de componenten zijn gesoldeerd, ziet mijn bord er ongeveer zo uit.

Het 5V 2A SMPS-circuit testen

Om het circuit te testen heb ik de ingangszijde op de netvoeding aangesloten via een VARIAC om de AC-netspanning te regelen. De uitgangsspanning bij 85VAC en 230VAC wordt hieronder weergegeven:

Zoals u in beide gevallen kunt zien, wordt de uitgangsspanning op 5V gehouden. Maar toen heb ik de output op mijn scope aangesloten en op rimpelingen gecontroleerd. De rimpelmeting wordt hieronder weergegeven

De output rimpel is vrij hoog, het toont 150mV pk-pk rimpel output. Dit is totaal niet goed voor een voedingscircuit. Op basis van de analyse is de hoge rimpel te wijten aan de onderstaande factoren:

Onjuiste PCB-ontwerpen.
Probleem met stuiteren op de grond.
Het koellichaam van de printplaat is onjuist.
Geen uitschakeling op luidruchtige toevoerleidingen.
Verhoogde toleranties op transformator door handwikkeling. Transformatorfabrikanten brengen dompellak aan tijdens de machinewikkelingen voor een betere stabiliteit van de transformatoren.

Als het circuit wordt geconverteerd naar een goede PCB, kunnen we de rimpeluitvoer van de voeding binnen 50mV pk-pk verwachten, zelfs met een handgewikkelde transformator. Maar aangezien veroboard geen veilige optie is voor het maken van schakelende voeding in het AC-naar-DC-domein, wordt voortdurend gesuggereerd dat de juiste PCB moet worden gemaakt voordat hoogspanningscircuits in praktische scenario's worden toegepast. U kunt de video aan het einde van deze pagina bekijken om te zien hoe het circuit presteert onder belasting.

Ik hoop dat je de tutorial hebt begrepen en hebt geleerd hoe je je eigen SMPS-circuits kunt bouwen met een handgemaakte transformator. Als je vragen hebt, laat ze dan achter in de commentaarsectie hieronder of gebruik onze forums voor meer vragen.