Come progettare un circuito di alimentazione 5v 2a smps

L'unità di alimentazione (PSU) è una parte vitale nella progettazione di qualsiasi prodotto elettronico. La maggior parte dei prodotti elettronici per la casa come caricabatterie mobili, altoparlanti Bluetooth, power bank, smartwatch ecc.Richiede un circuito di alimentazione in grado di convertire l'alimentazione di rete CA a 5 V CC per farli funzionare. In questo progetto costruiremo un circuito di alimentazione da CA a CC simile con una potenza nominale di 10 W. Questo è il nostro circuito convertirà la rete da 220 V CA a 5 V e fornirà una corrente di uscita massima fino a 2 A. Questa potenza dovrebbe essere sufficiente per alimentare la maggior parte dei prodotti elettronici funzionanti a 5V. Anche il circuito SMPS 5V 2A è abbastanza popolare nell'elettronica poiché ci sono molti microcontrollori che funzionano a 5V.

L'idea del progetto è di mantenere la build il più semplice possibile, quindi progetteremo il circuito completo su una scheda punteggiata (scheda perf) e costruiremo anche il nostro trasformatore in modo che chiunque possa replicare questo progetto o costruirne di simili. Eccitato a destra! Quindi iniziamo. In precedenza abbiamo anche costruito un circuito SMPS da 12 V 15 W utilizzando un PCB, quindi le persone interessate a come progettare un PCB per un progetto PSU (alimentatore) possono verificarlo.

Circuito SMPS 5V 2A - Specifiche di progettazione

Diverse varietà di alimentatori si comportano in modo diverso in ambienti diversi. Inoltre, SMPS funziona in limiti di input-output specifici. È necessario eseguire un'analisi delle specifiche corretta prima di procedere con il progetto effettivo.

Specifica di input:

Questo sarà un SMPS nel dominio di conversione da CA a CC. Pertanto, l'ingresso sarà AC. Per il valore della tensione di ingresso, è opportuno utilizzare una classificazione di ingresso universale per SMPS. Pertanto, la tensione CA sarà 85-265 V CA con una frequenza di 50 Hz. In questo modo l'SMPS può essere utilizzato in qualsiasi paese indipendentemente dal valore della tensione di rete CA.

Specifica di uscita:

La tensione di uscita è selezionata come 5V con 2A della corrente nominale. Così, sarà 10W. Poiché questo SMPS fornirà una tensione costante indipendentemente dalla corrente di carico, funzionerà in modalità CV (tensione costante). Questa tensione di uscita di 5 V deve essere costante e stabile anche alla tensione di ingresso più bassa durante un carico massimo (2 A) attraverso l'uscita.

È altamente auspicabile che un buon alimentatore abbia una tensione di ondulazione inferiore a 30mV pk-pk. La tensione di ondulazione mirata per questo SMPS è inferiore a 30 mV picco-picco di ripple. Poiché questo SMPS sarà costruito in veroboard utilizzando un trasformatore di commutazione fatto a mano, possiamo aspettarci valori di ripple leggermente più alti. Questo problema può essere evitato utilizzando un PCB.

Caratteristiche di protezione:

Esistono vari circuiti di protezione che possono essere utilizzati in un SMPS per un funzionamento sicuro e affidabile. Il circuito di protezione protegge l'SMPS e il carico associato. A seconda del tipo, il circuito di protezione può essere collegato all'ingresso o all'uscita.

Per questo SMPS, verrà utilizzata la protezione da sovratensioni in ingresso con una tensione di ingresso operativa massima di 275 V CA. Inoltre, per affrontare i problemi EMI, verrà utilizzato un filtro di modo comune per eliminare l'EMI generato. Sul lato uscita includeremo protezione da cortocircuito, protezione da sovratensione e protezione da sovracorrente.

Selezione del Power Management IC

Ogni circuito SMPS richiede un IC di gestione dell'alimentazione noto anche come IC di commutazione o IC SMPS o IC Drier. Riassumiamo le considerazioni di progettazione per selezionare il circuito integrato di gestione dell'alimentazione ideale che sarà adatto al nostro progetto. I nostri requisiti di progettazione sono

1. Uscita 10 W. 5V 2A a pieno carico.
2. Classificazione di ingresso universale. 85-265 V CA a 50 Hz
3. Protezione contro le sovratensioni in ingresso. Massima tensione di ingresso 275VAC.
4. Protezione da cortocircuito, sovratensione e sovracorrente in uscita.
5. Operazioni a tensione costante.

Dai requisiti di cui sopra c'è un'ampia gamma di circuiti integrati tra cui scegliere, ma per questo progetto abbiamo selezionato Power Integration. Power Integration è una società di semiconduttori che dispone di un'ampia gamma di circuiti integrati per driver di potenza in vari intervalli di potenza. In base ai requisiti e alla disponibilità, abbiamo deciso di utilizzare TNY268PN delle famiglie di microinterruttori II. Abbiamo già utilizzato questo circuito integrato per costruire un circuito SMPS da 12V su un PCB.

Nell'immagine sopra, viene mostrata la potenza massima 15W. Tuttavia, realizzeremo l'SMPS nel frame aperto e per la classificazione di ingresso universale. In un tale segmento, TNY268PN potrebbe fornire 15W di uscita. Vediamo il diagramma dei pin.

Progettazione del circuito SMPS 5v 2Amp

Il modo migliore per costruire lo schema SMPS 5V 2A è utilizzare il software esperto PI di Power Integration. Scarica il software per esperti PI e utilizza la versione 8.6. È un eccellente software di progettazione di alimentatori. Il circuito mostrato di seguito è costruito utilizzando il software esperto PI di Power Integration. Se sei nuovo a questo software puoi fare riferimento alla sezione di progettazione di questo circuito SMPS 12V per capire come utilizzare il software.

Prima di entrare direttamente nella costruzione del prototipo, esploriamo lo schema del circuito SMPS 5v 2A e il suo funzionamento.

Il circuito ha le seguenti sezioni:

1. Protezione contro sovratensioni in ingresso e SMPS
2. Conversione AC-DC
3. Filtro PI
4. Circuito del driver o circuito di commutazione
5. Protezione da sottotensione.
6. Circuito a pinza.
7. Magnetica e isolamento galvanico.
8. Filtro EMI
9. Raddrizzatore secondario e circuito soppressore
10. Sezione filtro
11. Sezione Feedback.

Protezione contro sovratensioni in ingresso e guasti SMPS:

Questa sezione è composta da due componenti, F1 e RV1. F1 è un fusibile ad azione lenta da 1A 250VAC e RV1 è un MOV (Metal Oxide Varistor) da 7mm 275V. Durante un picco di alta tensione (più di 275 V CA), il MOV si è cortocircuitato e brucia il fusibile di ingresso. Tuttavia, a causa della funzione di intervento lento, il fusibile resiste alla corrente di spunto attraverso l'SMPS.

Conversione AC-DC:

Questa sezione è governata dal ponte a diodi. Questi quattro diodi (all'interno del DB107) formano un raddrizzatore a ponte completo. I diodi sono 1N4006, ma lo standard 1N4007 può svolgere perfettamente il lavoro. In questo progetto, questi quattro diodi vengono sostituiti con un raddrizzatore a ponte completo DB107.

Filtro PI:

Stati diversi hanno standard di rifiuto EMI diversi. Questo design conferma lo standard EN61000-Classe 3 e il filtro PI è progettato in modo tale da ridurre il rifiuto EMI di modo comune. Questa sezione viene creata utilizzando C1, C2 e L1. C1 e C2 sono condensatori da 400V 18uF. È un valore dispari, quindi per questa applicazione è selezionato 22uF 400V. L'L1 è un'induttanza di modo comune che richiede un segnale EMI differenziale per annullarli entrambi.

Circuito del driver o circuito di commutazione:

È il cuore di un SMPS. Il lato primario del trasformatore è controllato dal circuito di commutazione TNY268PN. La frequenza di commutazione è 120-132 kHz. A causa di questa alta frequenza di commutazione, è possibile utilizzare trasformatori più piccoli. Il circuito di commutazione ha due componenti, U1 e C3. U1 è il driver principale IC TNY268PN. Il C3 è il condensatore di bypass necessario per il funzionamento del nostro driver IC.

Protezione da blocco per sottotensione:

La protezione di blocco per sottotensione viene eseguita dal resistore di rilevamento R1 e R2. Viene utilizzato quando l'SMPS entra in modalità di riavvio automatico e rileva la tensione di linea. Il valore di R1 e R2 viene generato tramite lo strumento PI Expert. Due resistori in serie sono una misura di sicurezza e una buona pratica per evitare problemi di guasto del resistore. Pertanto, invece di 2M, nella serie vengono utilizzati due resistori 1M.

Circuito di serraggio:

D1 e D2 sono il circuito di bloccaggio. D1 è il diodo TVS e D2 è un diodo di recupero ultraveloce. Il trasformatore funge da enorme induttore attraverso il driver di alimentazione IC TNY268PN. Pertanto durante il ciclo di spegnimento, il trasformatore crea picchi di alta tensione dovuti all'induttanza di dispersione del trasformatore. Questi picchi di tensione ad alta frequenza vengono soppressi dal morsetto del diodo sul trasformatore. UF4007 viene selezionato per il recupero ultra rapido e P6KE200A viene selezionato per il funzionamento TVS. Come da progetto, la tensione di serraggio mirata (VCLAMP) è 200 V. Pertanto, viene selezionato P6KE200A e per problemi relativi al blocco ultraveloce, UF4007 viene selezionato come D2.

Magnetismo e isolamento galvanico:

Il trasformatore è un trasformatore ferromagnetico e non solo converte l'alta tensione CA in una CA a bassa tensione, ma fornisce anche isolamento galvanico.

Filtro EMI:

Il filtraggio EMI viene eseguito dal condensatore C4. Aumenta l'immunità del circuito per ridurre l'elevata interferenza EMI. È un condensatore di classe Y con una tensione nominale di 2 kV.

Raddrizzatore secondario e circuito soppressore:

L'uscita dal trasformatore viene raddrizzata e convertita in CC utilizzando D6, un diodo raddrizzatore Schottky. Il circuito snubber attraverso il D6 fornisce la soppressione del transitorio di tensione durante le operazioni di commutazione. Il circuito snubber è costituito da un resistore e un condensatore, R3 e C5.

Sezione filtro:

La sezione del filtro è costituita da un condensatore di filtro C6. È un condensatore a bassa ESR per una migliore reiezione delle ondulazioni. Inoltre, un filtro LC che utilizza L2 e C7 fornisce una migliore reiezione delle ondulazioni sull'uscita.

Sezione feedback:

La tensione di uscita viene rilevata da U3 TL431 e R6 e R7. Dopo aver rilevato la linea, U2, il fotoaccoppiatore viene controllato e l'isolamento galvanico della porzione di rilevamento del feedback secondario con il controller del lato primario. L'optoaccoppiatore ha un transistor e un LED al suo interno. Controllando il LED, il transistor è controllato. Poiché la comunicazione avviene per via ottica, non ha alcun collegamento elettrico diretto, soddisfacendo quindi l'isolamento galvanico anche sul circuito di retroazione.

Ora, poiché il LED controlla direttamente il transistor, fornendo una polarizzazione sufficiente attraverso il LED dell'accoppiatore ottico, è possibile controllare il transistor dell'accoppiatore ottico, più specificamente il circuito di pilotaggio. Questo sistema di controllo è impiegato dal TL431. Un regolatore di shunt. Poiché il regolatore shunt ha un divisore di resistenza su di esso pin di riferimento, può controllare il led Optocoupler che è collegato attraverso di esso. Il pin di feedback ha una tensione di riferimento di 2,5 V.. Pertanto, il TL431 può essere attivo solo se la tensione ai capi del partitore è sufficiente. Nel nostro caso, il partitore di tensione è impostato su un valore di 5V. Pertanto, quando l'uscita raggiunge i 5 V, il TL431 riceve 2,5 V sul pin di riferimento e quindi attiva il LED dell'accoppiatore ottico che controlla il transistor dell'accoppiatore ottico e controlla indirettamente il TNY268PN. Se la tensione non è sufficiente all'uscita il ciclo di commutazione viene immediatamente sospeso.

Innanzitutto, la TNY268PN attiva il primo ciclo di commutazione e quindi rileva il suo pin EN. Se tutto va bene, continuerà il passaggio, in caso contrario, riproverà dopo un po 'di tempo. Questo ciclo continua fino a quando tutto diventa normale, prevenendo così problemi di cortocircuito o sovratensione. Questo è il motivo per cui viene chiamata topologia flyback, poiché la tensione di uscita viene rimandata al driver per le operazioni relative al rilevamento. Inoltre, il ciclo di prova viene chiamato modalità operativa singhiozzo in condizione di errore.

Il D3 è un diodo a barriera Schottky. Questo diodo converte l'uscita CA ad alta frequenza in una CC. Il diodo Schottky 3A 60V è selezionato per un funzionamento affidabile. R4 e R5 vengono selezionati e calcolati da PI Expert. Crea un partitore di tensione e trasmette la corrente al LED dell'accoppiatore ottico dal TL431.

R6 e R7 è un semplice partitore di tensione calcolato dalla formula TL431 REF tensione = (Vout x R7) / R6 + R7. La tensione di riferimento è 2.5V e la Vout è 12V. Selezionando il valore di R6 23,7k, l'R7 diventa 9,09k circa.

Costruzione di un trasformatore di commutazione per il nostro circuito SMPS

Normalmente per un circuito SMPS sarà richiesto un trasformatore di commutazione, questi trasformatori possono essere acquistati dai produttori di trasformatori in base ai requisiti di progettazione. Ma il problema qui è che se impari a costruire un prototipo non riesci a trovare il trasformatore esatto dagli scaffali per il tuo progetto. Quindi impareremo come costruire un trasformatore di commutazione in base ai requisiti di progettazione forniti dal nostro software esperto PI.

Vediamo lo schema di costruzione del trasformatore generato.

Come afferma l'immagine sopra, dobbiamo eseguire 103 giri di un singolo cavo da 32 AWG sul lato primario e 5 giri di due fili da 25 AWG sul lato secondario.

Nell'immagine sopra, il punto di partenza degli avvolgimenti e la direzione dell'avvolgimento sono descritti come uno schema meccanico. Per realizzare questo trasformatore, sono necessarie le seguenti cose:

1. EE19 core, NC-2H o specifica equivalente e gap per ALG 79 nH / T ²
2. Bobina con 5 perni nel lato primario e secondario.
3. Nastro barriera con spessore 1 mil. È necessario un nastro largo 9 mm.
4. Filo di rame smaltato rivestito saldabile 32 AWG.
5. Filo di rame smaltato rivestito saldabile 25AWG.
6. Misuratore LCR.

È richiesto un nucleo EE19 con NC-2H con un nucleo con gap di 79nH / T2; generalmente è disponibile in coppia. La bobina è generica con 4 perni primari e 5 secondari. Tuttavia, qui viene utilizzata una bobina con 5 perni su entrambi i lati.

Per il nastro barriera, viene utilizzato un nastro adesivo standard con uno spessore di base superiore a 1 mil (tipicamente 2 mil). Durante le attività relative alla maschiatura, la forbice viene utilizzata per tagliare il nastro per larghezze perfette. I fili di rame vengono acquistati da vecchi trasformatori e possono essere acquistati anche dai negozi locali. Il nucleo e la bobina che sto utilizzando sono mostrati di seguito

Passaggio 1: aggiungere la saldatura nel 1 ° e 5 ° pin sul lato primario. Saldare il filo 32 AWG al pin 5 e la direzione di avvolgimento è in senso orario. Continua fino ai 103 giri come mostrato di seguito

Questo costituisce il lato primario del nostro trasformatore, una volta che i 103 giri di avvolgimento sono stati completati, il mio trasformatore sembrava questo sotto.

Passaggio 2: applicare il nastro adesivo per scopi di isolamento, sono necessari 3 giri di nastro adesivo. Aiuta anche a mantenere la bobina in posizione.

Passaggio 3: avviare l'avvolgimento secondario dai pin 9 e 10. Il lato secondario è realizzato utilizzando due fili di fili di rame smaltati 25AWG. Saldare un filo di rame al pin 9 e un altro al pin 10. La direzione di avvolgimento è di nuovo in senso orario. Continuare fino a 5 giri e saldare le estremità sui pin 5 e 6. Aggiungere del nastro isolante applicando del nastro adesivo come prima.

Una volta che entrambi gli avvolgimenti primari e secondari sono stati eseguiti e il nastro adesivo è stato utilizzato, il mio trasformatore sembrava come mostrato di seguito

Passaggio 4: Ora possiamo fissare saldamente i due nuclei usando del nastro adesivo.Una volta terminato, il trasformatore completato dovrebbe apparire come questo sotto.

Passaggio 5: assicurarsi anche di avvolgere il nastro adesivo fianco a fianco. Ciò ridurrà le vibrazioni durante il trasferimento del flusso ad alta densità.

Dopo aver eseguito i passaggi precedenti e aver testato il trasformatore utilizzando un misuratore LCR come mostrato di seguito. Lo strumento mostra induttanze di 1,125 mH o 1125 uh.

Costruzione del circuito SMPS:

Una volta che il trasformatore è pronto possiamo procedere con l'assemblaggio degli altri componenti sulla scheda tratteggiata. I dettagli delle parti richieste per il circuito possono essere trovati nella lista della distinta base di seguito

• Dettagli della parte BOM per circuito SMPS 5V 2A

Una volta saldati i componenti, la mia scheda assomiglia a questo.

Test del circuito SMPS 5V 2A

Per testare il circuito ho collegato il lato di ingresso all'alimentazione di rete tramite un VARIAC per controllare la tensione di rete AC in ingresso. La tensione di uscita a 85 V CA e 230 V CA è mostrata di seguito:

Come puoi vedere in entrambi i casi, la tensione di uscita è mantenuta a 5V. Ma poi ho collegato l'uscita al mio oscilloscopio e ho verificato la presenza di increspature. La misurazione del ripple è mostrata di seguito

Il ripple di uscita è piuttosto alto, mostra un'uscita di ripple pk-pk di 150 mV. Questo non è assolutamente buono per un circuito di alimentazione. In base all'analisi, l'elevata ondulazione è dovuta ai fattori seguenti:

1. Progettazione PCB impropria.
2. Problema di rimbalzo del terreno.
3. Il dissipatore di calore del PCB non è corretto.
4. Nessuna interruzione su linee di alimentazione rumorose.
5. Aumento delle tolleranze sul trasformatore grazie all'avvolgimento manuale. I produttori di trasformatori applicano vernici per immersione durante gli avvolgimenti della macchina per una migliore stabilità dei trasformatori.

Se il circuito viene convertito in un PCB appropriato, possiamo aspettarci l'uscita di ripple dell'alimentatore entro 50 mV pk-pk anche con un trasformatore a carica manuale. Tuttavia, poiché veroboard non è un'opzione sicura per realizzare alimentatori in modalità switch nel dominio AC-DC, si suggerisce costantemente di stabilire un PCB appropriato prima di applicare circuiti ad alta tensione in scenari pratici. Puoi controllare il video alla fine di questa pagina per verificare come si comporta il circuito in condizioni di carico.

Spero che tu abbia capito il tutorial e imparato come costruire i tuoi circuiti SMPS con un trasformatore fatto a mano. Se hai domande, lasciale nella sezione commenti qui sotto o usa i nostri forum per ulteriori domande.