- Litar SMPS 5V 2A - Spesifikasi Reka Bentuk
- Pemilihan IC Pengurusan Kuasa
- Merancang Litar SMPS 5v 2Amp
- Membina Transformer Beralih untuk Litar SMPS kami
- Membina Litar SMPS:
- Menguji Litar SMPS 5V 2A
Unit Bekalan Kuasa (PSU) adalah bahagian penting dalam reka bentuk produk elektronik. Sebilangan besar produk elektronik isi rumah seperti Pengecas Mudah Alih, Pembesar Suara Bluetooth, Bank Kuasa, Jam Tangan Pintar dan lain-lain memerlukan litar Bekalan Daya yang boleh menukar bekalan kuasa AC ke 5V DC untuk mengendalikannya. Dalam projek ini kita akan membina litar bekalan kuasa AC dengan DC yang serupa dengan penarafan kuasa 10W. Itulah litar kami yang akan menukar arus elektrik 220V menjadi 5V dan memberikan arus keluaran maksimum sehingga 2A. Penarafan kuasa ini harus cukup untuk menggerakkan kebanyakan produk elektronik yang berjalan pada 5V. Juga 5V 2A SMPS litar agak popular dalam elektronik kerana terdapat banyak pengawal mikro yang beroperasi pada 5V.
Idea projek ini adalah untuk membuat binaan sesederhana mungkin, oleh itu kita akan merancang litar lengkap di atas papan putus-putus (papan wangi) dan juga akan membina pengubah kita sendiri supaya sesiapa sahaja dapat meniru reka bentuk ini atau membina yang serupa. Teruja betul! Oleh itu, mari kita mulakan. Sebelumnya kami juga telah membina litar SMPS 12V 15W menggunakan PCB, jadi orang yang berminat untuk merancang PCB untuk projek PSU (unit bekalan kuasa) juga dapat memeriksa.
Litar SMPS 5V 2A - Spesifikasi Reka Bentuk
Jenis bekalan kuasa yang berlainan berkelakuan berbeza di persekitaran yang berbeza. Juga, SMPS berfungsi dalam batas input-output tertentu. Analisis spesifikasi yang betul perlu dilakukan sebelum meneruskan reka bentuk yang sebenarnya.
Spesifikasi input:
Ini akan menjadi SMPS dalam domain penukaran AC ke DC. Oleh itu, input akan menjadi AC. Untuk nilai voltan input, ada baiknya menggunakan penilaian input universal untuk SMPS. Oleh itu, voltan AC akan menjadi 85-265VAC dengan penarafan 50Hz. Dengan cara ini SMPS dapat digunakan di mana-mana negara tanpa mengira nilai voltan AC mereka.
Spesifikasi output:
Voltan keluaran dipilih sebagai 5V dengan penilaian 2A semasa. Oleh itu, ia akan menjadi output 10W. Oleh kerana SMPS ini akan memberikan voltan tetap tanpa mengira arus beban, ia akan berfungsi pada mod CV (Voltan Konstan). Voltan keluaran 5V ini harus tetap dan stabil walaupun pada voltan input terendah semasa beban maksimum (2A) merentasi output.
Sangat diharapkan unit bekalan kuasa yang baik mempunyai voltan riak kurang dari 30mV pk-pk. Voltan riak yang disasarkan untuk SMPS ini kurang dari 30mV puncak-puncak riak. Oleh kerana SMPS ini akan dibina di papan verob menggunakan transformer pensuisan buatan tangan, kita dapat mengharapkan nilai riak yang sedikit lebih tinggi. Masalah ini dapat dielakkan dengan menggunakan PCB.
Ciri perlindungan:
Terdapat pelbagai rangkaian perlindungan yang dapat digunakan dalam SMPS untuk operasi yang selamat dan boleh dipercayai. Litar perlindungan melindungi SMPS serta beban yang berkaitan. Bergantung pada jenisnya, litar perlindungan dapat dihubungkan melalui input atau seluruh output.
Untuk SMPS ini, perlindungan lonjakan input akan digunakan dengan voltan input operasi maksimum 275VAC. Juga, untuk menangani masalah EMI, penapis mod biasa akan digunakan untuk mengosongkan EMI yang dihasilkan. Di bahagian Output kami akan merangkumi perlindungan litar pintas, perlindungan voltan berlebihan, dan perlindungan arus lebih.
Pemilihan IC Pengurusan Kuasa
Setiap litar SMPS memerlukan IC Pengurusan Daya yang juga dikenali sebagai IC beralih atau IC IC atau Drier IC. Mari kita ringkaskan pertimbangan reka bentuk untuk memilih IC Pengurusan Kuasa yang sesuai untuk reka bentuk kami. Keperluan Reka Bentuk kami adalah
- Keluaran 10W. 5V 2A pada beban penuh.
- Peringkat input sejagat. 85-265VAC pada 50Hz
- Perlindungan lonjakan input. Voltan input maksimum 275VAC.
- Litar pintas output, perlindungan voltan dan arus lebihan.
- Operasi voltan berterusan.
Dari keperluan di atas terdapat banyak IC untuk dipilih, tetapi untuk projek ini kami telah memilih integrasi Power. Power integrasi adalah syarikat semi-konduktor yang mempunyai pelbagai IC pemacu kuasa dalam pelbagai julat output kuasa. Berdasarkan keperluan dan ketersediaan, kami telah memutuskan untuk menggunakan TNY268PN dari keluarga suis II yang kecil. Kami sebelum ini menggunakan IC ini untuk membina litar SMPS 12V pada PCB.
Dalam gambar di atas, kuasa maksimum 15W ditunjukkan. Walau bagaimanapun, kami akan menjadikan SMPS dalam bingkai terbuka dan untuk penilaian input sejagat. Dalam segmen seperti itu, TNY268PN dapat memberikan output 15W. Mari lihat rajah pin.
Merancang Litar SMPS 5v 2Amp
Kaedah terbaik untuk membina Skema SMPS 5V 2A adalah dengan menggunakan perisian pakar PI pengintegrasian Power. Muat turun perisian pakar PI dan gunakan versi 8.6. Ia adalah perisian reka bentuk bekalan kuasa yang sangat baik. Litar yang ditunjukkan di bawah ini dibina menggunakan perisian pakar PI Power Integration. Sekiranya anda baru menggunakan perisian ini, anda boleh merujuk ke bahagian reka bentuk litar SMPS 12V ini untuk memahami cara menggunakan perisian.
Sebelum terus membina bahagian prototaip, mari kita terokai gambarajah litar SMPS 5v 2A dan operasinya.
Litar mempunyai bahagian berikut-
- Lonjakan input dan perlindungan kesalahan SMPS
- Penukaran AC-DC
- Penapis PI
- Litar pemandu atau litar Switching
- Perlindungan penguncian voltan bawah.
- Litar pengapit.
- Magnetik dan pengasingan galvanik.
- Penapis EMI
- Rectifier Sekunder dan litar snubber
- Bahagian Penapis
- Bahagian maklum balas.
Lonjakan input dan perlindungan kesalahan SMPS:
Bahagian ini terdiri daripada dua komponen, F1 dan RV1. F1 adalah sekering perlahan 1A 250VAC dan RV1 adalah MOV 7mm 275V (Metal Oxide Varistor). Semasa lonjakan voltan tinggi (lebih daripada 275VAC), MOV menjadi pendek dan meletupkan input Fuse. Namun, kerana ciri hembusan perlahan, fius menahan arus masuk melalui SMPS.
Penukaran AC-DC:
Bahagian ini ditadbir oleh jambatan dioda. Keempat-empat diod ini (di dalam DB107) membuat penyearah jambatan penuh. Diodnya adalah 1N4006, tetapi 1N4007 standard dapat melakukan tugas dengan sempurna. Dalam projek ini, keempat-empat diod ini diganti dengan penerus jambatan penuh DB107.
Penapis PI:
Keadaan yang berbeza mempunyai standard penolakan EMI yang berbeza. Reka bentuk ini mengesahkan standard EN61000-Class 3 dan penapis PI direka sedemikian rupa untuk mengurangkan penolakan EMI mod biasa. Bahagian ini dibuat menggunakan C1, C2, dan L1. C1 dan C2 adalah kapasitor 400V 18uF. Ini adalah nilai ganjil sehingga 22uF 400V dipilih untuk aplikasi ini. L1 adalah choke mod biasa yang mengambil isyarat EMI pembezaan untuk membatalkan keduanya.
Litar pemacu atau litar pensuisan:
Ini adalah nadi SMPS. Bahagian utama pengubah dikendalikan oleh litar pensuisan TNY268PN. Frekuensi pensuisan adalah 120-132khz. Oleh kerana frekuensi pensuisan tinggi ini, transformer yang lebih kecil dapat digunakan. Litar pensuisan mempunyai dua komponen, U1, dan C3. U1 adalah pemacu utama IC TNY268PN. C3 adalah kapasitor pintasan yang diperlukan untuk kerja IC pemandu kami.
Perlindungan penguncian bawah voltan:
Perlindungan penguncian bawah voltan dilakukan oleh perintang rasa R1 dan R2. Ia digunakan ketika SMPS masuk ke mod restart automatik dan merasakan voltan saluran. Nilai R1 dan R2 dihasilkan melalui alat Pakar PI. Dua perintang secara bersiri adalah langkah keselamatan dan amalan yang baik untuk mengelakkan masalah kegagalan perintang. Oleh itu, bukannya 2M, dua perintang 1M digunakan dalam siri ini.
Litar pengapit:
D1 dan D2 adalah litar pengapit. D1 adalah diod TVS dan D2 adalah diod pemulihan yang sangat pantas. Transformer bertindak sebagai induktor besar di seluruh pemacu kuasa IC TNY268PN. Oleh itu semasa putaran mati, pengubah menghasilkan lonjakan voltan tinggi kerana aruhan kebocoran pengubah. Lonjakan voltan frekuensi tinggi ini ditekan oleh pengapit diod melintasi pengubah. UF4007 dipilih kerana pemulihan yang sangat cepat dan P6KE200A dipilih untuk operasi TVS. Sesuai dengan reka bentuk, voltan pengapit yang disasarkan (VCLAMP) adalah 200V. Oleh itu, P6KE200A dipilih dan untuk masalah berkaitan sekatan ultra cepat, UF4007 dipilih sebagai D2.
Pengasingan magnet dan galvanik:
Transformer adalah transformer feromagnetik dan ia bukan sahaja menukar AC voltan tinggi ke AC voltan rendah tetapi juga memberikan pengasingan galvanik.
Penapis EMI:
Penapisan EMI dilakukan oleh kapasitor C4. Ia meningkatkan daya tahan litar untuk mengurangkan gangguan EMI yang tinggi. Ia adalah kapasitor Y-Class dengan penarafan voltan 2kV.
Menengah lambat dan snubber Circuit:
Output dari transformer diperbaiki dan ditukar menjadi DC menggunakan D6, diod penyearah Schottky. Litar snubber melintasi D6 memberikan penekanan voltan sementara semasa operasi beralih. Litar snubber terdiri daripada satu perintang dan satu kapasitor, R3, dan C5.
Bahagian Penapis:
Bahagian penapis terdiri daripada kapasitor penapis C6. Ia adalah kapasitor ESR Rendah untuk penolakan riak yang lebih baik. Juga, penapis LC menggunakan L2 dan C7 memberikan penolakan riak yang lebih baik di seluruh output.
Bahagian maklum balas:
Voltan keluaran dirasakan oleh U3 TL431 dan R6 dan R7. Setelah mengesan talian, U2, optocoupler dikawal dan mengasingkan secara galvanis bahagian pengesan maklum balas sekunder dengan pengawal sisi utama. Optocoupler mempunyai transistor dan LED di dalamnya. Dengan mengawal LED, transistor dikawal. Oleh kerana komunikasi dilakukan secara optik, ia tidak mempunyai sambungan elektrik langsung, oleh itu memuaskan pengasingan galvanik pada litar maklum balas juga.
Sekarang, kerana LED secara langsung mengawal transistor, dengan memberikan bias yang mencukupi melintasi LED Optocoupler, seseorang dapat mengawal transistor Optocoupler, lebih khusus rangkaian pemandu. Sistem kawalan ini digunakan oleh TL431. Pengawal selia. Oleh kerana pengatur shunt mempunyai pembahagi perintang pada pin rujukannya, ia dapat mengawal led Optocoupler yang bersambung di seberang. Pin maklum balas mempunyai voltan rujukan 2.5V. Oleh itu, TL431 boleh aktif hanya jika voltan di pembahagi mencukupi. Dalam kes kami, pembahagi voltan ditetapkan pada nilai 5V. Oleh itu, apabila output mencapai 5V, TL431 mendapat 2.5V merentasi pin rujukan dan dengan itu mengaktifkan LED Optocoupler yang mengawal transistor Optocoupler dan secara tidak langsung mengawal TNY268PN. Sekiranya voltan tidak mencukupi di seluruh output, kitaran pensuisan segera dihentikan.
Pertama, TNY268PN mengaktifkan kitaran pertama beralih dan kemudian merasakan pin ENnya. Sekiranya semuanya baik-baik saja, ia akan terus beralih, jika tidak, ia akan mencuba sekali lagi selepas beberapa ketika. Gelung ini berterusan sehingga semuanya menjadi normal, dengan itu mengelakkan masalah litar pintas atau voltan berlebihan. Inilah sebabnya mengapa ia disebut topologi flyback, kerana voltan output diturunkan kembali ke pemacu untuk mengesan operasi yang berkaitan. Juga, gelung mencuba dipanggil mod operasi cegukan pada keadaan kegagalan.
D3 adalah diod penghalang Schottky. Diod ini menukar output AC frekuensi tinggi menjadi DC. 3A 60V Schottky Diode dipilih untuk operasi yang boleh dipercayai. R4 dan R5 dipilih dan dikira oleh Pakar PI. Ia membuat pembahagi voltan dan mengalirkan arus ke LED Optocoupler dari TL431.
R6 dan R7 adalah pembahagi voltan sederhana yang dikira dengan formula TL431 REF voltan = (Vout x R7) / R6 + R7. Voltan rujukan ialah 2.5V dan Vout adalah 12V. Dengan memilih nilai R6 23.7k, R7 menjadi 9.09k lebih kurang.
Membina Transformer Beralih untuk Litar SMPS kami
Biasanya untuk litar SMPS diperlukan pengubah suis, transformer ini boleh diperoleh dari pengeluar transformer berdasarkan keperluan reka bentuk anda. Tetapi masalahnya di sini adalah jika anda belajar membina prototaip, anda tidak dapat mencari pengubah yang tepat dari rak untuk reka bentuk anda. Oleh itu, kita akan belajar bagaimana membina pengubah suis berdasarkan keperluan reka bentuk yang diberikan oleh perisian pakar PI kami.
Mari lihat rajah pembinaan pengubah yang dihasilkan.
Seperti gambar di atas, kita perlu melakukan 103 putaran wayar 32 AWG tunggal di sisi utama dan 5 putaran dua wayar 25 AWG di sisi sekunder.
Pada gambar di atas, titik permulaan belitan dan arah belitan digambarkan sebagai gambarajah mekanikal. Untuk membuat pengubah ini, perkara berikut diperlukan-
- Inti EE19, NC-2H atau spesifikasi yang setara dan kosong untuk ALG 79 nH / T 2
- Bobbin dengan 5 pin di bahagian utama dan sekunder.
- Pita penghalang dengan ketebalan 1 mil. Pita lebar 9mm diperlukan.
- 32 wayar tembaga enamel bersalut AWG bersolder.
- 25AWG dawai tembaga enamel bersalut bersolder.
- LCR meter.
Inti EE19 dengan NC-2H dengan teras jurang 79nH / T2 diperlukan; secara amnya, ia boleh didapati secara berpasangan. Bobbin adalah yang umum dengan 4 pin primer dan 5 pin sekunder. Walau bagaimanapun, di sini bobbin dengan 5 pin di kedua sisi digunakan.
Untuk pita penghadang, pita saluran standard digunakan yang mempunyai ketebalan dasar lebih dari 1 mil (Biasanya 2 mil). Semasa melakukan aktiviti mengetuk, gunting digunakan untuk memotong pita dengan lebar yang sempurna. Wayar tembaga diperoleh dari transformer lama dan boleh dibeli dari kedai tempatan juga. Inti dan bobbin yang saya gunakan ditunjukkan di bawah
Langkah 1: Tambahkan pateri pada pin 1 dan 5 di sisi utama. Pateri wayar 32 AWG pada pin 5 dan arah penggulungan mengikut arah jam. Teruskan sehingga 103 giliran seperti gambar di bawah
Ini membentuk sisi utama pengubah kami, setelah 103 putaran penggulungan selesai pengubah saya kelihatan seperti di bawah ini.
Langkah 2: Sapukan pita saluran untuk tujuan penebat, 3 putaran pita salur diperlukan. Ia juga membantu menjaga gegelung dalam kedudukannya.
Langkah 3: Mulakan penggulungan sekunder dari pin 9 dan 10. Bahagian kedua dibuat menggunakan dua helai wayar tembaga enamel 25AWG. Pateri satu wayar tembaga ke pin 9 dan satu lagi di pin 10. Arah penggulungan sekali lagi mengikut arah jam. Teruskan sehingga 5 putaran dan pateri hujung pada pin 5 dan 6. Tambahkan pita penebat dengan menggunakan pita saluran seperti sebelumnya.
Setelah penggulungan primer dan sekunder selesai dan pita saluran digunakan, pengubah saya kelihatan seperti gambar di bawah
Langkah 4: Sekarang kita dapat mengikat dua teras dengan ketat menggunakan pita saluran. Setelah selesai pengubah akan kelihatan seperti di bawah.
Langkah 5: Pastikan juga membungkus pita saluran secara bersebelahan. Ini akan mengurangkan getaran semasa pemindahan fluks berkepadatan tinggi.
Setelah langkah di atas dibuat dan transformer diuji menggunakan meter LCR seperti gambar di bawah. Meter menunjukkan induktansi 1.125 mH atau 1125 uh.
Membina Litar SMPS:
Setelah pengubah siap, kita boleh meneruskan pemasangan komponen lain di papan putus-putus. Bahagian yang diperlukan untuk litar boleh didapati dalam senarai bahan di bawah
- Butiran bahagian BOM untuk litar SMPS 5V 2A
Setelah komponen disolder papan saya kelihatan seperti ini.
Menguji Litar SMPS 5V 2A
Untuk menguji litar, saya menyambungkan sisi input ke bekalan kuasa utama melalui VARIAC untuk mengawal voltan utama AC input. Voltan keluaran pada 85VAC dan 230VAC ditunjukkan di bawah-
Seperti yang anda lihat dalam kedua-dua keadaan, voltan keluaran dikekalkan pada 5V. Tetapi kemudian saya menghubungkan output ke ruang lingkup saya dan memeriksa riak. Pengukuran riak ditunjukkan di bawah
Riak output cukup tinggi, ia menunjukkan output riak 150mV pk-pk. Ini sama sekali tidak baik untuk litar bekalan kuasa. Berdasarkan analisis, riak tinggi disebabkan oleh faktor-faktor di bawah-
- Perancangan PCB yang tidak betul.
- Isu lantunan tanah.
- Pendingin PCB tidak betul.
- Tiada jalan keluar di talian bekalan yang bising.
- Peningkatan toleransi pada pengubah kerana penggulungan tangan. Pengilang transformer menggunakan cat varnish semasa penggulungan mesin untuk kestabilan transformer yang lebih baik.
Sekiranya litar ditukar ke PCB yang betul, kita dapat mengharapkan output riak bekalan kuasa dalam 50mV pk-pk walaupun dengan pengubah berliku tangan. Namun, kerana papan kenyataan bukanlah pilihan yang selamat untuk membuat bekalan kuasa mod suis dalam domain AC ke DC, selalu disarankan agar PCB yang betul mesti dibuat sebelum menerapkan litar voltan tinggi dalam senario praktikal. Anda boleh menyemak video di hujung halaman ini untuk memeriksa prestasi litar dalam keadaan beban.
Harap anda memahami tutorial dan mengetahui cara membina litar SMPS anda sendiri dengan pengubah buatan tangan. Sekiranya anda mempunyai pertanyaan, tinggalkan di bahagian komen di bawah atau gunakan forum kami untuk lebih banyak soalan.