12V 1a Stromversorgungsschaltungsdesign mit viper22a

Schaltnetzteile (SMPS) werden in vielen elektronischen Konstruktionen am häufigsten benötigt, um die Netzwechselspannung in einen geeigneten Gleichspannungspegel umzuwandeln, damit das Gerät funktioniert. Diese Art von AC / DC-Wandlern nimmt die 230 V / 110 V AC-Netzspannung als Eingang auf und wandelt sie durch Schalten in eine niedrige Gleichspannung um, daher der Name Schaltnetzteil. Wir haben bereits einige SMPS-Schaltungen wie diese 5V 2A SMPS-Schaltung und die 12V 1A TNY268 SMPS-Schaltung gebaut. Wir haben sogar unseren eigenen SMPS-Transformator gebaut, der in unseren SMPS-Designs zusammen mit dem Treiber-IC verwendet werden kann. In diesem Projekt werden wir eine weitere 12V 1A SMPS-Schaltung mit dem VIPer22A bauen, einem beliebten kostengünstigen SMPS-Treiber-IC von STMicroelectronics. Dieses Tutorial führt Sie durch die gesamte Schaltung und erklärt auchwie man einen eigenen Transformator für die VIPER-Schaltung baut. Interessant richtig, fangen wir an.

Designspezifikationen für das VIPer22A-Netzteil

Wie im vorherigen SMPS-basierten Projekt funktionieren verschiedene Arten der Stromversorgung in verschiedenen Umgebungen und an einer bestimmten Eingangs- / Ausgangsgrenze. Dieses SMPS hat auch eine Spezifikation. Daher muss eine ordnungsgemäße Spezifikationsanalyse durchgeführt werden, bevor mit dem eigentlichen Entwurf fortgefahren werden kann.

Eingabespezifikation: Dies ist ein SMPS in der AC / DC-Konvertierungsdomäne. Daher ist der Eingang AC. In diesem Projekt ist die Eingangsspannung fest. Es entspricht der europäischen Standardspannung. Die Eingangswechselspannung dieses SMPS beträgt also 220-240 VAC. Es ist auch die Standardspannung von Indien.

Ausgangsspezifikation: Die Ausgangsspannung wird als 12 V mit 1 A Nennstrom gewählt. Somit wird es 12W Leistung sein. Da dieses SMPS unabhängig vom Laststrom eine konstante Spannung liefert, arbeitet es im CV-Modus (Constant Voltage). Außerdem ist die Ausgangsspannung bei der niedrigsten Eingangsspannung mit maximaler Last (2A) am Ausgang konstant und konstant.

Ausgangswelligkeitsspannung: Es ist sehr erwünscht, dass eine gute Stromversorgung eine Welligkeitsspannung von weniger als 30 mV pk-pk aufweist. Die angestrebte Welligkeitsspannung ist für dieses SMPS gleich, weniger als 30 mV pk-pk Welligkeit. Die SMPS-Ausgangswelligkeit hängt jedoch stark von der SMPS-Konstruktion, der Leiterplatte und dem verwendeten Kondensatortyp ab. Wir haben einen Kondensator mit niedrigem ESR und einer Nennleistung von 105 Grad von Wurth Electronics verwendet, und die erwartete Ausgangswelligkeit scheint darunter zu liegen.

Schutzschaltungen: Es gibt verschiedene Schutzschaltungen, die in einem SMPS für einen sicheren und zuverlässigen Betrieb verwendet werden können. Die Schutzschaltung schützt das SMPS sowie die zugehörige Last. Je nach Typ kann die Schutzschaltung über den Eingang oder über den Ausgang angeschlossen werden. Für dieses SMPS wird ein Eingangsüberspannungsschutz mit einer maximalen Betriebseingangsspannung von 275 VAC verwendet. Um EMI-Probleme zu beheben, wird ein Gleichtaktfilter zum Ausblenden der generierten EMI verwendet. Auf der Ausgangsseite werden wir schließen Kurzschluss - Schutz, Überspannungsschutz und Überstromschutz.

Auswahl des SMPS-Treiber-IC

Jede SMPS-Schaltung erfordert einen Energieverwaltungs-IC, der auch als Schalt-IC oder SMPS-IC oder Trockner-IC bezeichnet wird. Fassen wir die Entwurfsüberlegungen zusammen, um den idealen Power Management IC auszuwählen, der für unser Design geeignet ist. Unsere Designanforderungen sind

1. 12W Leistung. 12V 1A bei Volllast.
2. Eingangsbewertung nach europäischer Norm. 85-265 VAC bei 50 Hz
3. Überspannungsschutz. Maximale Eingangsspannung 275VAC.
4. Ausgangskurzschluss, Überspannungs- und Überstromschutz.
5. Betrieb mit konstanter Spannung.

Aus den oben genannten Anforderungen steht eine große Auswahl an ICs zur Auswahl. Für dieses Projekt haben wir jedoch den VIPer22A- Leistungstreiber von STMicroelectronics ausgewählt. Es ist ein sehr kostengünstiger Leistungstreiber-IC von STMicroelectronics.

In der obigen Abbildung ist die typische Nennleistung des VIPer22A IC dargestellt. Es gibt jedoch keinen angegebenen Abschnitt für die Leistungsspezifikation für offene Rahmen oder Adapter. Wir werden das SMPS im offenen Rahmen und für die europäische Input-Bewertung machen. In einem solchen Segment könnte VIPer22A eine Leistung von 20 W liefern. Wir werden es für 12W Leistung verwenden. Die VIP-Pinbelegung des VIPer22A ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

Entwerfen eines VIPer22APower-Versorgungskreises

Der beste Weg, um die Schaltung aufzubauen, ist die Verwendung der Power Supply Design-Software. Sie können die VIPer Design Software Version 2.24 herunterladen, um VIPer22A zu verwenden. Die neueste Version dieser Software unterstützt VIPer22A nicht mehr. Es ist eine hervorragende Software für das Design von Netzteilen von STMicroelectronics. Durch Angabe der Entwurfsanforderungsinformationen kann der vollständige Stromversorgungsschaltplan erzeugt werden. Die von der Software generierte VIPer22A-Schaltung für dieses Projekt ist unten dargestellt

Bevor wir direkt mit dem Bau des Prototypteils beginnen, wollen wir den Schaltkreisbetrieb untersuchen. Die Schaltung hat die folgenden Abschnitte -

1. Eingangsstoß und SMPS-Fehlerschutz
2. Eingabefilter
3. AC-DC-Umwandlung
4. Treiberschaltung oder Schaltschaltung
5. Klemmkreis.
6. Magnetik und galvanische Trennung.
7. EMI-Filter
8. Sekundärgleichrichter
9. Filterabschnitt
10. Feedback-Bereich.

Eingangsstoß und SMPS-Fehlerschutz.

Dieser Abschnitt besteht aus zwei Komponenten, F1 und RV1. F1 ist eine langsame 1A 250VAC-Sicherung und RV1 ist ein 7mm 275V MOV (Metalloxid- Varistor). Während eines Hochspannungsstoßes (mehr als 275 VAC) wurde der MOV tot und löschte die Eingangssicherung. Aufgrund der Funktion zum langsamen Durchblasen hält die Sicherung jedoch dem Einschaltstrom durch das SMPS stand.

Eingabefilter

Der Kondensator C3 ist ein 250-VAC-Netzfilterkondensator. Es handelt sich um einen Kondensator vom Typ X, der demjenigen ähnelt, den wir in unserem Schaltkreisdesign ohne Transformator verwendet haben.

AC-DC-Umwandlung.

Die AC-DC-Umwandlung erfolgt mit einer DB107-Vollbrückengleichrichterdiode. Es handelt sich um eine Gleichrichterdiode mit einer Nennspannung von 1000 V 1A. Die Filterung erfolgt mit dem 22uF 400V Kondensator. Während dieses Prototyps haben wir jedoch einen sehr großen Kondensatorwert verwendet. Anstelle von 22 uF haben wir aufgrund der Verfügbarkeit des Kondensators einen 82 uF-Kondensator verwendet. Ein derartiger Kondensator mit hohem Wert ist für den Betrieb der Schaltung nicht erforderlich. 22uF 400V reichen für eine Ausgangsleistung von 12W aus.

Treiberschaltung oder Schaltschaltung.

VIPer22A benötigt Strom von der Vorspannungswicklung des Transformators. Nachdem VIPer die Vorspannung erhalten hat, schaltet er mit einem eingebauten Hochspannungs-Mosfet über den Transformator. D3 wird zur Umwandlung des AC-Vorspannungsausgangs in einen Gleichstrom verwendet, und der Widerstand R1, 10 Ohm wird zur Steuerung des Einschaltstroms verwendet. Der Filterkondensator ist ein 4,7 uF 50 V zum Glätten der Gleichstromwelligkeit.

Klemmkreis

Der Transformator wirkt als riesiger Induktor über den Leistungstreiber-IC VIPer22. Daher erzeugt der Transformator während des Ausschaltzyklus aufgrund der Streuinduktivität des Transformators Hochspannungsspitzen. Diese hochfrequenten Spannungsspitzen sind schädlich für den Leistungstreiber-IC und können zum Ausfall des Schaltkreises führen. Daher muss dies durch die Diodenklemme über dem Transformator unterdrückt werden. D1 und D2 werden für die Klemmschaltung verwendet. D1 ist die TVS-Diode und D2 ist eine ultraschnelle Wiederherstellungsdiode. D1 wird zum Klemmen der Spannung verwendet, während D2 als Sperrdiode verwendet wird. Gemäß dem Design beträgt die angestrebte Klemmspannung (VCLAMP) 200 V. Daher P6KE200A ist ausgewählt und für ultraschnelle Blockierungsprobleme wird UF4007 als D2 ausgewählt.

Magnetik und galvanische Trennung.

Der Transformator ist ein ferromagnetischer Transformator und wandelt nicht nur den Hochspannungswechselstrom in einen Niederspannungswechselstrom um, sondern bietet auch eine galvanische Trennung. Es hat drei Wicklungsaufträge. Primär-, Hilfs- oder Vorspannungswicklung und Sekundärwicklung.

EMI-Filter.

Die EMI-Filterung erfolgt durch den C4-Kondensator. Es erhöht die Störfestigkeit der Schaltung, um die hohe EMI-Störung zu verringern. Es ist ein Kondensator der Y-Klasse mit einer Nennspannung von 2 kV.

Sekundärgleichrichter und Dämpfungsschaltung.

Der Ausgang des Transformators wird gleichgerichtet und unter Verwendung von D6, einer Schottky-Gleichrichterdiode, in Gleichstrom umgewandelt. Da der Ausgangsstrom 2A beträgt, wird zu diesem Zweck eine 3A-60-V-Diode ausgewählt. SB360 ist eine Schottky-Diode mit 3A und 60V.

Filterabschnitt.

C6 ist der Filterkondensator. Es ist ein Kondensator mit niedrigem ESR für eine bessere Welligkeitsunterdrückung. Außerdem wird ein LC-Nachfilter verwendet, bei dem L2 und C7 eine bessere Welligkeitsunterdrückung über den Ausgang bieten.

Feedback-Bereich.

Die Ausgangsspannung wird von U3 TL431 und R6 und R7 erfasst. Nach dem Erfassen der Leitung U2 wird der Optokoppler gesteuert und der sekundäre Rückkopplungserfassungsabschnitt mit der primärseitigen Steuerung galvanisch isoliert. Der PC817 ist ein Optokoppler. Es hat zwei Seiten, einen Transistor und eine LED im Inneren. Durch Steuern der LED wird der Transistor gesteuert. Da die Kommunikation optisch erfolgt, besteht keine direkte elektrische Verbindung, wodurch auch die galvanische Trennung im Rückkopplungskreis erfüllt wird.

Da nun die LED den Transistor direkt steuert, kann man durch Bereitstellen einer ausreichenden Vorspannung über der Optokoppler-LED den Optokopplertransistor, insbesondere die Treiberschaltung, steuern. Dieses Steuerungssystem wird vom TL431 verwendet. Ein Shunt-Regler. Da der Shunt-Regler einen Widerstandsteiler über seinem Referenzstift hat, kann er die Optokoppler-LED steuern, die über ihn angeschlossen ist. Der Rückkopplungsstift hat eine Referenzspannung von 2,5V. Daher kann der TL431 nur aktiv sein, wenn die Spannung am Teiler ausreichend ist. In unserem Fall ist der Spannungsteiler auf einen Wert von 5 V eingestellt. Wenn der Ausgang 5 V erreicht, erhält der TL431 daher 2,5 V über den Referenzstift und aktiviert so die LED des Optokopplers, die den Transistor des Optokopplers steuert und indirekt den TNY268PN steuert. Wenn die Spannung am Ausgang nicht ausreicht, wird der Schaltzyklus sofort unterbrochen.

Zuerst aktiviert der TNY268PN den ersten Schaltzyklus und erfasst dann seinen EN-Pin. Wenn alles in Ordnung ist, wird das Umschalten fortgesetzt. Wenn nicht, wird es nach einiger Zeit erneut versucht. Diese Schleife wird fortgesetzt, bis alles normal ist, wodurch Kurzschluss- oder Überspannungsprobleme vermieden werden. Aus diesem Grund wird es als Flyback-Topologie bezeichnet, da die Ausgangsspannung zum Erfassen verwandter Vorgänge zum Treiber zurückgeflogen wird. Außerdem wird die Versuchsschleife als Hiccup-Betriebsmodus unter der Fehlerbedingung bezeichnet.

Aufbau eines Schalttransformators für VIPER22ASMPS-Schaltung

Sehen wir uns das generierte Transformator-Konstruktionsdiagramm an. Dieses Diagramm stammt aus der zuvor diskutierten Software für das Netzteildesign.

Der Kern ist E25 / 13/7 mit einem Luftspalt von 0,36 mm. Die Primärinduktivität beträgt 1mH. Für den Aufbau dieses Transformators werden folgende Dinge benötigt. Wenn Sie mit dem Bau von Transformatoren noch nicht vertraut sind, lesen Sie bitte den Artikel zum Bau Ihres eigenen SMPS-Transformators.

1. Polyesterband
2. E25 / 13/7 Kernpaare mit 0,36 mm Luftspalt.
3. Kupferdraht mit 30 AWG
4. Kupferdraht mit 43 AWG (Wir haben wegen Nichtverfügbarkeit 36 ​​AWG verwendet)
5. 23 AWG (Wir haben auch 36 AWG für diesen verwendet)
6. Horizontale oder vertikale Spule (Wir haben horizontale Spule verwendet)
7. Ein Stift zum Halten der Spule beim Aufwickeln.

Schritt 1: Halten Sie den Kern mit einem Stift fest, starten Sie einen Kupferdraht mit 30 AWG von Pin 3 der Spule und fahren Sie 133 Umdrehungen im Uhrzeigersinn bis Pin 1 fort. Bringen Sie 3 Schichten Polyesterband an.

Schritt 2: Starten Sie die Vorspannungswicklung mit einem Kupferdraht von 43 AWG von Pin 4 und fahren Sie mit den 31 Windungen fort und beenden Sie die Wicklung an Pin 5. Bringen Sie 3 Schichten Polyesterband an.

Starten Sie die Vorspannungswicklung mit einem Kupferdraht von 43 AWG von Pin 4 und fahren Sie mit den 31 Windungen fort und beenden Sie die Wicklung an Pin 5. Bringen Sie 3 Schichten Polyesterband an.

Schritt 3: Starten Sie die Sekundärwicklung von Pin 10 und setzen Sie die Wicklung im Uhrzeigersinn um 21 Windungen fort. Tragen Sie 4 Schichten Polyesterband auf.

Schritt 4: Befestigen Sie den Spaltkern mit dem Klebeband, das nebeneinander gewickelt ist. Dies reduziert die Vibration während der Flussübertragung mit hoher Dichte.

Sobald der Bau abgeschlossen ist, wird der Transformator mit einem LCR-Messgerät getestet, um den Induktivitätswert der Spulen zu messen. Das Messgerät zeigt 913 mH an, was nahe an der 1 mH-Primärinduktivität liegt.

Aufbau der VIPer22A SMPS-Schaltung:

Wenn die Nennleistung des Transformators überprüft wurde, können wir mit dem Löten aller Komponenten auf einer Vero-Platine fortfahren, wie im Schaltplan angegeben. Meine Platine sah nach Abschluss der Lötarbeiten wie folgt aus

Testen der VIPer22A-Schaltung auf 12V 1A SMPS:

Um die Schaltung zu testen, habe ich die Eingangsseite über einen VARIAC mit dem Netz verbunden, um die Eingangswechselspannung zu steuern. In der folgenden Abbildung ist die Ausgangsspannung bei 225 VAC dargestellt.

Wie Sie auf der Ausgangsseite sehen können, erhalten wir 12,12 V, was nahe an der gewünschten 12 V Ausgangsspannung liegt. Die vollständige Arbeitsweise wird im Video unten auf dieser Seite gezeigt. Ich hoffe, Sie haben das Tutorial verstanden und gelernt, wie Sie Ihre eigenen SMPS-Schaltungen mit einem handgefertigten Transformator bauen. Wenn Sie Fragen haben, lassen Sie diese im Kommentarbereich unten.