- 5V 2A SMPS-Schaltung - Konstruktionsspezifikationen
- Auswahl des Power Management IC
- Entwerfen der 5V 2Amp SMPS-Schaltung
- Bau eines Schalttransformators für unsere SMPS-Schaltung
- Aufbau der SMPS-Schaltung:
- Testen der 5V 2A SMPS-Schaltung
Das Netzteil ist ein wesentlicher Bestandteil jedes elektronischen Produktdesigns. Die meisten elektronischen Haushaltsprodukte wie mobile Ladegeräte, Bluetooth-Lautsprecher, Powerbanks, Smartwatches usw. erfordern einen Stromversorgungskreis, der die Wechselstromversorgung für den Betrieb in 5 V DC umwandeln kann. In diesem Projekt werden wir einen ähnlichen Wechselstrom-Gleichstrom-Stromversorgungskreis mit einer Nennleistung von 10 W bauen. Das heißt, unsere Schaltung wandelt das 220-V-Wechselstromnetz in 5 V um und liefert einen maximalen Ausgangsstrom von bis zu 2A. Diese Nennleistung sollte ausreichen, um die meisten elektronischen Produkte mit 5 V zu versorgen. Auch 5V 2A SMPS-Schaltungen sind in der Elektronik sehr beliebt, da es viele Mikrocontroller gibt, die mit 5V betrieben werden.
Die Idee des Projekts ist es, den Aufbau so einfach wie möglich zu halten. Daher werden wir die gesamte Schaltung über einer gepunkteten Platine (Perf-Platine) entwerfen und auch unseren eigenen Transformator bauen, damit jeder diesen Entwurf replizieren oder ähnliche bauen kann. Aufgeregt richtig! Also lasst uns anfangen. Zuvor haben wir auch eine 12-V-15-W-SMPS-Schaltung mit einer Leiterplatte gebaut, sodass auch Personen, die daran interessiert sind, eine Leiterplatte für ein Netzteilprojekt (Netzteil) zu entwerfen, dies überprüfen können.
5V 2A SMPS-Schaltung - Konstruktionsspezifikationen
Verschiedene Arten der Stromversorgung verhalten sich in verschiedenen Umgebungen unterschiedlich. Außerdem arbeitet SMPS an bestimmten Eingabe-Ausgabe-Grenzen. Vor dem eigentlichen Entwurf muss eine ordnungsgemäße Spezifikationsanalyse durchgeführt werden.
Eingabespezifikation:
Dies ist eine SMPS in AC / DC-Konvertierungsdomäne. Daher ist der Eingang AC. Für den Eingangsspannungswert empfiehlt es sich, eine universelle Eingangsbewertung für das SMPS zu verwenden. Somit beträgt die Wechselspannung 85-265 VAC bei einer Nennspannung von 50 Hz. Auf diese Weise kann das SMPS in jedem Land unabhängig von seinem Netzspannungswert verwendet werden.
Ausgabespezifikation:
Die Ausgangsspannung wird als 5V mit 2A der Nennstromstärke gewählt. Somit wird eine Leistung von 10 W erreicht. Da dieses SMPS unabhängig vom Laststrom eine konstante Spannung liefert, arbeitet es im CV-Modus (Constant Voltage). Diese Ausgangsspannung von 5 V sollte auch bei der niedrigsten Eingangsspannung während einer maximalen Last (2A) am Ausgang konstant und konstant sein.
Es ist sehr erwünscht, dass ein gutes Netzteil eine Welligkeitsspannung von weniger als 30 mV pk-pk aufweist. Die angestrebte Welligkeitsspannung für dieses SMPS beträgt weniger als 30 mV Spitze-Spitze-Welligkeit. Da dieses SMPS mit einem handgefertigten Schalttransformator in Veroboard eingebaut wird, können wir etwas höhere Welligkeitswerte erwarten. Dieses Problem kann durch Verwendung einer Leiterplatte vermieden werden.
Schutzfunktionen:
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 Power Management 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
- 10W Leistung. 5V 2A bei Volllast.
- Universelle Eingangsleistung. 85-265 VAC bei 50 Hz
- Überspannungsschutz. Maximale Eingangsspannung 275VAC.
- Ausgangskurzschluss, Überspannungs- und Überstromschutz.
- Betrieb mit konstanter Spannung.
Aus den oben genannten Anforderungen kann aus einer Vielzahl von ICs ausgewählt werden. Für dieses Projekt haben wir jedoch die Power-Integration ausgewählt. Power Integration ist ein Halbleiterunternehmen, das über eine breite Palette von Leistungstreiber-ICs in verschiedenen Leistungsbereichen verfügt. Aufgrund der Anforderungen und Verfügbarkeit haben wir uns für den TNY268PN aus winzigen Switch II-Familien entschieden. Wir haben diesen IC zuvor verwendet, um eine 12-V-SMPS-Schaltung auf einer Leiterplatte aufzubauen.
Im obigen Bild ist die maximale Leistung von 15 W dargestellt. Wir werden das SMPS jedoch im offenen Rahmen und für die universelle Eingangsbewertung herstellen. In einem solchen Segment könnte TNY268PN eine Leistung von 15 W liefern. Sehen wir uns das Pin-Diagramm an.
Entwerfen der 5V 2Amp SMPS-Schaltung
Der beste Weg, um das 5V 2A SMPS-Schema zu erstellen, ist die Verwendung der PI-Expertensoftware von Power Integration. Laden Sie die PI Expert-Software herunter und verwenden Sie die Version 8.6. Es ist eine ausgezeichnete Software für das Design von Netzteilen. Die unten gezeigte Schaltung wird mit der PI-Expertensoftware von Power Integration erstellt. Wenn Sie mit dieser Software noch nicht vertraut sind, können Sie sich im Entwurfsabschnitt dieser 12-V-SMPS-Schaltung über die Verwendung der Software informieren.
Bevor wir mit dem Bau des Prototypteils beginnen, wollen wir uns mit dem 5-V-2A-SMPS-Schaltplan und seiner Funktionsweise befassen.
Die Schaltung hat die folgenden Abschnitte:
- Eingangsstoß und SMPS-Fehlerschutz
- AC-DC-Umwandlung
- PI-Filter
- Treiberschaltung oder Schaltschaltung
- Unterspannungssperrschutz.
- Klemmkreis.
- Magnetik und galvanische Trennung.
- EMI-Filter
- Sekundärgleichrichter und Dämpfungsschaltung
- Filterabschnitt
- 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.
AC-DC-Umwandlung:
Dieser Abschnitt wird von der Diodenbrücke geregelt. Diese vier Dioden (innerhalb von DB107) bilden einen Vollbrückengleichrichter. Die Dioden sind 1N4006, aber Standard 1N4007 kann die Arbeit perfekt machen. In diesem Projekt werden diese vier Dioden durch einen Vollbrückengleichrichter DB107 ersetzt.
PI-Filter:
Unterschiedliche Zustände haben unterschiedliche EMI-Ablehnungsstandards. Dieses Design bestätigt die Norm EN61000-Klasse 3 und der PI-Filter ist so konzipiert, dass die Gleichtakt-EMI- Unterdrückung reduziert wird. Dieser Abschnitt wird mit C1, C2 und L1 erstellt. C1 und C2 sind 400V 18uF Kondensatoren. Da es sich um einen ungeraden Wert handelt, werden für diese Anwendung 22 uF 400 V ausgewählt. Der L1 ist eine Gleichtaktdrossel, die ein differentielles EMI-Signal verwendet, um beide zu löschen.
Treiberschaltung oder Schaltschaltung:
Es ist das Herz eines SMPS. Die Primärseite des Transformators wird vom Schaltkreis TNY268PN gesteuert. Die Schaltfrequenz beträgt 120-132 kHz. Aufgrund dieser hohen Schaltfrequenz können kleinere Transformatoren verwendet werden. Die Schaltschaltung besteht aus zwei Komponenten, U1 und C3. U1 ist der Haupttreiber IC TNY268PN. Der C3 ist der Bypass-Kondensator, der für die Arbeit unseres Treiber-IC benötigt wird.
Unterspannungssperrschutz:
Der Unterspannungssperrschutz erfolgt über die Messwiderstände R1 und R2. Es wird verwendet, wenn das SMPS in den automatischen Neustartmodus wechselt und die Netzspannung erfasst. Der Wert von R1 und R2 wird über das PI Expert-Tool generiert. Zwei in Reihe geschaltete Widerstände sind eine Sicherheitsmaßnahme und eine bewährte Methode, um Probleme mit dem Ausfall von Widerständen zu vermeiden. Somit werden anstelle von 2M zwei 1M-Widerstände in der Reihe verwendet.
Klemmschaltung:
D1 und D2 sind die Klemmschaltung. D1 ist die TVS-Diode und D2 ist eine ultraschnelle Wiederherstellungsdiode. Der Transformator wirkt als riesiger Induktor über den Leistungstreiber-IC TNY268PN. Daher erzeugt der Transformator während des Ausschaltzyklus aufgrund der Streuinduktivität des Transformators Hochspannungsspitzen. Diese hochfrequenten Spannungsspitzen werden durch die Diodenklemme am Transformator unterdrückt. UF4007 wird aufgrund der ultraschnellen Wiederherstellung ausgewählt und P6KE200A wird für den TVS-Betrieb ausgewählt. Gemäß dem Design beträgt die angestrebte Klemmspannung (VCLAMP) 200 V. Daher wird P6KE200A ausgewählt, und bei Problemen mit ultraschnellen Blockierungen 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.
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 Dämpfungskreis:
Der Ausgang des Transformators wird gleichgerichtet und unter Verwendung von D6, einer Schottky-Gleichrichterdiode, in Gleichstrom umgewandelt. Die Dämpfungsschaltung über dem D6 sorgt für die Unterdrückung des Spannungsübergangs während des Schaltvorgangs. Die Dämpfungsschaltung besteht aus einem Widerstand und einem Kondensator, R3 und C5.
Filterabschnitt:
Der Filterabschnitt besteht aus einem Filterkondensator C6. Es ist ein Kondensator mit niedrigem ESR für eine bessere Welligkeitsunterdrückung. Ein LC-Filter mit L2 und C7 bietet außerdem eine bessere Welligkeitsunterdrückung am Ausgang.
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 Optokoppler verfügt über einen Transistor und eine LED. 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 Operationen zum Treiber zurückgeflogen wird. Außerdem wird die Versuchsschleife unter der Fehlerbedingung als Schluckauf-Betriebsmodus bezeichnet.
Die D3 ist eine Schottky-Sperrdiode. Diese Diode wandelt den Hochfrequenz-Wechselstromausgang in einen Gleichstrom um. 3A 60V Schottky Diode ist für einen zuverlässigen Betrieb ausgewählt. R4 und R5 werden vom PI-Experten ausgewählt und berechnet. Es erzeugt einen Spannungsteiler und leitet den Strom vom TL431 an die Optokoppler-LED weiter.
R6 und R7 ist ein einfacher Spannungsteiler, der nach der Formel TL431 REF Spannung = (Vout x R7) / R6 + R7 berechnet wird. Die Referenzspannung beträgt 2,5 V und die Vout beträgt 12 V. Durch Auswahl des Wertes von R6 23,7k wurde der R7 ungefähr 9,09k.
Bau eines Schalttransformators für unsere SMPS-Schaltung
Normalerweise wird für eine SMPS-Schaltung ein Schalttransformator benötigt. Diese Transformatoren können von Transformatorherstellern basierend auf Ihren Konstruktionsanforderungen bezogen werden. Das Problem hierbei ist jedoch, dass Sie, wenn Sie etwas über den Bau eines Prototyps lernen, nicht den genauen Transformator für Ihr Design finden können. So lernen wir , wie man einen Schalttransformator basierend auf den Konstruktionsanforderungen unserer PI-Expertensoftware baut.
Sehen wir uns das generierte Transformator-Konstruktionsdiagramm an.
Wie im obigen Bild angegeben, müssen auf der Primärseite 103 Windungen eines einzelnen 32-AWG-Kabels und auf der Sekundärseite 5 Windungen von zwei 25-AWG-Drähten ausgeführt werden.
In der obigen Abbildung wird der Startpunkt der Wicklungen und die Richtung der Wicklung als mechanisches Diagramm beschrieben. Um diesen Transformator herzustellen, werden die folgenden Dinge benötigt:
- EE19-Kern, NC-2H oder gleichwertige Spezifikation und Lücke für ALG 79 nH / T 2
- Spule mit 5 Stiften auf der Primär- und Sekundärseite.
- Barrier Tape mit 1 mil Dicke. 9 mm breites Band ist erforderlich.
- 32 AWG lötbarer beschichteter Kupferlackdraht.
- 25AWG lötbarer beschichteter Kupferlackdraht.
- LCR-Messgerät.
EE19-Kern mit NC-2H mit einem Spaltkern von 79 nH / T2 ist erforderlich; Im Allgemeinen ist es paarweise erhältlich. Die Spule ist eine generische Spule mit 4 primären und 5 sekundären Stiften. Hier wird jedoch eine Spule mit 5 Stiften auf beiden Seiten verwendet.
Für das Barrier-Band wird ein Standard-Klebeband verwendet, das eine Basisdicke von mehr als 1 mil (normalerweise 2 mil) aufweist. Während der mit dem Gewindeschneiden verbundenen Aktivitäten wird das Klebeband mit einer Schere auf perfekte Breiten geschnitten. Kupferdrähte werden von alten Transformatoren bezogen und können auch in örtlichen Geschäften gekauft werden. Der Kern und die Spule, die ich benutze, sind unten gezeigt
Schritt 1: Fügen Sie Lötmittel in den 1. und 5. Stift auf der Primärseite ein. Löten Sie den 32 AWG-Draht an Pin 5 und die Wicklungsrichtung ist im Uhrzeigersinn. Fahren Sie fort, bis die 103 Kurven wie unten gezeigt sind
Dies bildet die Primärseite unseres Transformators. Sobald die 103 Windungen der Wicklung abgeschlossen sind, sah mein Transformator wie folgt aus.
Schritt 2: Klebeband zur Isolierung anbringen, 3 Umdrehungen Klebeband sind erforderlich. Es hilft auch dabei, die Spule in Position zu halten.
Schritt 3: Starten Sie die Sekundärwicklung von Pin 9 und 10. Die Sekundärseite besteht aus zwei Litzen aus 25AWG-Kupferlackdrähten. Löten Sie einen Kupferdraht an Pin 9 und einen weiteren an Pin 10. Die Wicklungsrichtung ist wieder im Uhrzeigersinn. Fahren Sie bis zu 5 Umdrehungen fort und löten Sie die Enden an Pin 5 und 6. Fügen Sie Isolierband hinzu, indem Sie wie zuvor Klebeband anbringen.
Nachdem sowohl die Primär- als auch die Sekundärwicklung fertig waren und das Klebeband verwendet wurde, sah mein Transformator wie unten gezeigt aus
Schritt 4: Jetzt können wir die beiden Kerne mit Klebeband fest befestigen. Sobald dies erledigt ist, sollte der fertige Transformator wie folgt aussehen.
Schritt 5: Achten Sie auch darauf, das Klebeband nebeneinander zu wickeln. Dies reduziert die Vibration während der Flussübertragung mit hoher Dichte.
Nachdem die obigen Schritte ausgeführt wurden, wird der Transformator unter Verwendung eines LCR-Messgeräts wie unten gezeigt getestet. Das Messgerät zeigt Induktivitäten von 1,125 mH oder 1125 uh an.
Aufbau der SMPS-Schaltung:
Sobald der Transformator fertig ist, können wir mit dem Zusammenbau der anderen Komponenten auf der gepunkteten Platine fortfahren. Die für die Schaltung erforderlichen Teiletests finden Sie in der nachstehenden Stückliste
- Stücklistenteildetails für 5V 2A SMPS-Schaltung
Sobald die Komponenten verlötet sind, sieht meine Platine ungefähr so aus.
Testen der 5V 2A SMPS-Schaltung
Um die Schaltung zu testen, habe ich die Eingangsseite über einen VARIAC mit dem Netz verbunden, um die Eingangswechselspannung zu steuern. Die Ausgangsspannung bei 85VAC und 230VAC ist im Folgenden dargestellt.
Wie Sie in beiden Fällen sehen können, wird die Ausgangsspannung bei 5 V gehalten. Aber dann habe ich den Ausgang an mein Zielfernrohr angeschlossen und nach Wellen gesucht. Die Welligkeitsmessung ist unten gezeigt
Die Ausgangswelligkeit ist ziemlich hoch und zeigt einen 150-mV-pk-pk-Welligkeitsausgang. Dies ist für einen Stromversorgungskreis überhaupt nicht gut. Basierend auf der Analyse ist die hohe Welligkeit auf die folgenden Faktoren zurückzuführen:
- Unsachgemäßes PCB-Design.
- Ground Bouncing Problem.
- Der PCB-Kühlkörper ist nicht ordnungsgemäß.
- Keine Unterbrechung an lauten Versorgungsleitungen.
- Erhöhte Toleranzen am Transformator durch Handaufzug. Transformatorhersteller tragen Tauchlack während der Maschinenwicklungen auf, um die Stabilität der Transformatoren zu verbessern.
Wenn die Schaltung in eine ordnungsgemäße Leiterplatte umgewandelt wird, können wir den Welligkeitsausgang des Netzteils auch mit einem Handaufzugstransformator innerhalb von 50 mV pk-pk erwarten. Da Veroboard jedoch keine sichere Option für die Schaltnetzteilversorgung im Wechselstrom- / Gleichstrombereich ist, wird ständig empfohlen, vor dem Anlegen von Hochspannungsschaltungen in praktischen Szenarien eine geeignete Leiterplatte einzurichten. Sie können das Video am Ende dieser Seite überprüfen, um zu überprüfen, wie die Schaltung unter Lastbedingungen funktioniert.
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 oder nutzen Sie unsere Foren für weitere Fragen.