Paano mag-disenyo ng isang 5v 2a smps power supply circuit

Ang Power Supply Unit (PSU) ay isang mahalagang bahagi sa anumang disenyo ng elektronikong produkto. Karamihan sa mga produktong elektronikong sambahayan tulad ng Mga Mobile Charger, Bluetooth Speaker, Power Banks, Smart Watches atbp ay nangangailangan ng isang Power Supply circuit na maaaring i-convert ang AC mains supply sa 5V DC upang mapatakbo ang mga ito. Sa proyektong ito magtatayo kami ng isang katulad na AC sa DC power supply circuit na may 10W power rating. Iyon ang aming circuit ay i-convert ang mga pangunahing linya ng 220V AC sa 5V at magbigay ng isang maximum na kasalukuyang output hanggang sa 2A. Ang rating ng kuryente na ito ay dapat sapat upang mapagana ang karamihan sa mga produktong elektronikong tumatakbo sa 5V. Gayundin ang 5V 2A SMPS circuit ay napakapopular sa electronics dahil maraming mga microcontroller na nagpapatakbo sa 5V.

Ang ideya ng proyekto ay panatilihing simple ang pagbuo hangga't maaari, samakatuwid ay magdidisenyo kami ng kumpletong circuit sa isang tuldok na board (perf board) at magtatayo din ng aming sariling transpormer upang ang sinuman ay maaaring magtiklop sa disenyo na ito o magtayo ng mga katulad nito. Excited Right! Kaya't magsimula tayo. Dati ay nakabuo rin kami ng isang 12V 15W SMPS circuit na gumagamit ng isang PCB, kaya't ang mga taong interesado sa kung paano mag-disenyo ng isang PCB para sa isang proyekto ng PSU (yunit ng suplay ng kuryente) ay maaaring suriin din iyon.

5V 2A SMPS Circuit - Mga Pagtukoy sa Disenyo

Iba't ibang mga pagkakaiba-iba ng supply ng kuryente nang iba ang kilos sa iba't ibang mga kapaligiran. Gayundin, gumagana ang SMPS sa tiyak na mga hangganan ng pag-input-output. Ang wastong pagsusuri sa pagtutukoy ay kailangang gampanan bago magpatuloy sa aktwal na disenyo.

Pagtukoy ng input:

Ito ay magiging isang SMPS sa AC sa DC conversion domain. Samakatuwid, ang input ay magiging AC. Para sa halaga ng input boltahe, mabuting gumamit ng isang pangkalahatang rating ng pag-input para sa SMPS. Kaya, ang boltahe ng AC ay magiging 85-265VAC na may rating na 50Hz. Sa ganitong paraan maaaring magamit ang SMPS sa anumang bansa anuman ang kanilang halaga ng boltahe ng AC mains.

Pagtukoy sa output:

Ang output boltahe ay napili bilang 5V na may 2A ng kasalukuyang rating. Kaya, ito ay magiging 10W output. Dahil ang SMPS na ito ay magbibigay ng patuloy na boltahe na hindi alintana ang kasalukuyang pag-load, gagana ito sa mode na CV (Constant Voltage). Ang output boltahe ng 5V ay dapat na pare-pareho at matatag kahit sa pinakamababang boltahe ng pag-input sa panahon ng isang maximum na pag-load (2A) sa buong output.

Masidhing ninanais na ang isang mahusay na yunit ng supply ng kuryente ay may isang boltahe ng ripple na mas mababa sa 30mV pk-pk. Ang naka-target na boltahe ng ripple para sa SMPS na ito ay mas mababa sa 30mV rurok sa rurok. Dahil ang SMPS na ito ay itatayo sa veroboard gamit ang isang handmade switching transpormer maaari nating asahan ang isang bahagyang mas mataas na mga halaga ng ripple. Ang problemang ito ay maiiwasan sa pamamagitan ng paggamit ng PCB.

Mga tampok sa proteksyon:

Mayroong iba't ibang mga circuit ng proteksyon na maaaring magamit sa isang SMPS para sa isang ligtas at maaasahang operasyon. Pinoprotektahan ng circuit ng proteksyon ang SMPS pati na rin ang nauugnay na pagkarga. Nakasalalay sa uri, ang circuit ng proteksyon ay maaaring konektado sa buong input o sa buong output.

Para sa SMPS na ito, ang proteksyon ng pag-input ng paggulong ay gagamitin sa isang maximum na boltahe ng input ng operating na 275VAC. Gayundin, upang harapin ang mga isyu sa EMI, isang pangkaraniwang filter ng mode ang gagamitin para sa pagpapalabas ng nabuong EMI. Sa panig ng Output isasama namin ang proteksyon ng maikling circuit, proteksyon ng labis na boltahe, at proteksyon sa sobrang kasalukuyang.

Pagpili ng Power Management IC

Ang bawat circuit ng SMPS ay nangangailangan ng isang Power Management IC na kilala rin bilang switching IC o SMPS IC o Drier IC. Lagom natin ang mga pagsasaalang-alang sa disenyo upang mapili ang perpektong Power Management IC na magiging angkop para sa aming disenyo. Ang aming mga kinakailangan sa Disenyo ay

10W output. 5V 2A sa buong pagkarga.
Universal rating ng pag-input. 85-265VAC sa 50Hz
Input proteksyon ng paggulong. Pinakamataas na boltahe ng pag-input 275VAC.
Output maikling circuit, labis na boltahe at labis na kasalukuyang proteksyon.
Patuloy na pagpapatakbo ng boltahe.

Mula sa mga kinakailangan sa itaas ay may malawak na hanay ng mga IC upang pumili mula, ngunit para sa proyektong ito napili namin ang pagsasama-sama ng Power. Ang pagsasama-sama ng kuryente ay isang kumpanya ng semi-conductor na mayroong isang malawak na hanay ng mga power driver IC sa iba't ibang mga saklaw ng output ng kapangyarihan. Batay sa mga kinakailangan at kakayahang magpasya nagpasya kaming gamitin ang TNY268PN mula sa maliliit na pamilya ng switch II. Ginamit namin dati ang IC na ito upang bumuo ng isang 12V SMPS circuit sa isang PCB.

Sa imahe sa itaas, ipinapakita ang maximum na lakas na 15W. Gayunpaman, gagawin namin ang SMPS sa bukas na frame at para sa pangkalahatang rating ng pag-input. Sa nasabing segment, maaaring magbigay ang TNY268PN ng 15W output. Tingnan natin ang diagram ng pin.

Pagdidisenyo ng 5v 2Amp SMPS Circuit

Ang pinakamahusay na paraan upang mabuo ang 5V 2A SMPS Schematic ay ang paggamit ng software ng eksperto sa PI na pagsasama. I-download ang software ng dalubhasa sa PI at gamitin ang bersyon 8.6. Ito ay mahusay na software ng disenyo ng supply ng kuryente. Ang Circuit na ipinakita sa ibaba ay itinayo gamit ang dalubhasang software ng PI ng Pagsasama. Kung bago ka sa software na ito maaari kang sumangguni sa seksyon ng disenyo ng 12V SMPS circuit na ito upang maunawaan kung paano gamitin ang software.

Bago dumiretso sa pagbuo ng bahagi ng prototype, tuklasin natin ang 5v 2A SMPS circuit diagram at ang operasyon nito.

Ang circuit ay may mga sumusunod na seksyon-

Input surge at proteksyon sa kasalanan ng SMPS
Pagbabago ng AC-DC
Filter ng PI
Driver circuitry o Switching circuit
Proteksyon sa ilalim ng boltahe na lockout.
Clamp circuit.
Mga magnet at paghihiwalay ng galvanic.
Filter ng EMI
Pangalawang Rectifier at snubber circuit
Filter Seksyon
Seksyon ng feedback.

Input surge at proteksyon sa kasalanan ng SMPS:

Ang seksyon na ito ay binubuo ng dalawang bahagi, F1 at RV1. Ang F1 ay isang 1A 250VAC mabagal na blow fuse at ang RV1 ay isang 7mm 275V MOV (Metal Oxide Varistor). Sa panahon ng isang mataas na boltahe paggulong (higit sa 275VAC), ang MOV ay naging patay maikli at blows ang input Fuse. Gayunpaman, dahil sa mabagal na tampok na suntok, ang piyus ay tumigil sa kasalukuyang pag-inrush sa pamamagitan ng SMPS.

Pagbabago ng AC-DC:

Ang seksyon na ito ay pinamamahalaan ng tulay ng diode. Ang apat na mga diode na ito (sa loob ng DB107) ay gumagawa ng isang buong tulay na nagwawasto. Ang mga diode ay 1N4006, ngunit ang pamantayang 1N4007 ay maaaring gawin ang trabaho nang perpekto. Sa proyektong ito, ang apat na mga diode na ito ay pinalitan ng isang buong tulay na rectifier DB107.

Filter ng PI:

Iba't ibang mga estado ay may iba't ibang pamantayan sa pagtanggi ng EMI. Kinukumpirma ng disenyo na ito ang pamantayan ng EN61000-Class 3 at ang filter ng PI ay idinisenyo sa isang paraan upang mabawasan ang pagtanggi ng karaniwang-mode na EMI. Ang seksyon na ito ay nilikha gamit ang C1, C2, at L1. Ang C1 at C2 ay 400V 18uF capacitors. Ito ay isang kakaibang halaga kaya 22uF 400V ang napili para sa application na ito. Ang L1 ay isang pangkaraniwang mode na mabulunan na tumatagal ng kaugalian na signal ng EMI upang kanselahin ang pareho.

Driver circuitry o switching circuit:

Ito ang puso ng isang SMPS. Ang pangunahing bahagi ng transpormer ay kinokontrol ng switching circuit TNY268PN. Ang dalas ng paglipat ay 120-132khz. Dahil sa mataas na dalas ng paglipat na ito, maaaring magamit ang mas maliit na mga transformer. Ang switching circuit ay may dalawang bahagi, U1, at C3. Ang U1 ang pangunahing driver ng IC TNY268PN. Ang C3 ay ang bypass capacitor na kinakailangan para sa pagtatrabaho ng aming driver na IC.

Proteksyon sa ilalim ng boltahe na lockout:

Ang proteksyon ng under-voltage lockout ay ginagawa ng sense resistor R1 at R2. Ginagamit ito kapag ang SMPS ay pumupunta sa mode na auto-restart at maunawaan ang boltahe ng linya. Ang halaga ng R1 at R2 ay nabuo sa pamamagitan ng tool ng PI Expert. Ang dalawang resistors sa serye ay isang hakbang sa kaligtasan at isang mahusay na kasanayan upang maiwasan ang mga isyu sa pagkabigo ng resistor. Kaya, sa halip na 2M, ginagamit ang dalawang 1M resistors sa serye.

Clamp circuit:

Ang D1 at D2 ay ang clamp circuit. Ang D1 ay ang diode ng TVS at ang D2 ay isang napakabilis na pag-diode ng pagbawi. Gumagawa ang transpormer ng isang malaking inductor sa kabuuan ng driver ng kuryente na IC TNY268PN. Samakatuwid sa panahon ng switching off-cycle, ang transpormer ay lumilikha ng mga spike ng mataas na boltahe dahil sa leakage inductance ng transpormer. Ang mga high-frequency voltage spike na ito ay pinipigilan ng diode clamp sa buong transpormer. Ang UF4007 ay napili dahil sa ultra-fast recovery at P6KE200A ang napili para sa operasyon ng TVS. Tulad ng disenyo, ang naka-target na boltahe sa clamping (VCLAMP) ay 200V. Samakatuwid, ang P6KE200A ay napili at para sa napakabilis na pag-block ng mga nauugnay na isyu, ang UF4007 ay napili bilang D2.

Mga magnetiko at paghihiwalay ng galvanic:

Ang transpormer ay isang ferromagnetic transpormer at hindi lamang nito binabago ang mataas na boltahe AC sa isang mababang boltahe AC ngunit nagbibigay din ng paghihiwalay ng galvanic.

Filter ng EMI:

Ang pag-filter ng EMI ay ginagawa ng C4 capacitor. Pinapataas nito ang kaligtasan sa sakit ng circuit upang mabawasan ang mataas na pagkagambala ng EMI. Ito ay isang Y-Class capacitor na may boltahe na rating ng 2kV.

Pangalawang Rectifier at Snubber Circuit:

Ang output mula sa transpormer ay naitama at na-convert sa DC gamit ang D6, isang Schottky rectifier diode. Ang snubber circuit sa kabuuan ng D6 ay nagbibigay ng pagpigil sa boltahe na pansamantala sa panahon ng pagpapatakbo ng paglipat. Ang snubber circuit ay binubuo ng isang risistor at isang kapasitor, R3, at C5.

Filter Seksyon:

Ang seksyon ng filter ay binubuo ng isang filter capacitor C6. Ito ay isang Low ESR capacitor para sa mas mahusay na pagtanggi ng ripple. Gayundin, ang isang filter ng LC na gumagamit ng L2 at C7 ay nagbibigay ng mas mahusay na pagtanggi ng ripple sa buong output.

Seksyon ng feedback:

Ang boltahe ng output ay nadama ng U3 TL431 at R6 at R7. Matapos ma-sensing ang linya, U2, ang optocoupler ay kinokontrol at galvanically ihiwalay ang pangalawang bahagi ng sensing ng feedback sa pangunahing bahagi ng controller. Ang Optocoupler ay may transistor at isang LED sa loob nito. Sa pamamagitan ng pagkontrol sa LED, ang transistor ay kinokontrol. Dahil ang komunikasyon ay ginagawa sa pamamagitan ng optiko, wala itong direktang koneksyon sa kuryente, samakatuwid ay nagbibigay-kasiyahan sa paghihiwalay ng galvanic sa feedback ng circuit.

Ngayon, habang direktang kinokontrol ng LED ang transistor, sa pamamagitan ng pagbibigay ng sapat na bias sa kabuuan ng Optocoupler LED, maaaring makontrol ng isa ang Optocoupler transistor, na mas partikular ang driver circuit. Ang control system na ito ay ginagamit ng TL431. Isang regulator ng shunt. Tulad ng shunt regulator ay may isang risistor divider sa kabuuan ng sanggunian na pin, maaari nitong makontrol ang Optocoupler na humantong na konektado sa kabuuan nito. Ang feedback pin ay may sanggunian na boltahe na 2.5V. Samakatuwid, ang TL431 ay maaaring maging aktibo lamang kung ang boltahe sa buong divider ay sapat. Sa aming kaso, ang divider ng boltahe ay nakatakda sa isang halaga ng 5V. Samakatuwid, kapag ang output ay umabot sa 5V ang TL431 ay makakakuha ng 2.5V sa kabuuan ng sangguniang pin at sa gayon ay buhayin ang Optocoupler's LED na kumokontrol sa transistor ng Optocoupler at hindi direktang kinokontrol ang TNY268PN. Kung ang boltahe ay hindi sapat sa kabuuan ng output ang switching cycle ay agad na nasuspinde.

Una, pinapagana ng TNY268PN ang unang ikot ng paglipat at pagkatapos ay maunawaan ang EN pin nito. Kung ang lahat ay tama, itutuloy nito ang paglipat, kung hindi, susubukan ulit ito pagkalipas ng ilang oras. Ang loop na ito ay nagpapatuloy hanggang sa maging normal ang lahat, sa gayon pinipigilan ang mga isyu sa maikling circuit o labis na lakas. Ito ang dahilan kung bakit ito ay tinatawag na flyback topology, dahil ang output boltahe ay inilipad pabalik sa driver para sa pagpapatungkol sa mga kaugnay na operasyon. Gayundin, ang pagsubok na loop ay tinatawag na isang hiccup mode ng operasyon sa kondisyon ng pagkabigo.

Ang D3 ay isang Schottky barrier diode. Ang diode na ito ay nagko-convert ang mataas na dalas ng output ng AC sa isang DC. Ang 3A 60V Schottky Diode ay napili para sa maaasahang operasyon. Ang R4 at R5 ay napili at kinakalkula ng PI Expert. Lumilikha ito ng isang divider ng boltahe at ipinapasa ang kasalukuyang sa Optocoupler LED mula sa TL431.

Ang R6 at R7 ay isang simpleng divider ng boltahe na kinakalkula ng formula na TL431 REF boltahe = (Vout x R7) / R6 + R7. Ang boltahe ng sanggunian ay 2.5V at ang Vout ay 12V. Sa pamamagitan ng pagpili ng halaga ng R6 23.7k, ang R7 ay naging 9.09k humigit-kumulang.

Pagbuo ng isang Switching Transformer para sa aming SMPS Circuit

Karaniwan para sa isang circuit ng SMPS kinakailangan ng isang switching transpormer, ang mga transformer na ito ay maaaring makuha mula sa mga tagagawa ng transpormer batay sa iyong mga kinakailangan sa disenyo. Ngunit ang problema dito ay kung natututo ka ng mga bagay sa pagbuo ng isang prototype hindi mo mahahanap ang eksaktong transpormador sa mga istante para sa iyong disenyo. Malalaman din namin kung paano bumuo ng isang switching transpormer batay sa mga kinakailangan sa disenyo na ibinigay ng aming PI na dalubhasang software.

Tingnan natin ang nabuong diagram ng konstruksyon ng transpormer.

Tulad ng nakasaad sa imahe sa itaas kailangan naming magsagawa ng 103 Pag-ikot ng solong 32 AWG wire sa pangunahing bahagi at 5 liko ng dalawang 25 AWG wire sa pangalawang bahagi.

Sa imahe sa itaas, ang panimulang punto ng paikot-ikot at ang direksyon ng paikot-ikot ay inilarawan bilang isang mekanikal na diagram. Upang gawin ang transpormer na ito, kinakailangan ang mga sumusunod na bagay-

EE19 core, NC-2H o katumbas na pagtutukoy at na-gapped para sa ALG 79 nH / T ²
Bobbin na may 5 mga pin sa pangunahin at pangalawang bahagi.
Barrier Tape na may 1 mil ang kapal. 9mm ang lapad na tape ay kinakailangan.
32 AWG solderable pinahiran enameled tanso wire.
25AWG solderable pinahiran enameled tanso wire.
Metro ng LCR.

EE19 core na may NC-2H na may gapped core na 79nH / T2 ay kinakailangan; sa pangkalahatan, magagamit ito nang pares. Ang bobbin ay isang pangkaraniwan na may 4 pangunahin at 5 pangalawang mga pin. Gayunpaman, dito ginagamit ang bobbin na may 5 mga pin sa magkabilang panig.

Para sa Barrier tape, ginagamit ang karaniwang duct tape na mayroong base kapal na higit sa 1 mil (Karaniwan 2 mil). Sa panahon ng mga aktibidad na nauugnay sa pag-tap, ginagamit ang gunting upang i-cut ang tape para sa mga perpektong lapad. Ang mga wire ng tanso ay nakuha mula sa mga dating transformer at mabibili din ito mula sa mga lokal na tindahan. Ang core at bobbin na ginagamit ko ay ipinapakita sa ibaba

Hakbang 1: Magdagdag ng panghinang sa ika-1 at ika-5 na pin sa pangunahing bahagi. Paghinang ng 32 AWG wire sa pin 5 at ang paikot-ikot na direksyon ay pakanan. Magpatuloy hanggang sa 103 na liko tulad ng ipinakita sa ibaba

Ito ang bumubuo sa pangunahing bahagi ng aming transpormer, sa sandaling natapos ang 103 pagliko ng paikot-ikot na ang aking transpormer ay ganito sa ibaba.

Hakbang 2: Mag-apply ng duct tape para sa mga layunin ng pagkakabukod, kailangan ng 3 liko ng duct tape. Nakakatulong din ito sa pagpapanatili ng coil sa posisyon.

Hakbang 3: Simulan ang pangalawang paikot-ikot mula sa pin 9 at 10. Ang pangalawang bahagi ay ginawa gamit ang dalawang mga hibla ng 25AWG enameled wire na tanso. Maghinang ng isang tanso na kawad sa pin 9 at isa pa sa pin 10. Ang paikot-ikot na direksyon ay pabalik na pabalik sa relo. Magpatuloy hanggang sa 5 liko at solder ang mga dulo sa pin 5 at 6. Magdagdag ng insulate tape sa pamamagitan ng paglalapat ng duct tape na katulad ng dati.

Kapag tapos na ang parehong pangunahin at pangalawang paikot-ikot at ginamit ang duct tape, ang aking transpormer ay tulad ng ipinakita sa ibaba

Hakbang 4: Ngayon ay maaari nating mai-secure ang dalawang core ng mahigpit gamit ang duct tape. Kapag tapos na ang nakumpleto na transpormer ay dapat magmukhang ganito sa ibaba.

Hakbang 5: Siguraduhin ding balutin ang duct tape nang magkatabi. Bawasan nito ang panginginig ng boses habang may mataas na density na paglipat ng pagkilos ng bagay.

Matapos ang mga hakbang sa itaas ay ginawa at ang transpormer ay nasubok gamit ang isang metro ng LCR tulad ng ipinakita sa ibaba. Ang metro ay nagpapakita ng 1.125 mH o 1125 uh inductances.

Pagbuo ng SMPS Circuit:

Kapag handa na ang transpormer maaari kaming magpatuloy sa pag-iipon ng iba pang mga bahagi sa tuldok na board. Ang mga detalyeng bahagi na kinakailangan para sa circuit ay matatagpuan sa ika-Bill ng listahan ng materyal sa ibaba

Mga detalye ng bahagi ng BOM para sa 5V 2A SMPS circuit

Kapag ang mga sangkap ay solder ang aking board ay ganito ang hitsura.

Pagsubok sa 5V 2A SMPS Circuit

Upang subukan ang circuit ikinonekta ko ang input na bahagi sa mains supply ng kuryente sa pamamagitan ng isang VARIAC upang makontrol ang input boltahe ng AC mains. Ang output boltahe sa 85VAC at 230VAC ay ipinapakita sa ibaba-

Tulad ng nakikita mo sa parehong mga pagkakataon, ang boltahe ng output ay pinananatili sa 5V. Ngunit pagkatapos ay konektado ko ang output sa aking saklaw at suriin para sa mga ripples. Ang pagsukat ng ripple ay ipinapakita sa ibaba

Ang output ripple ay medyo mataas, nagpapakita ito ng 150mV pk-pk ripple output. Ito ay ganap na hindi mabuti para sa isang circuit ng suplay ng kuryente. Batay sa pagtatasa ang mataas na ripple ay sanhi ng mga kadahilanan sa ibaba-

Hindi wastong Pagdidisenyo ng PCB.
Malalim na isyu sa pag-bouncing.
Ang PCB heat sink ay hindi wasto.
Walang cut-out sa mga maingay na linya ng supply.
Nadagdagang pagpapaubaya sa transpormer dahil sa paikot-ikot na kamay. Ang mga tagagawa ng transpormer ay naglalapat ng dip varnish sa panahon ng winding ng makina para sa mas mahusay na katatagan ng mga transformer.

Kung ang circuit ay na-convert sa isang tamang PCB maaari nating asahan ang output ng ripple ng supply ng kuryente sa loob ng 50mV pk-pk kahit na may isang paikot-ikot na transpormer. Gayunpaman, dahil ang veroboard ay hindi isang ligtas na pagpipilian para sa paggawa ng switch mode power supply sa AC sa DC domain, patuloy na iminungkahi na ang tamang PCB ay dapat na maitatag bago mag-apply ng mga high voltage circuit sa mga praktikal na sitwasyon. Maaari mong suriin ang video sa dulo ng pahinang ito upang suriin kung paano gumaganap ang circuit sa ilalim ng mga kundisyon ng pag-load.

Inaasahan kong naintindihan mo ang tutorial at natutunan kung paano bumuo ng iyong sariling mga SMPS circuit na may isang handmade transformer. Kung mayroon kang anumang mga katanungan iwanan ang mga ito sa seksyon ng komento sa ibaba o gamitin ang aming mga forum para sa higit pang mga katanungan.