Σχεδιασμός κυκλώματος τροφοδοσίας 12V 1a χρησιμοποιώντας viper22a

Τα κυκλώματα τροφοδοσίας εναλλαγής λειτουργίας (SMPS) απαιτούνται συχνότερα σε πολλά ηλεκτρονικά σχέδια για τη μετατροπή της τάσης δικτύου AC σε κατάλληλο επίπεδο τάσης DC για τη λειτουργία της συσκευής. Αυτός ο τύπος μετατροπέα AC-DC λαμβάνει την τάση δικτύου 230V / 110V AC ως είσοδο και τη μετατρέπει σε τάση DC χαμηλού επιπέδου αλλάζοντας την, εξ ου και την τροφοδοσία λειτουργίας διακόπτη ονόματος. Έχουμε ήδη κατασκευάσει μερικά κυκλώματα SMPS νωρίτερα, όπως αυτό το κύκλωμα 5V 2A SMPS και 12V 1A TNY268 SMPS. Κατασκευάσαμε ακόμη και το δικό μας μετασχηματιστή SMPS που θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί στα σχέδια SMPS μαζί με το IC του προγράμματος οδήγησης. Σε αυτό το έργο θα κατασκευάσουμε ένα άλλο κύκλωμα SMPS 12V 1A χρησιμοποιώντας το VIPer22A, το οποίο είναι ένα δημοφιλές IC χαμηλού κόστους προγράμματος οδήγησης από τη STMicroelectronics. Αυτό το σεμινάριο θα σας οδηγήσει στο πλήρες κύκλωμα και θα σας εξηγήσει επίσηςπώς να φτιάξετε τον δικό σας μετασχηματιστή για κύκλωμα VIPER. Ενδιαφέρον, ας ξεκινήσουμε.

Προδιαγραφές σχεδίασης τροφοδοτικού VIPer22A

Όπως και με το προηγούμενο έργο που βασίζεται σε SMPS, διαφορετικά είδη τροφοδοσίας λειτουργούν σε διαφορετικά περιβάλλοντα και λειτουργούν σε ένα συγκεκριμένο όριο εισόδου-εξόδου. Αυτό το SMPS έχει επίσης προδιαγραφές. Επομένως, πρέπει να γίνει σωστή ανάλυση προδιαγραφών πριν προχωρήσουμε στον πραγματικό σχεδιασμό.

Προδιαγραφή εισαγωγής: Αυτός θα είναι ένας τομέας μετατροπής SMPS σε AC σε DC. Επομένως, η είσοδος θα είναι AC. Σε αυτό το έργο, η τάση εισόδου είναι σταθερή. Είναι σύμφωνα με την ευρωπαϊκή τυπική βαθμολογία τάσης. Έτσι, η τάση AC εισόδου αυτού του SMPS θα είναι 220-240VAC. Είναι επίσης η τυπική βαθμολογία τάσης της Ινδίας.

Προδιαγραφή εξόδου: Η τάση εξόδου επιλέγεται ως 12V με 1A τρέχουσας βαθμολογίας. Έτσι, θα είναι έξοδος 12W. Δεδομένου ότι αυτό το SMPS θα παρέχει σταθερή τάση ανεξάρτητα από το ρεύμα φορτίου, θα λειτουργεί σε λειτουργία CV (Σταθερή τάση). Επίσης, η τάση εξόδου θα είναι σταθερή και σταθερή στη χαμηλότερη τάση εισόδου με μέγιστο φορτίο (2Α) κατά μήκος της εξόδου.

Τάση κυματισμού εξόδου: Είναι πολύ επιθυμητό ένα καλό τροφοδοτικό να έχει τάση κυματισμού μικρότερη από 30mV pk-pk. Η στοχευμένη τάση κυματισμού είναι η ίδια για αυτό το SMPS, λιγότερο από 30mV pk-pk κυματισμός. Ωστόσο, ο κυματισμός εξόδου SMPS εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την κατασκευή SMPS, χρησιμοποιούνται το PCB και ο τύπος πυκνωτή. Χρησιμοποιήσαμε χαμηλό πυκνωτή ESR βαθμολογίας 105 μοιρών από την Wurth Electronics και ο αναμενόμενος κυματισμός εξόδου φαίνεται παρακάτω.

Κυκλώματα προστασίας: Υπάρχουν διάφορα κυκλώματα προστασίας που μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε ένα SMPS για ασφαλή και αξιόπιστη λειτουργία. Το κύκλωμα προστασίας προστατεύει το SMPS καθώς και το σχετικό φορτίο. Ανάλογα με τον τύπο, το κύκλωμα προστασίας μπορεί να συνδεθεί σε είσοδο ή σε όλη την έξοδο. Για αυτό το SMPS, η προστασία από υπέρταση εισόδου θα χρησιμοποιηθεί με μέγιστη τάση εισόδου λειτουργίας 275VAC. Επίσης, για την αντιμετώπιση ζητημάτων EMI, θα χρησιμοποιηθεί ένα κοινό φίλτρο λειτουργίας για τον αποκλεισμό του παραγόμενου EMI. Από την πλευρά της εξόδου θα περιλαμβάνει προστασία από βραχυκύκλωμα, προστασία από υπέρταση, και πάνω-τρέχουσα προστασία.

Επιλογή του IC προγράμματος οδήγησης SMPS

Κάθε κύκλωμα SMPS απαιτεί ένα IC διαχείρισης ισχύος γνωστό και ως IC εναλλαγής ή IC IC ή Drier IC. Ας συνοψίσουμε τα σχεδιαστικά ζητήματα για να επιλέξουμε το ιδανικό Power Management IC που θα είναι κατάλληλο για το σχεδιασμό μας Οι απαιτήσεις σχεδιασμού μας είναι

1. Έξοδος 12W. 12V 1A σε πλήρες φορτίο.
2. Ευρωπαϊκή τυπική βαθμολογία εισαγωγής. 85-265VAC στα 50Hz
3. Προστασία από υπέρταση εισόδου. Μέγιστη τάση εισόδου 275VAC.
4. Βραχυκύκλωμα εξόδου, προστασία από υπερβολική τάση και υπερένταση.
5. Λειτουργίες σταθερής τάσης.

Από τις παραπάνω απαιτήσεις υπάρχει ένα ευρύ φάσμα IC για να διαλέξετε, αλλά για αυτό το έργο έχουμε επιλέξει, το πρόγραμμα οδήγησης ισχύος VIPer22A από την STMicroelectronics. Πρόκειται για ένα πολύ χαμηλού κόστους πρόγραμμα οδήγησης ισχύος της STMicroelectronics.

Στην παραπάνω εικόνα, εμφανίζεται η τυπική βαθμολογία ισχύος του VIPer22A IC. Ωστόσο, δεν υπάρχει καθορισμένη ενότητα για προδιαγραφές εξόδου ισχύος ανοιχτού πλαισίου ή τύπου προσαρμογέα. Θα κάνουμε το SMPS σε ανοιχτό πλαίσιο και για την ευρωπαϊκή βαθμολογία εισόδου. Σε ένα τέτοιο τμήμα, το VIPer22A θα μπορούσε να παρέχει έξοδο 20W. Θα το χρησιμοποιήσουμε για έξοδο 12W. Το piner VIPer22A IC δίνεται στην παρακάτω εικόνα.

Σχεδιασμός κυκλώματος τροφοδοσίας VIPer22AP

Ο καλύτερος τρόπος για να χτίσετε το κύκλωμα είναι χρησιμοποιώντας το λογισμικό Power Supply Design. Μπορείτε να κατεβάσετε το VIPer Design Software Version 2.24 για να χρησιμοποιήσετε το VIPer22A, η τελευταία έκδοση αυτού του λογισμικού δεν υποστηρίζει πλέον το VIPer22A. Είναι εξαιρετικό λογισμικό σχεδιασμού τροφοδοσίας από την STMicroelectronics. Παρέχοντας πληροφορίες σχετικά με τις απαιτήσεις σχεδιασμού, μπορεί να δημιουργηθεί το πλήρες διάγραμμα κυκλώματος τροφοδοσίας. Το κύκλωμα VIPer22A για αυτό το έργο που δημιουργείται από το λογισμικό εμφανίζεται παρακάτω

Πριν προχωρήσουμε κατευθείαν στην κατασκευή του πρωτοτύπου, ας εξερευνήσουμε τη λειτουργία κυκλώματος. Το κύκλωμα έχει τις ακόλουθες ενότητες -

1. Αύξηση εισόδου και προστασία σφάλματος SMPS
2. Φίλτρο εισόδου
3. Μετατροπή AC-DC
4. Κύκλωμα οδηγού ή κύκλωμα μεταγωγής
5. Κύκλωμα σφιγκτήρα.
6. Μαγνητική και γαλβανική απομόνωση.
7. Φίλτρο EMI
8. Δευτερεύων ανορθωτής
9. Ενότητα φίλτρου
10. Ενότητα σχολίων.

Αύξηση εισόδου και προστασία σφάλματος SMPS.

Αυτή η ενότητα αποτελείται από δύο εξαρτήματα, F1 και RV1. Το F1 είναι μια ασφάλεια αργού χτυπήματος 1A 250VAC και το RV1 είναι MOV 7mm 275V (Μεταλλικό Οξείδιο Βαρίστορ). Κατά τη διάρκεια ενός κύματος υψηλής τάσης (πάνω από 275VAC), το MOV έμεινε νεκρό και φυσάει την είσοδο Fuse. Ωστόσο, λόγω της λειτουργίας αργού χτυπήματος, η ασφάλεια αντέχει στο ρεύμα εισόδου μέσω του SMPS.

Φίλτρο εισόδου

Ο πυκνωτής C3 είναι ένας πυκνωτής φίλτρου γραμμής 250VAC. Είναι ένας πυκνωτής τύπου Χ παρόμοιος με αυτόν που χρησιμοποιήσαμε στον μετασχηματιστή μας με λιγότερο σχεδιασμό τροφοδοσίας.

Μετατροπή AC-DC.

Η μετατροπή AC DC γίνεται χρησιμοποιώντας διόρθωση πλήρους γέφυρας DB107. Πρόκειται για δίοδο ανορθωτή 1000V 1A. Το φιλτράρισμα γίνεται χρησιμοποιώντας τον πυκνωτή 22uF 400V. Ωστόσο, κατά τη διάρκεια αυτού του πρωτοτύπου, χρησιμοποιήσαμε μια πολύ μεγάλη τιμή πυκνωτή. Αντί για 22uF, χρησιμοποιήσαμε 82uF πυκνωτή λόγω της διαθεσιμότητας του πυκνωτή. Αυτός ο πυκνωτής υψηλής αξίας δεν απαιτείται για τη λειτουργία του κυκλώματος. 22uF 400V αρκεί για βαθμολογία εξόδου 12W.

Κύκλωμα οδηγού ή κύκλωμα μεταγωγής.

Το VIPer22A απαιτεί ισχύ από την περιέλιξη του μετασχηματιστή. Αφού αποκτήσει την τάση πόλωσης, το VIPer ξεκινά να αλλάζει τον μετασχηματιστή χρησιμοποιώντας ένα ενσωματωμένο mosfet υψηλής τάσης. Το D3 χρησιμοποιείται για τη μετατροπή της εξόδου πόλωσης AC σε DC και η αντίσταση R1, 10 Ohm χρησιμοποιείται για τον έλεγχο του ρεύματος εισόδου. Ο πυκνωτής φίλτρου είναι 4,7uF 50V για εξομάλυνση του κυματισμού DC.

Κύκλωμα σφιγκτήρα

Ο μετασχηματιστής δρα ένα τεράστιο πηνίο σε όλο τον οδηγό ισχύος IC VIPer22. Επομένως, κατά τη διάρκεια του κύκλου απενεργοποίησης, ο μετασχηματιστής δημιουργεί αιχμές υψηλής τάσης λόγω της επαγωγής διαρροής του μετασχηματιστή. Αυτές οι αιχμές υψηλής τάσης είναι επιβλαβείς για το IC του οδηγού ισχύος και μπορούν να προκαλέσουν βλάβη στο κύκλωμα μεταγωγής. Έτσι, αυτό πρέπει να κατασταλεί από το σφιγκτήρα διόδων κατά μήκος του μετασχηματιστή. Τα D1 και D2 χρησιμοποιούνται για το κύκλωμα σφιγκτήρα. Το D1 είναι η δίοδος TVS και το D2 είναι μια εξαιρετικά γρήγορη δίοδος ανάκτησης. Το D1 χρησιμοποιείται για σύσφιξη της τάσης ενώ το D2 χρησιμοποιείται ως δίοδος αποκλεισμού. Σύμφωνα με το σχέδιο, η στοχευμένη τάση σύσφιξης (VCLAMP) είναι 200V. Επομένως, P6KE200A έχει επιλεγεί και για εξαιρετικά γρήγορα θέματα που σχετίζονται με τον αποκλεισμό, το UF4007 επιλέγεται ως D2.

Μαγνητική και γαλβανική απομόνωση.

Ο μετασχηματιστής είναι ένας σιδηρομαγνητικός μετασχηματιστής και όχι μόνο μετατρέπει το AC υψηλής τάσης σε AC χαμηλής τάσης αλλά και παρέχει γαλβανική απομόνωση. Έχει τρεις παραγγελίες περιέλιξης. Κύρια, βοηθητική ή δευτερεύουσα περιέλιξη και δευτερεύουσα περιέλιξη.

Φίλτρο EMI.

Το φιλτράρισμα EMI γίνεται από τον πυκνωτή C4. Αυξάνει την ασυλία του κυκλώματος για να μειώσει τις υψηλές παρεμβολές EMI. Είναι ένας πυκνωτής κατηγορίας Υ με ονομαστική τάση 2kV.

Δευτερεύον κύκλωμα ανορθωτή και ψαλιδιού.

Η έξοδος από τον μετασχηματιστή διορθώνεται και μετατρέπεται σε DC χρησιμοποιώντας D6, μια δίοδο ανορθωτή Schottky. Επειδή το ρεύμα εξόδου είναι 2Α, επιλέγεται η δίοδος 3Α 60V για το σκοπό αυτό. Το SB360 έχει δίοδο Schottky με βαθμολογία 3A 60V.

Ενότητα φίλτρου.

Ο C6 είναι ο πυκνωτής φίλτρου. Είναι ένας πυκνωτής χαμηλού ESR για καλύτερη απόρριψη κυματισμών. Επίσης, χρησιμοποιείται ένα μετα-φίλτρο LC όπου τα L2 και C7 παρέχουν καλύτερη απόρριψη κυματισμού σε όλη την έξοδο.

Ενότητα σχολίων.

Η τάση εξόδου ανιχνεύεται από τα U3 TL431 και R6 και R7. Αφού ανιχνεύσει τη γραμμή, U2, ο Optocoupler ελέγχεται και απομονώνει γαλβανικά το δευτερεύον τμήμα ανίχνευσης ανάδρασης με τον πρωτεύοντα πλευρικό ελεγκτή. Το PC817 είναι ένα Optocoupler. Έχει δύο πλευρές, ένα τρανζίστορ και ένα LED μέσα του. Ελέγχοντας το LED, ελέγχεται το τρανζίστορ. Δεδομένου ότι η επικοινωνία γίνεται οπτικά, δεν έχει άμεση ηλεκτρική σύνδεση, ικανοποιώντας έτσι τη γαλβανική απομόνωση στο κύκλωμα ανάδρασης.

Τώρα, καθώς το LED ελέγχει άμεσα το τρανζίστορ, παρέχοντας επαρκή πόλωση στο LED Optocoupler, μπορεί κανείς να ελέγξει το τρανζίστορ Optocoupler, πιο συγκεκριμένα το κύκλωμα οδήγησης. Αυτό το σύστημα ελέγχου χρησιμοποιείται από το TL431. Ένας ρυθμιστής παράκαμψης. Καθώς ο ρυθμιστής διακλάδωσης έχει ένα διαχωριστικό αντίστασης σε ολόκληρο τον πείρο αναφοράς, μπορεί να ελέγξει το καλώδιο Optocoupler που είναι συνδεδεμένο σε αυτό. Ο πείρος ανάδρασης έχει τάση αναφοράς 2,5V. Επομένως, το TL431 μπορεί να είναι ενεργό μόνο εάν η τάση στο διαχωριστικό είναι επαρκής. Στην περίπτωσή μας, ο διαχωριστής τάσης ορίζεται σε τιμή 5V. Επομένως, όταν η έξοδος φτάσει τα 5V, το TL431 παίρνει 2,5V σε ολόκληρο τον πείρο αναφοράς και έτσι ενεργοποιεί το LED του Optocoupler που ελέγχει το τρανζίστορ του Optocoupler και ελέγχει έμμεσα το TNY268PN. Εάν η τάση δεν είναι επαρκής κατά την έξοδο, ο κύκλος μεταγωγής διακόπτεται αμέσως.

Αρχικά, το TNY268PN ενεργοποιεί τον πρώτο κύκλο εναλλαγής και μετά αισθάνεται το EN pin του. Εάν όλα είναι εντάξει, θα συνεχίσει την εναλλαγή, αν όχι, θα προσπαθήσει ξανά μετά από κάποια στιγμή. Αυτός ο βρόχος συνεχίζεται έως ότου όλα γίνουν κανονικά, αποτρέποντας έτσι ζητήματα βραχυκυκλώματος ή υπέρτασης. Αυτός είναι ο λόγος που ονομάζεται τοπολογία flyback, καθώς η τάση εξόδου μεταφέρεται πίσω στον οδηγό για ανίχνευση σχετικών λειτουργιών. Επίσης, ο βρόχος δοκιμής ονομάζεται τρόπος λειτουργίας λόξυγκ στην κατάσταση αστοχίας.

Κατασκευή μετασχηματιστή μεταγωγής για κύκλωμα VIPER22ASMPS

Ας δούμε το παραγόμενο διάγραμμα κατασκευής μετασχηματιστή. Αυτό το διάγραμμα προέρχεται από το λογισμικό σχεδιασμού τροφοδοσίας που συζητήσαμε νωρίτερα.

Ο πυρήνας είναι E25 / 13/7 με διάκενο 0,36 mm. Η κύρια επαγωγή είναι 1 mH. Για την κατασκευή αυτού του μετασχηματιστή, απαιτούνται τα ακόλουθα πράγματα. Εάν είστε νέοι στην κατασκευή μετασχηματιστών, διαβάστε το άρθρο σχετικά με τον τρόπο κατασκευής του δικού σας μετασχηματιστή SMPS.

1. Ταινία πολυεστέρα
2. E25 / 13/7 Ζεύγη πυρήνα με διάκενο 0,36 mm.
3. Σύρμα χαλκού 30 AWG
4. 43 AWG χάλκινο σύρμα (Χρησιμοποιήσαμε 36 AWG λόγω μη διαθεσιμότητας)
5. 23 AWG (Χρησιμοποιήσαμε επίσης 36 AWG για αυτό)
6. Οριζόντια ή κάθετη μπομπίνα (Χρησιμοποιήσαμε οριζόντια μπομπίνα)
7. Ένα στυλό για το κράτημα του μπομπίνα κατά την περιέλιξη

Βήμα 1: Κρατήστε τον πυρήνα χρησιμοποιώντας ένα στυλό, ξεκινήστε 30 AWG χάλκινο σύρμα από τον πείρο 3 του μπομπίνα και συνεχίστε 133 στροφές δεξιόστροφα στον πείρο 1. Εφαρμόστε 3 στρώσεις ταινίας πολυεστέρα.

Βήμα 2: Ξεκινήστε την περιέλιξη Bias χρησιμοποιώντας σύρμα χαλκού 43 AWG από τον πείρο 4 και συνεχίστε στις 31 στροφές και τερματίστε την περιέλιξη στον πείρο 5. Εφαρμόστε 3 στρώσεις ταινίας πολυεστέρα.

Ξεκινήστε την περιέλιξη Bias χρησιμοποιώντας σύρμα χαλκού 43 AWG από τον πείρο 4 και συνεχίστε στις 31 στροφές και τερματίστε την περιέλιξη στον πείρο 5. Εφαρμόστε 3 στρώσεις ταινίας πολυεστέρα.

Βήμα 3: Ξεκινήστε τη δευτερεύουσα περιέλιξη από τον πείρο 10 και συνεχίστε την περιστροφή προς τα δεξιά των 21 στροφών. Εφαρμόστε 4 στρώσεις ταινίας πολυεστέρα.

Βήμα 4: Ασφαλίστε τον κεντρικό πυρήνα με την ταινία αγωγού που τυλίγεται δίπλα-δίπλα. Αυτό θα μειώσει τη δόνηση κατά τη μεταφορά ροής υψηλής πυκνότητας.

Μόλις ολοκληρωθεί η κατασκευή, ο μετασχηματιστής δοκιμάζεται με μετρητή LCR για τη μέτρηση της τιμής επαγωγής των πηνίων. Ο μετρητής δείχνει 913 mH που είναι κοντά στην πρωτογενή επαγωγή 1 mH.

Κατασκευή του κυκλώματος VIPer22A SMPS:

Με την βαθμολογία του μετασχηματιστή επαληθευμένη μπορούμε να προχωρήσουμε στην συγκόλληση όλων των εξαρτημάτων σε μια πλακέτα Vero όπως δίνεται στο διάγραμμα κυκλώματος. Ο πίνακας μου όταν έγινε η συγκόλληση έμοιαζε έτσι παρακάτω

Δοκιμή κυκλώματος VIPer22A για 12V 1A SMPS:

Για να ελέγξω το κύκλωμα, έχω συνδέσει την πλευρά εισόδου στο τροφοδοτικό μέσω ενός VARIAC για τον έλεγχο της τάσης δικτύου AC εισόδου. Στην παρακάτω εικόνα, εμφανίζεται η τάση εξόδου στα 225VAC.

Όπως μπορείτε να δείτε στην πλευρά εξόδου έχουμε 12,12V που είναι κοντά στην επιθυμητή τάση εξόδου 12V. Η πλήρης εργασία εμφανίζεται στο βίντεο που επισυνάπτεται στο κάτω μέρος αυτής της σελίδας. Ελπίζω να καταλάβατε το σεμινάριο και να μάθετε πώς να φτιάξετε τα δικά σας κυκλώματα SMPS με έναν χειροποίητο μετασχηματιστή. Εάν έχετε οποιεσδήποτε ερωτήσεις αφήστε τις στην παρακάτω ενότητα σχολίων.