- 5V 2A SMPS Devre - Tasarım Özellikleri
- Güç Yönetimi IC Seçimi
- 5v 2Amp SMPS Devresinin Tasarlanması
- SMPS Devremiz için Anahtarlama Trafosu Oluşturma
- SMPS Devresini Oluşturmak:
- 5V 2A SMPS Devresinin Test Edilmesi
Güç Kaynağı Birimi (PSU), herhangi bir elektronik ürün tasarımında hayati bir parçadır. Mobil Şarj Cihazları, Bluetooth Hoparlörler, Güç Bankaları, Akıllı Saatler vb.Gibi çoğu ev elektroniği ürünü, AC ana şebekeyi çalıştırmak için 5V DC'ye dönüştürebilen bir Güç Kaynağı devresi gerektirir. Bu projede, 10W güç derecesine sahip benzer bir AC-DC güç kaynağı devresi oluşturacağız. Yani devremiz 220V AC şebekeyi 5V'a çevirecek ve 2A'ya kadar maksimum çıkış akımı sağlayacaktır. Bu güç derecesi, 5V ile çalışan çoğu elektronik ürüne güç sağlamak için yeterli olmalıdır. Ayrıca 5V 2A SMPS devresi elektronikte oldukça popülerdir çünkü 5V üzerinde çalışan çok sayıda mikrodenetleyici vardır.
Projenin amacı, yapıyı olabildiğince basit tutmaktır, bu nedenle tüm devreyi noktalı bir tahta (perf board) üzerinde tasarlayacağız ve ayrıca kendi transformatörümüzü inşa edeceğiz, böylece herkes bu tasarımı çoğaltabilir veya benzerlerini oluşturabilir. Doğru Heyecan! Öyleyse başlayalım. Önceden, bir PCB kullanarak 12V 15W SMPS devresi de kurmuştuk, böylece bir PSU projesi (güç kaynağı ünitesi) için bir PCB'nin nasıl tasarlanacağını merak eden insanlar da bunu kontrol edebilir.
5V 2A SMPS Devre - Tasarım Özellikleri
Farklı güç kaynağı çeşitleri, farklı ortamlarda farklı davranır. Ayrıca SMPS belirli girdi-çıktı sınırlarında çalışır. Gerçek tasarıma geçmeden önce uygun spesifikasyon analizinin yapılması gerekir.
Giriş özelliği:
Bu, AC'den DC'ye dönüşüm etki alanında bir SMPS olacaktır. Bu nedenle, giriş AC olacaktır. Giriş voltajı değeri için, SMPS için evrensel bir giriş değeri kullanmak iyidir. Böylece, AC voltajı 50Hz değerinde 85-265VAC olacaktır. Bu şekilde SMPS, AC şebeke voltajı değerine bakılmaksızın herhangi bir ülkede kullanılabilir.
Çıktı özellikleri:
Çıkış voltajı, akım değerinin 2A ile 5V olarak seçilir. Böylece 10W çıkış olacaktır. Bu SMPS yük akımından bağımsız olarak sabit voltaj sağlayacağından CV (Sabit Voltaj) modunda çalışacaktır. Bu 5V'luk çıkış voltajı, çıkışta maksimum yük (2A) sırasında en düşük giriş voltajında bile sabit ve sabit olmalıdır.
İyi bir güç kaynağı biriminin 30mV pk-pk'den daha düşük bir dalgalanma voltajına sahip olması çok arzu edilir. Bu SMPS için hedeflenen dalgalanma voltajı, 30mV tepe-tepe dalgalanmasından azdır. Bu SMPS, el yapımı bir anahtarlama trafosu kullanılarak veroboard'da oluşturulacağından, biraz daha yüksek dalgalanma değerleri bekleyebiliriz. Bu problem bir PCB kullanılarak önlenebilir.
Koruma özellikleri:
Güvenli ve güvenilir bir çalışma için bir SMPS'de kullanılabilecek çeşitli koruma devreleri vardır. Koruma devresi, SMPS'yi ve ilgili yükü korur. Türüne bağlı olarak, koruma devresi girişe veya çıkışa bağlanabilir.
Bu SMPS için, giriş aşırı gerilim koruması 275VAC maksimum çalışma giriş Voltajı ile kullanılacaktır. Ayrıca, EMI sorunlarının üstesinden gelmek için, oluşturulan EMI'yi boşaltmak için ortak bir mod filtresi kullanılacaktır. Çıkış tarafında kısa devre koruması, aşırı voltaj koruması ve aşırı akım koruması dahil edeceğiz.
Güç Yönetimi IC Seçimi
Her SMPS devresi, anahtarlamalı IC veya SMPS IC veya Kurutucu IC olarak da bilinen bir Güç Yönetimi IC'si gerektirir. Tasarımımıza uygun ideal Güç Yönetimi IC'sini seçmek için tasarım hususlarını özetleyelim. Tasarım gereksinimlerimiz
- 10W çıktı. Tam yükte 5V 2A.
- Evrensel giriş derecesi. 50 Hz'de 85-265VAC
- Giriş aşırı gerilim koruması. Maksimum giriş voltajı 275VAC.
- Çıkış kısa devresi, aşırı voltaj ve aşırı akım koruması.
- Sabit voltaj işlemleri.
Yukarıdaki gereksinimler arasından seçim yapabileceğiniz çok çeşitli IC'ler vardır, ancak bu proje için Güç entegrasyonunu seçtik. Güç entegrasyonu, çeşitli güç çıkış aralıklarında geniş bir güç sürücü IC yelpazesine sahip yarı iletken bir şirkettir. Gereksinimlere ve kullanılabilirliğe bağlı olarak, TNY268PN'yi küçük anahtar II ailelerinden kullanmaya karar verdik. Bu IC'yi daha önce bir PCB üzerinde 12V SMPS devresi oluşturmak için kullandık.
Yukarıdaki resimde, maksimum güç 15W gösterilmektedir. Bununla birlikte, SMPS'yi açık çerçevede ve evrensel giriş derecelendirmesi için yapacağız. Böyle bir segmentte TNY268PN, 15W çıkış sağlayabilir. Pin diyagramını görelim.
5v 2Amp SMPS Devresinin Tasarlanması
5V 2A SMPS Şemasını oluşturmanın en iyi yolu, Güç entegrasyonunun PI uzman yazılımını kullanmaktır. PI uzman yazılımını indirin ve 8.6 sürümünü kullanın. Mükemmel güç kaynağı tasarım yazılımıdır. Aşağıda gösterilen Devre, Power Integration'ın PI uzman yazılımı kullanılarak oluşturulmuştur. Bu yazılımda yeniyseniz, yazılımı nasıl kullanacağınızı anlamak için bu 12V SMPS devresinin tasarım bölümüne başvurabilirsiniz.
Doğrudan prototip parçasını oluşturmaya geçmeden önce, 5v 2A SMPS devre şemasını ve çalışmasını inceleyelim.
Devre aşağıdaki bölümlere sahiptir:
- Giriş dalgalanması ve SMPS hata koruması
- AC-DC dönüşümü
- PI filtresi
- Sürücü devresi veya Anahtarlama devresi
- Düşük voltaj kilitleme koruması.
- Kelepçe devresi.
- Manyetik ve galvanik izolasyon.
- EMI filtresi
- İkincil Doğrultucu ve durdurucu devre
- Filtre Bölümü
- Geri bildirim bölümü.
Giriş dalgalanması ve SMPS hata koruması:
Bu bölüm, F1 ve RV1 olmak üzere iki bileşenden oluşur. F1, 1A 250VAC yavaş atan bir sigortadır ve RV1, 7mm 275V MOV (Metal Oksit Varistörü) 'dir. Yüksek voltaj dalgalanması sırasında (275VAC'den fazla), MOV kısa devre oldu ve giriş Sigortasını attı. Bununla birlikte, yavaş darbe özelliği nedeniyle, sigorta SMPS üzerinden ani akımlara dayanır.
AC-DC dönüşümü:
Bu bölüm diyot köprüsü tarafından yönetilir. Bu dört diyot (DB107'nin içinde) tam bir köprü doğrultucu oluşturur. Diyotlar 1N4006'dır, ancak standart 1N4007 işi mükemmel bir şekilde yapabilir. Bu projede, bu dört diyot, tam köprü doğrultucu DB107 ile değiştirilmiştir.
PI filtresi:
Farklı eyaletlerin farklı EMI red standartları vardır. Bu tasarım EN61000-Sınıf 3 standardını onaylar ve PI filtresi, ortak mod EMI reddini azaltacak şekilde tasarlanmıştır. Bu bölüm C1, C2 ve L1 kullanılarak oluşturulmuştur. C1 ve C2, 400V 18uF kapasitörlerdir. Tek bir değerdir, bu nedenle bu uygulama için 22uF 400V seçilmiştir. L1, her ikisini de iptal etmek için diferansiyel EMI sinyalini alan ortak bir mod boğucudur.
Sürücü devresi veya anahtarlama devresi:
Bir SMPS'nin kalbidir. Transformatörün birincil tarafı, anahtarlama devresi TNY268PN tarafından kontrol edilir. Anahtarlama frekansı 120-132khz'dir. Bu yüksek anahtarlama frekansı nedeniyle, daha küçük transformatörler kullanılabilir. Anahtarlama devresinin iki bileşeni vardır, U1 ve C3. U1, ana sürücü IC TNY268PN'dir. C3, sürücümüz IC'nin çalışması için gerekli olan bypass kapasitördür.
Düşük voltaj kilitleme koruması:
Düşük voltaj kilitleme koruması, algılama direnci R1 ve R2 tarafından yapılır. SMPS otomatik yeniden başlatma moduna girdiğinde ve hat voltajını algıladığında kullanılır. R1 ve R2 değeri, PI Expert aracı aracılığıyla oluşturulur. Seri haldeki iki direnç, bir güvenlik önlemidir ve direnç arızası sorunlarını önlemek için iyi bir uygulamadır. Böylece seride 2M yerine iki adet 1M direnç kullanılmaktadır.
Kelepçe devresi:
D1 ve D2 kıskaç devresidir. D1, TVS diyotudur ve D2, ultra hızlı bir kurtarma diyotudur. Transformatör, IC TNY268PN güç sürücüsü boyunca büyük bir indüktör görevi görür. Bu nedenle, kapatma çevrimi sırasında, transformatör, transformatörün kaçak endüktansı nedeniyle yüksek voltaj yükselmeleri oluşturur. Bu yüksek frekanslı voltaj yükselmeleri, transformatör boyunca diyot kelepçesi tarafından bastırılır. Ultra hızlı kurtarma nedeniyle UF4007 seçilmiştir ve TVS işlemi için P6KE200A seçilmiştir. Tasarım gereği hedeflenen kenetleme gerilimi (VCLAMP) 200V'dur. Bu nedenle P6KE200A seçilir ve ultra hızlı engellemeyle ilgili sorunlar için D2 olarak UF4007 seçilir.
Manyetik ve galvanik izolasyon:
Transformatör bir ferromanyetik transformatördür ve yalnızca yüksek voltajlı AC'yi düşük voltajlı bir AC'ye dönüştürmekle kalmaz, aynı zamanda galvanik izolasyon sağlar.
EMI filtresi:
EMI filtreleme, C4 kapasitör tarafından yapılır. Yüksek EMI parazitini azaltmak için devrenin bağışıklığını artırır. Bu bir olan Y-Sınıf kapasitör 2kV bir voltaj değerine sahip.
İkincil Doğrultucu ve Snubber Devresi:
Transformatörden gelen çıktı, bir Schottky doğrultucu diyot olan D6 kullanılarak doğrultulur ve DC'ye dönüştürülür. D6 üzerindeki frenleme devresi, anahtarlama işlemleri sırasında geçici gerilimin bastırılmasını sağlar. Söndürme devresi bir direnç ve bir kapasitör, R3 ve C5'ten oluşur.
Filtre Bölümü:
Filtre bölümü bir filtre kondansatörü C6'dan oluşur. Daha iyi dalgalanma reddi için Düşük ESR kapasitördür. Ayrıca, L2 ve C7 kullanan bir LC filtresi, çıktı boyunca daha iyi dalgalanma reddi sağlar.
Geri bildirim bölümü:
Çıkış voltajı U3 TL431 ve R6 ve R7 tarafından algılanır. Hat U2'yi algıladıktan sonra, optokuplör kontrol edilir ve ikincil geri besleme algılama bölümünü birincil yan kontrolör ile galvanik olarak izole eder. Optocoupler bir transistöre ve içinde bir LED'e sahiptir. LED kontrol edilerek, transistör kontrol edilir. İletişim optik olarak yapıldığından doğrudan elektrik bağlantısı yoktur, dolayısıyla geri besleme devresindeki galvanik izolasyonu da sağlar.
Şimdi, LED, Optocoupler LED boyunca yeterli önyargı sağlayarak transistörü doğrudan kontrol ettiğinden, Optocoupler transistörünü, daha spesifik olarak sürücü devresini kontrol edebilir. Bu kontrol sistemi TL431 tarafından kullanılmaktadır. Bir şönt regülatörü. Şönt regülatör, referans pini boyunca bir direnç bölücüye sahip olduğundan, karşısına bağlanan Optocoupler ledini kontrol edebilir. Geri besleme piminin referans voltajı 2,5V'dir.. Bu nedenle, TL431 yalnızca bölücüdeki voltaj yeterliyse aktif olabilir. Bizim durumumuzda, voltaj bölücü 5V değerine ayarlanmıştır. Bu nedenle, çıkış 5V'ye ulaştığında, TL431 referans pini üzerinden 2.5V alır ve böylece Optocoupler'ın transistörünü kontrol eden ve dolaylı olarak TNY268PN'yi kontrol eden Optocoupler LED'ini etkinleştirir. Çıkış boyunca voltaj yeterli değilse, anahtarlama döngüsü derhal askıya alınır.
TNY268PN önce ilk anahtarlama döngüsünü etkinleştirir ve ardından EN pinini algılar. Her şey yolunda giderse, geçişe devam edecek, değilse bir süre sonra bir kez daha deneyecektir. Bu döngü, her şey normale dönene kadar devam eder, böylece kısa devre veya aşırı gerilim sorunlarını önler. Bu nedenle, ilgili işlemleri algılamak için çıkış voltajı sürücüye geri gönderildiği için geri dönüş topolojisi olarak adlandırılır. Ayrıca, deneme döngüsüne, hata durumunda bir hıçkırık çalışma modu denir.
D3, bir Schottky bariyer diyotudur. Bu diyot, yüksek frekanslı AC çıkışını DC'ye dönüştürür. Güvenilir çalışma için 3A 60V Schottky Diyot seçilmiştir. R4 ve R5, PI Expert tarafından seçilir ve hesaplanır. Bir voltaj bölücü oluşturur ve akımı TL431'den Optocoupler LED'e geçirir.
R6 ve R7, TL431 REF voltajı = (Vout x R7) / R6 + R7 formülü ile hesaplanan basit bir voltaj bölücüdür. Referans voltajı 2.5V ve Vout 12V'dir. R6 23.7k değerini seçerek R7 yaklaşık olarak 9.09k oldu.
SMPS Devremiz için Anahtarlama Trafosu Oluşturma
Normalde bir SMPS devresi için bir anahtarlama transformatörü gerekli olacaktır, bu transformatörler tasarım gereksinimlerinize göre transformatör üreticilerinden temin edilebilir. Ancak buradaki sorun şu ki, bir prototip oluşturmayı öğrenirseniz, tasarımınız için tam transformatörü raflarda bulamazsınız. Bu nedenle, PI uzman yazılımımız tarafından verilen tasarım gereksinimlerine göre bir anahtarlama transformatörünün nasıl oluşturulacağını öğreneceğiz.
Üretilen trafo yapı şemasını görelim.
Yukarıdaki resimde belirtildiği gibi, birincil tarafta 103 Tur tek 32 AWG tel ve ikincil tarafta iki 25 AWG tel 5 tur gerçekleştirmemiz gerekiyor.
Yukarıdaki görüntüde sarımların başlangıç noktası ve sarımın yönü mekanik bir diyagram olarak anlatılmıştır. Bu transformatörü yapmak için aşağıdaki şeylere ihtiyaç vardır:
- EE19 çekirdek, NC-2H veya eşdeğer şartname ve ALG 79 nH / T 2 için boşluklu
- Birincil ve ikincil tarafta 5 pimli bobin.
- 1 mil kalınlığında Bariyer Bandı. 9 mm genişliğinde bant gereklidir.
- 32 AWG lehimlenebilir kaplamalı emaye bakır tel.
- 25AWG lehimlenebilir kaplamalı emaye bakır tel.
- LCR ölçer.
79nH / T2 boşluklu çekirdeğe sahip NC- 2H'li EE19 çekirdek gereklidir; genellikle çiftler halinde bulunur. Bobin, 4 birincil ve 5 ikincil pime sahip genel bir bobindir. Ancak burada her iki tarafında 5 pimli bobin kullanılmaktadır.
Bariyer bandı için, taban kalınlığı 1 milden (Tipik olarak 2 mil) fazla olan standart koli bandı kullanılır. Kılavuz çekme ile ilgili faaliyetler sırasında, bandı mükemmel genişlikler için kesmek için makas kullanılır. Bakır teller eski transformatörlerden temin edilir ve yerel mağazalardan da satın alınabilir. Kullandığım çekirdek ve bobin aşağıda gösterilmiştir
Adım 1: Birincil taraftaki 1. ve 5. pime lehim ekleyin. 32 AWG teli pim 5'te lehimleyin ve sarım yönü saat yönündedir. 103 dönüşe kadar aşağıda gösterildiği gibi devam edin
Bu, transformatörümüzün birincil tarafını oluşturur, 103 tur sarım tamamlandıktan sonra transformatörüm aşağıdaki gibi görünüyordu.
Adım 2: İzolasyon amacıyla koli bandı uygulayın, 3 tur koli bandı gereklidir. Ayrıca bobinin yerinde tutulmasına da yardımcı olur.
Adım 3: İkincil sargıyı pim 9 ve 10'dan başlatın. İkincil taraf, iki şerit 25AWG emaye bakır tel kullanılarak yapılır. Bir bakır teli 9 nolu pime ve 10 nolu pime lehimleyin. Sarım yönü yine saat yönündedir. 5 tura kadar devam edin ve pim 5 ve 6'daki uçları lehimleyin. Daha önce olduğu gibi koli bandı uygulayarak yalıtım bandı ekleyin.
Hem birincil hem de ikincil sargılar yapıldıktan ve koli bandı kullanıldıktan sonra, transformatörüm aşağıda gösterildiği gibi görünüyordu
Adım 4: Şimdi iki çekirdeği koli bandı kullanarak sıkıca sabitleyebiliriz. Tamamlandıktan sonra tamamlanan trafo aşağıdaki gibi görünmelidir.
Adım 5: Ayrıca koli bandını yan yana sardığınızdan emin olun. Bu, yüksek yoğunluklu akı transferi sırasında titreşimi azaltacaktır.
Yukarıdaki adımlar yapıldıktan ve transformatör aşağıda gösterildiği gibi bir LCR ölçer kullanılarak test edildikten sonra. Sayaç 1.125 mH veya 1125 uh endüktans gösteriyor.
SMPS Devresini Oluşturmak:
Transformatör hazır olduğunda, diğer bileşenleri noktalı tahtaya monte etmeye devam edebiliriz. Devre için gerekli olan parça detayları aşağıdaki malzeme listesi listesinde bulunabilir.
- 5V 2A SMPS devresi için BOM parçası ayrıntıları
Bileşenler lehimlendikten sonra kartım şuna benzer.
5V 2A SMPS Devresinin Test Edilmesi
Devreyi test etmek için, giriş AC şebeke voltajını kontrol etmek için giriş tarafını bir VARIAC aracılığıyla şebeke güç kaynağına bağladım. 85VAC ve 230VAC'deki çıkış voltajı aşağıda gösterilmiştir.
Her iki durumda da görebileceğiniz gibi, çıkış voltajı 5V'ta tutulur. Ama sonra çıkışı skopuma bağladım ve dalgalanmaları kontrol ettim. Dalgalanma ölçümü aşağıda gösterilmiştir
Çıkış dalgalanması oldukça yüksek, 150mV pk-pk dalgalanma çıkışı gösteriyor. Bu, bir güç kaynağı devresi için tamamen iyi değildir. Analize göre yüksek dalgalanma aşağıdaki faktörlerden kaynaklanmaktadır:
- Uygun Olmayan PCB Tasarımı.
- Zıplama sorunu.
- PCB ısı emicisi uygun değil.
- Gürültülü besleme hatlarında kesinti yok.
- El sarımı nedeniyle transformatörde artan toleranslar. Transformatör üreticileri, transformatörlerin daha iyi stabilitesi için makine sargıları sırasında daldırma verniği uygular.
Devre uygun bir PCB'ye dönüştürülürse, güç kaynağının dalgalanma çıkışını bir el sargılı transformatörle bile 50mV pk-pk içinde bekleyebiliriz. Yine de veroboard, AC'den DC'ye anahtarlamalı güç kaynağı yapmak için güvenli bir seçenek olmadığından, pratik senaryolarda yüksek voltaj devreleri uygulanmadan önce uygun PCB'nin kurulması gerektiği sürekli olarak önerilmektedir. Devrenin yük koşullarında nasıl çalıştığını kontrol etmek için bu sayfanın sonundaki videoyu kontrol edebilirsiniz.
Umarım öğreticiyi anladınız ve el yapımı bir transformatör ile kendi SMPS devrelerinizi nasıl oluşturacağınızı öğrendiniz. Herhangi bir sorunuz varsa, aşağıdaki yorum bölümüne bırakın veya daha fazla soru için forumlarımızı kullanın.