Thiết kế mạch cấp nguồn 12V 1a sử dụng viper22a

Các mạch cung cấp điện ở chế độ chuyển mạch (SMPS) thường được yêu cầu nhiều nhất trong nhiều thiết kế điện tử để chuyển đổi điện áp nguồn AC sang mức điện áp DC phù hợp để thiết bị hoạt động. Loại bộ chuyển đổi AC-DC này lấy điện áp nguồn AC 230V / 110V làm đầu vào và chuyển đổi nó thành điện áp DC mức thấp bằng cách chuyển đổi nó, do đó có tên là bộ cấp nguồn chế độ chuyển đổi. Chúng tôi đã xây dựng một vài mạch SMPS trước đó như mạch SMPS 5V 2A này và mạch 12V 1A TNY268 SMPS. Chúng tôi thậm chí đã chế tạo biến áp SMPS của riêng mình có thể được sử dụng trong các thiết kế SMPS của chúng tôi cùng với vi mạch điều khiển. Trong dự án này, chúng tôi sẽ xây dựng một mạch 12V 1A SMPS khác sử dụng VIPer22A, là một IC trình điều khiển SMPS giá rẻ phổ biến của STMicroelectronics. Hướng dẫn này sẽ đưa bạn đến toàn bộ mạch và cũng sẽ giải thíchcách xây dựng biến áp của riêng bạn cho mạch VIPER. Thú vị phải không, hãy bắt đầu.

Thông số kỹ thuật thiết kế bộ nguồn VIPer22A

Giống như dự án dựa trên SMPS trước đây, các loại nguồn điện khác nhau hoạt động trong các môi trường khác nhau và hoạt động trong một ranh giới đầu vào - đầu ra cụ thể. SMPS này cũng có một đặc điểm kỹ thuật. Vì vậy, phân tích thông số kỹ thuật thích hợp cần phải được thực hiện trước khi tiến hành thiết kế thực tế.

Đặc điểm kỹ thuật đầu vào: Đây sẽ là một SMPS trong miền chuyển đổi AC sang DC. Do đó, đầu vào sẽ là AC. Trong dự án này, điện áp đầu vào là cố định. Nó theo xếp hạng điện áp tiêu chuẩn Châu Âu. Vì vậy, điện áp AC đầu vào của SMPS này sẽ là 220-240VAC. Nó cũng là xếp hạng điện áp tiêu chuẩn của Ấn Độ.

Đặc điểm kỹ thuật đầu ra: Điện áp đầu ra được chọn là 12V với đánh giá dòng điện 1A. Do đó, nó sẽ là đầu ra 12W. Vì SMPS này sẽ cung cấp điện áp không đổi bất kể dòng tải, nó sẽ hoạt động ở chế độ CV (Điện áp không đổi). Ngoài ra, điện áp đầu ra sẽ không đổi và ổn định ở điện áp đầu vào thấp nhất với tải tối đa (2A) trên đầu ra.

Điện áp gợn đầu ra: Rất mong muốn một bộ nguồn tốt có điện áp gợn nhỏ hơn 30mV pk-pk. Điện áp gợn sóng mục tiêu là giống nhau đối với SMPS này, nhỏ hơn 30mV pk-pk gợn sóng. Tuy nhiên, độ gợn đầu ra của SMPS phụ thuộc nhiều vào cấu trúc SMPS, PCB và loại tụ điện được sử dụng. Chúng tôi đã sử dụng tụ điện ESR thấp có xếp hạng 105 độ từ Wurth Electronics và gợn sóng đầu ra dự kiến dường như thấp hơn.

Mạch bảo vệ: Có nhiều mạch bảo vệ khác nhau có thể được sử dụng trong SMPS để hoạt động an toàn và đáng tin cậy. Mạch bảo vệ bảo vệ SMPS cũng như tải liên quan. Tùy thuộc vào loại, mạch bảo vệ có thể được kết nối qua đầu vào hoặc qua đầu ra. Đối với SMPS này, bảo vệ chống xung đầu vào sẽ được sử dụng với Điện áp đầu vào hoạt động tối đa là 275VAC. Ngoài ra, để giải quyết các vấn đề về EMI, một bộ lọc chế độ chung sẽ được sử dụng để xóa EMI đã tạo. Về phía đầu ra chúng tôi sẽ bao gồm bảo vệ ngắn mạch, bảo vệ quá điện áp, và bảo vệ quá dòng.

Lựa chọn IC trình điều khiển SMPS

Mọi mạch SMPS đều yêu cầu IC quản lý nguồn còn được gọi là IC chuyển mạch hoặc IC SMPS hoặc IC khô. Hãy tổng hợp những lưu ý về thiết kế để chọn IC quản lý nguồn lý tưởng phù hợp với thiết kế của chúng ta. Yêu cầu thiết kế của chúng tôi là

Công suất 12W. 12V 1A khi đầy tải.
Đánh giá đầu vào Tiêu chuẩn Châu Âu. 85-265VAC ở 50Hz
Bảo vệ đột biến đầu vào. Điện áp đầu vào tối đa 275VAC.
Ngắn mạch đầu ra, bảo vệ quá áp và quá dòng.
Hoạt động điện áp không đổi.

Từ các yêu cầu trên, có nhiều loại IC để lựa chọn, nhưng đối với dự án này, chúng tôi đã chọn trình điều khiển nguồn VIPer22A của STMicroelectronics. Nó là một IC điều khiển nguồn chi phí rất thấp của STMicroelectronics.

Trong hình trên, đánh giá công suất điển hình của vi mạch VIPer22A được hiển thị. Tuy nhiên, không có phần cụ thể cho thông số kỹ thuật đầu ra nguồn của loại khung mở hoặc bộ chuyển đổi. Chúng tôi sẽ tạo SMPS trong khung mở và cho xếp hạng đầu vào của Châu Âu. Trong phân khúc như vậy VIPer22A có thể cung cấp công suất 20W. Chúng tôi sẽ sử dụng nó cho đầu ra 12W. Các VIPer22A IC pinout được đưa ra trong hình ảnh dưới đây.

Thiết kế mạch cấp nguồn VIPer22

Cách tốt nhất để xây dựng mạch là sử dụng phần mềm Thiết kế Nguồn điện. Bạn có thể tải xuống VIPer Design Software Version 2.24 để sử dụng VIPer22A, phiên bản mới nhất của phần mềm này không còn hỗ trợ VIPer22A nữa. Đây là phần mềm thiết kế cung cấp điện tuyệt vời của STMicroelectronics. Bằng cách cung cấp thông tin yêu cầu thiết kế, sơ đồ mạch cung cấp điện hoàn chỉnh có thể được tạo ra. Các mạch VIPer22A cho dự án này được tạo ra bởi phần mềm được hiển thị dưới đây

Trước khi đi thẳng vào xây dựng phần nguyên mẫu, chúng ta hãy khám phá hoạt động của mạch. Mạch có các phần sau:

Tăng tín hiệu đầu vào và bảo vệ lỗi SMPS
Bộ lọc đầu vào
Chuyển đổi AC-DC
Mạch trình điều khiển hoặc mạch chuyển mạch
Kẹp mạch.
Từ trường và cách ly điện.
bộ lọc EMI
Chỉnh lưu thứ cấp
Bộ lọc Phần
Phần phản hồi.

Đầu vào tăng đột biến và bảo vệ lỗi SMPS.

Phần này bao gồm hai thành phần, F1 và RV1. F1 là cầu chì thổi chậm 1A 250VAC và RV1 là cầu chì 7mm 275V MOV (Metal Oxide Varistor). Trong quá trình tăng điện áp cao (hơn 275VAC), MOV trở nên ngắn và thổi cầu chì đầu vào. Tuy nhiên, do tính năng thổi chậm, cầu chì chịu được dòng điện khởi động qua SMPS.

Bộ lọc đầu vào

Tụ C3 là tụ lọc dòng 250VAC. Nó là một tụ điện loại X tương tự như tụ điện mà chúng tôi đã sử dụng trong thiết kế mạch cấp điện ít hơn máy biến áp của chúng tôi.

Chuyển đổi AC-DC.

Việc chuyển đổi AC DC được thực hiện bằng cách sử dụng điốt chỉnh lưu toàn cầu DB107. Nó là một diode chỉnh lưu định mức 1000V 1A. Việc lọc được thực hiện bằng cách sử dụng tụ điện 22uF 400V. Tuy nhiên, trong quá trình thử nghiệm này, chúng tôi đã sử dụng một giá trị tụ điện rất lớn. Thay vì 22uF, chúng tôi sử dụng tụ điện 82uF do sự sẵn có của tụ điện. Tụ điện có giá trị cao như vậy không cần thiết cho hoạt động của mạch. 22uF 400V là đủ cho định mức đầu ra 12W.

Mạch điều khiển hoặc mạch chuyển mạch.

VIPer22A yêu cầu nguồn từ cuộn dây phân cực của máy biến áp. Sau khi nhận được điện áp phân cực, VIPer bắt đầu chuyển đổi qua máy biến áp bằng cách sử dụng một mosfet điện áp cao được tích hợp sẵn. D3 được sử dụng để chuyển đổi đầu ra phân cực AC thành DC và điện trở R1, 10 Ohm được sử dụng để điều khiển dòng khởi động. Tụ lọc là 4,7uF 50V để làm dịu gợn sóng DC.

Mạch kẹp

Máy biến áp hoạt động một cuộn cảm lớn trên IC trình điều khiển nguồn VIPer22. Do đó, trong chu kỳ đóng cắt, máy biến áp sẽ tạo ra các xung điện áp cao do điện cảm rò của máy biến áp. Các xung điện áp tần số cao này có hại cho vi mạch điều khiển nguồn và có thể gây hỏng mạch chuyển mạch. Do đó, điều này cần được ngăn chặn bằng kẹp diode trên máy biến áp. D1 và D2 được sử dụng cho mạch kẹp. D1 là diode TVS và D2 là diode khôi phục cực nhanh. D1 được sử dụng để kẹp điện áp trong khi D2 được sử dụng như một diode chặn. Theo thiết kế, điện áp kẹp mục tiêu (VCLAMP) là 200V. Do đó, P6KE200A được chọn và đối với các vấn đề liên quan đến chặn cực nhanh, UF4007 được chọn là D2.

Từ trường và cách ly điện.

Máy biến áp là một máy biến áp sắt từ và nó không chỉ chuyển đổi điện áp cao xoay chiều thành điện áp thấp xoay chiều mà còn cung cấp cách ly điện. Nó có ba lệnh quanh co. Cuộn dây sơ cấp, phụ hoặc phân cực và cuộn thứ cấp.

Bộ lọc EMI.

Lọc EMI được thực hiện bởi tụ C4. Nó làm tăng khả năng miễn nhiễm của mạch để giảm nhiễu EMI cao. Nó là một tụ điện Y-Class với định mức điện áp là 2kV.

Mạch chỉnh lưu thứ cấp và mạch snubber.

Đầu ra từ máy biến áp được chỉnh lưu và chuyển đổi thành DC bằng cách sử dụng D6, một diode chỉnh lưu Schottky. Vì dòng điện đầu ra là 2A, diode 3A 60V được chọn cho mục đích này. SB360 là diode Schottky được xếp hạng 3A 60V.

Phần Bộ lọc.

C6 là tụ lọc. Nó là một tụ điện ESR thấp để loại bỏ gợn sóng tốt hơn. Ngoài ra, một bộ lọc sau LC được sử dụng trong đó L2 và C7 cung cấp khả năng loại bỏ gợn sóng tốt hơn trên đầu ra.

Phần phản hồi.

Điện áp đầu ra được cảm nhận bởi U3 TL431 và R6 và R7. Sau khi cảm nhận dòng, U2, Optocoupler được điều khiển và cô lập về mặt điện hóa phần cảm biến phản hồi thứ cấp với bộ điều khiển bên chính. Các PC817 là một Optocoupler. Nó có hai mặt, một bóng bán dẫn và một đèn LED bên trong nó. Bằng cách điều khiển đèn LED, bóng bán dẫn được điều khiển. Vì giao tiếp được thực hiện bằng quang học, nó không có kết nối điện trực tiếp, do đó đáp ứng quá trình cách ly điện trên mạch phản hồi.

Bây giờ, khi đèn LED điều khiển trực tiếp bóng bán dẫn, bằng cách cung cấp đủ độ lệch trên LED Optocoupler, người ta có thể điều khiển bóng bán dẫn Optocoupler, cụ thể hơn là mạch trình điều khiển. Hệ thống điều khiển này được sử dụng bởi TL431. Một bộ điều chỉnh shunt. Vì bộ điều chỉnh shunt có một bộ chia điện trở trên chân tham chiếu của nó, nó có thể điều khiển đèn LED Optocoupler được kết nối qua nó. Chân phản hồi có điện áp tham chiếu là 2,5V. Do đó, TL431 chỉ có thể hoạt động nếu điện áp trên bộ chia là đủ. Trong trường hợp của chúng tôi, bộ chia điện áp được đặt ở giá trị 5V. Do đó, khi đầu ra đạt đến 5V, TL431 nhận được 2,5V qua chân tham chiếu và do đó kích hoạt đèn LED của Optocoupler điều khiển bóng bán dẫn của Optocoupler và điều khiển gián tiếp TNY268PN. Nếu điện áp không đủ trên đầu ra, chu kỳ chuyển mạch sẽ bị đình chỉ ngay lập tức.

Đầu tiên, TNY268PN kích hoạt chu kỳ chuyển đổi đầu tiên và sau đó cảm nhận chân EN của nó. Nếu mọi thứ đều ổn, nó sẽ tiếp tục chuyển đổi, nếu không, nó sẽ thử lại một lần nữa sau một thời gian. Vòng lặp này được tiếp tục cho đến khi mọi thứ trở nên bình thường, do đó ngăn ngừa các vấn đề ngắn mạch hoặc quá áp. Đây là lý do tại sao nó được gọi là cấu trúc liên kết bay ngược, vì điện áp đầu ra được chuyển trở lại trình điều khiển để cảm nhận các hoạt động liên quan. Ngoài ra, vòng lặp thử được gọi là một chế độ hoạt động nấc trong điều kiện hỏng hóc.

Cấu tạo Biến áp chuyển mạch cho mạch VIPER22ASMPS

Chúng ta cùng xem sơ đồ cấu tạo máy biến áp tạo ra. Sơ đồ này có được từ phần mềm thiết kế cung cấp điện mà chúng ta đã thảo luận trước đó.

Lõi là E25 / 13/7 với khe hở không khí là 0,36mm. Cuộn cảm sơ cấp là 1mH. Đối với cấu tạo của máy biến áp này, những điều sau đây là cần thiết. Nếu bạn chưa quen với việc chế tạo máy biến áp, hãy đọc bài viết về cách chế tạo máy biến áp SMPS của riêng bạn.

Băng polyester
Các cặp lõi E25 / 13/7 với khe hở không khí 0,36mm.
30 AWG dây đồng
Dây đồng 43 AWG (Chúng tôi đã sử dụng 36 AWG do không có sẵn)
23 AWG (Chúng tôi cũng đã sử dụng 36 AWG cho cái này)
Suốt chỉ ngang hoặc dọc (Chúng tôi đã sử dụng suốt chỉ ngang)
Bút để giữ suốt chỉ trong quá trình quấn.

Bước 1: Dùng bút giữ Lõi, bắt đầu dây đồng 30 AWG từ chốt 3 của suốt chỉ và tiếp tục quay 133 vòng theo chiều kim đồng hồ đến chốt 1. Dán 3 lớp băng polyester.

Bước 2: Bắt đầu cuộn dây Bias bằng cách sử dụng dây đồng 43 AWG từ chân 4 và tiếp tục đến 31 vòng và kết thúc cuộn dây ở chân 5. Dán 3 lớp băng polyester.

Bắt đầu cuộn dây Bias bằng cách sử dụng dây đồng 43 AWG từ chân 4 và tiếp tục đến 31 vòng và kết thúc cuộn dây ở chân 5. Dán 3 lớp băng polyester.

Bước 3: Bắt đầu cuộn thứ cấp từ chốt 10 và tiếp tục quấn 21 vòng theo chiều kim đồng hồ. Dán 4 lớp băng polyester.

Bước 4: Cố định lõi có rãnh bằng cuộn băng keo cạnh nhau. Điều này sẽ làm giảm rung động trong quá trình truyền từ thông mật độ cao.

Sau khi xây dựng xong, máy biến áp được thử nghiệm với đồng hồ LCR để đo giá trị điện cảm của các cuộn dây. Máy đo đang hiển thị 913 mH gần bằng cuộn cảm sơ cấp 1mH.

Xây dựng mạch VIPer22A SMPS:

Với đánh giá của máy biến áp đã được xác minh, chúng tôi có thể tiến hành hàn tất cả các thành phần trên bảng Vero như được đưa ra trong sơ đồ mạch. Bảng của tôi sau khi hoàn thành công việc hàn trông như thế này bên dưới

Kiểm tra mạch VIPer22A cho 12V 1A SMPS:

Để kiểm tra mạch, tôi đã kết nối phía đầu vào với nguồn điện chính thông qua VARIAC để điều khiển điện áp nguồn AC đầu vào. Trong hình ảnh dưới đây, điện áp đầu ra ở mức 225VAC được hiển thị.

Như bạn có thể thấy ở phía đầu ra, chúng tôi nhận được 12,12V gần với điện áp đầu ra 12V mong muốn. Hoạt động hoàn chỉnh được hiển thị trong video đính kèm ở cuối trang này. Hy vọng bạn đã hiểu hướng dẫn và học cách xây dựng mạch SMPS của riêng bạn bằng một máy biến áp thủ công. Nếu bạn có bất kỳ câu hỏi nào hãy để lại chúng trong phần bình luận bên dưới.