Cách thiết kế mạch cấp nguồn 5v 2a smps

Bộ cấp nguồn (PSU) là một phần quan trọng trong bất kỳ thiết kế sản phẩm điện tử nào. Hầu hết các sản phẩm điện tử gia dụng như Bộ sạc di động, Loa Bluetooth, Ổ cắm điện, Đồng hồ thông minh, v.v. yêu cầu mạch Nguồn điện có thể chuyển đổi nguồn điện AC thành 5V DC để vận hành chúng. Trong dự án này, chúng tôi sẽ xây dựng một mạch cung cấp nguồn AC thành DC tương tự với định mức công suất 10W. Đó là mạch của chúng tôi sẽ chuyển đổi nguồn điện xoay chiều 220V thành 5V và cung cấp dòng điện đầu ra tối đa lên đến 2A. Mức công suất này đủ để cấp nguồn cho hầu hết các sản phẩm điện tử chạy trên 5V. Ngoài ra mạch 5V 2A SMPS khá phổ biến trong điện tử vì có rất nhiều vi điều khiển hoạt động trên 5V.

Ý tưởng của dự án là giữ cho việc xây dựng càng đơn giản càng tốt, do đó chúng tôi sẽ thiết kế mạch điện hoàn chỉnh trên một bảng chấm (perf board) và cũng sẽ chế tạo máy biến áp của riêng chúng tôi để bất kỳ ai cũng có thể nhân rộng thiết kế này hoặc xây dựng những cái tương tự. Vui mừng đúng không! Vậy hãy bắt đầu. Trước đây, chúng tôi cũng đã chế tạo mạch SMPS 12V 15W sử dụng PCB, vì vậy những người quan tâm đến cách thiết kế PCB cho dự án PSU (đơn vị cung cấp điện) cũng có thể kiểm tra điều đó.

Mạch 5V 2A SMPS - Thông số thiết kế

Các loại cung cấp điện khác nhau hoạt động khác nhau trong các môi trường khác nhau. Ngoài ra, SMPS hoạt động trong các ranh giới đầu vào-đầu ra cụ thể. Phân tích đặc điểm kỹ thuật thích hợp cần phải được thực hiện trước khi tiếp tục với 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. Đối với giá trị điện áp đầu vào, tốt hơn nên sử dụng xếp hạng đầu vào phổ quát cho SMPS. Do đó, điện áp AC sẽ là 85-265VAC với định mức 50Hz. Bằng cách này, SMPS có thể được sử dụng ở bất kỳ quốc gia nào bất kể giá trị điện áp nguồn AC của họ.

Đặc điểm kỹ thuật đầu ra:

Điện áp đầu ra được chọn là 5V với 2A của định mức hiện tại. Do đó, nó sẽ là đầu ra 10W. 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). Điện áp đầu ra 5V này phải không đổi và ổn định ngay cả ở điện áp đầu vào thấp nhất trong khi tải tối đa (2A) trên đầu ra.

Rất mong muốn một đơn vị cung cấp điện tốt có điện áp gợn sóng nhỏ hơn 30mV pk-pk. Điện áp gợn sóng mục tiêu cho SMPS này là gợn sóng đỉnh-đỉnh nhỏ hơn 30mV. Vì SMPS này sẽ được xây dựng trong veroboard bằng cách sử dụng một máy biến áp chuyển mạch thủ công, chúng tôi có thể mong đợi giá trị gợn sóng cao hơn một chút. Vấn đề này có thể tránh được bằng cách sử dụng PCB.

Các tính năng 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 quản lý nguồn

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 10W. 5V 2A khi đầy tải.
Đánh giá đầu vào phổ quát. 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 Tích hợp nguồn. Tích hợp nguồn là một công ty bán dẫn có nhiều loại IC điều khiển công suất trong các phạm vi công suất đầu ra khác nhau. Dựa trên các yêu cầu và tính khả dụng, chúng tôi đã quyết định sử dụng TNY268PN từ các dòng công tắc nhỏ II. Trước đây chúng tôi đã sử dụng vi mạch này để xây dựng mạch SMPS 12V trên PCB.

Trong hình trên, công suất cực đại 15W được hiển thị. Tuy nhiên, chúng tôi sẽ tạo SMPS trong khung mở và cho xếp hạng đầu vào chung. Trong một phân khúc như vậy, TNY268PN có thể cung cấp công suất 15W. Hãy xem sơ đồ chân.

Thiết kế mạch 5v 2Amp SMPS

Cách tốt nhất để xây dựng Sơ đồ SMPS 5V 2A là sử dụng phần mềm chuyên gia PI của tích hợp Nguồn. Tải xuống phần mềm chuyên gia PI và sử dụng phiên bản 8.6. Nó là phần mềm thiết kế cung cấp điện tuyệt vời. Mạch hiển thị bên dưới được xây dựng bằng phần mềm chuyên gia PI của Power Integration. Nếu bạn mới sử dụng phần mềm này bạn có thể tham khảo phần thiết kế của mạch 12V SMPS này để hiểu cách sử dụng phần mềm.

Trước khi đi thẳng vào xây dựng phần nguyên mẫu, chúng ta hãy tìm hiểu sơ đồ mạch SMPS 5v 2A và hoạt động của nó.

Mạch có các phần sau-

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

Tăng tín hiệu đầu vào 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.

Chuyển đổi AC-DC:

Phần này được điều chỉnh bởi cầu diode. Bốn điốt này (bên trong DB107) tạo thành một bộ chỉnh lưu cầu đầy đủ. Điốt là 1N4006, nhưng tiêu chuẩn 1N4007 có thể thực hiện công việc một cách hoàn hảo. Trong dự án này, bốn điốt này được thay thế bằng một bộ chỉnh lưu toàn cầu DB107.

Bộ lọc PI:

Các trạng thái khác nhau có tiêu chuẩn từ chối EMI khác nhau. Thiết kế này xác nhận tiêu chuẩn EN61000-Class 3 và bộ lọc PI được thiết kế theo cách để giảm sự từ chối EMI ở chế độ phổ biến. Phần này được tạo bằng C1, C2 và L1. C1 và C2 là tụ điện 400V 18uF. Đây là một giá trị lẻ nên 22uF 400V được chọn cho ứng dụng này. L1 là một cuộn cảm chế độ phổ biến lấy tín hiệu EMI vi sai để hủy bỏ cả hai.

Mạch điều khiển hoặc mạch chuyển mạch:

Nó là trái tim của một SMPS. Phía sơ cấp của máy biến áp được điều khiển bởi mạch chuyển mạch TNY268PN. Tần số chuyển mạch là 120-132khz. Do tần số chuyển mạch cao này, có thể sử dụng các máy biến áp nhỏ hơn. Mạch chuyển mạch có hai thành phần, U1 và C3. U1 là IC điều khiển chính TNY268PN. C3 là tụ điện phụ cần thiết cho hoạt động của vi mạch trình điều khiển của chúng tôi.

Bảo vệ khóa điện áp dưới:

Bảo vệ khóa điện áp dưới được thực hiện bởi điện trở cảm giác R1 và R2. Nó được sử dụng khi SMPS chuyển sang chế độ tự động khởi động lại và cảm nhận điện áp đường dây. Giá trị của R1 và R2 được tạo ra thông qua công cụ PI Expert. Hai điện trở mắc nối tiếp là một biện pháp an toàn và thực hành tốt để tránh các vấn đề hỏng hóc điện trở. Do đó, thay vì 2M, hai điện trở 1M được sử dụng trong chuỗi.

Kẹp mạch:

D1 và D2 là mạch kẹp. D1 là diode TVS và D2 là diode khôi phục cực nhanh. Máy biến áp hoạt động một cuộn cảm lớn trên IC điều khiển nguồn TNY268PN. Do đó trong chu kỳ đóng cắt, máy biến áp tạo ra xung điện áp cao do điện cảm rò của máy biến áp. Các xung điện áp tần số cao này được triệt tiêu bởi kẹp diode trên máy biến áp. UF4007 được chọn do khả năng phục hồi cực nhanh và P6KE200A được chọn cho hoạt động TVS. 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 tính và cách ly điện:

Máy biến áp là một máy biến áp sắt từ và nó không chỉ chuyển đổi điện áp cao AC thành điện áp thấp AC mà còn cung cấp cách ly điện.

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.

Bộ 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. Mạch nhỏ trên D6 cung cấp khả năng triệt tiêu điện áp quá độ trong quá trình chuyển đổi. Mạch snubber bao gồm một điện trở và một tụ điện, R3 và C5.

Bộ lọc Phần:

Bộ lọc gồm một tụ lọc C6. Nó là một tụ điện ESR thấp để loại bỏ gợn sóng tốt hơn. Ngoài ra, một bộ lọc LC sử dụng 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, bộ ghép quang được điều khiển và cách ly về mặt điện hóa phần cảm biến phản hồi thứ cấp với bộ điều khiển bên chính. Optocoupler có 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.

D3 là một diode rào cản Schottky. Diode này chuyển đổi đầu ra AC tần số cao thành DC. 3A 60V Schottky Diode được lựa chọn để hoạt động đáng tin cậy. R4 và R5 được lựa chọn và tính toán bởi Chuyên gia PI. Nó tạo ra một bộ chia điện áp và chuyển dòng điện đến đèn LED Optocoupler từ TL431.

R6 và R7 là một bộ chia điện áp đơn giản được tính theo công thức TL431 Điện áp REF = (Vout x R7) / R6 + R7. Điện áp tham chiếu là 2,5V và Vout là 12V. Bằng cách chọn giá trị của R6 là 23,7k, R7 trở thành xấp xỉ 9,09k.

Xây dựng một biến áp chuyển mạch cho mạch SMPS của chúng tôi

Thông thường đối với mạch SMPS sẽ cần một máy biến áp chuyển mạch, những máy biến áp này có thể được mua từ các nhà sản xuất máy biến áp dựa trên yêu cầu thiết kế của bạn. Nhưng vấn đề ở đây là nếu bạn học cách xây dựng nguyên mẫu, bạn không thể tìm thấy máy biến áp chính xác cho thiết kế của mình. Vì vậy, chúng ta sẽ học cách chế tạo một máy biến áp chuyển mạch dựa trên các yêu cầu thiết kế do phần mềm chuyên gia PI của chúng tôi đưa ra.

Chúng ta cùng xem sơ đồ cấu tạo máy biến áp tạo ra.

Như hình trên cho biết, chúng ta cần thực hiện 103 lượt của dây 32 AWG đơn ở phía sơ cấp và 5 lượt của hai dây 25 AWG ở phía thứ cấp.

Trong hình trên, điểm bắt đầu của các cuộn dây và hướng của cuộn dây được mô tả như một sơ đồ cơ học. Để chế tạo máy biến áp này, cần những điều sau:

Lõi EE19, NC-2H hoặc thông số kỹ thuật tương đương và có chuẩn ALG 79 nH / T ²
Suốt chỉ có 5 chân ở phía chính và phụ.
Băng cản với độ dày 1 mil. Cần có băng rộng 9mm.
32 AWG dây đồng tráng men có thể hàn được.
25AWG dây đồng tráng men có thể hàn được.
Máy đo LCR.

Cần có lõi EE19 với NC-2H với lõi có lỗ hổng 79nH / T2; nói chung, nó có sẵn theo cặp. Suốt chỉ là loại chung có 4 chốt chính và 5 chốt phụ. Tuy nhiên, ở đây sử dụng suốt chỉ với 5 chốt ở cả hai bên.

Đối với băng Barrier, băng keo tiêu chuẩn được sử dụng có độ dày cơ bản hơn 1 mil (Thường là 2 mil). Trong các hoạt động liên quan đến khai thác, cắt kéo được sử dụng để cắt băng cho độ rộng hoàn hảo. Dây đồng được mua từ các máy biến áp cũ và nó cũng có thể được mua từ các cửa hàng địa phương. Lõi và suốt chỉ mà tôi đang sử dụng được hiển thị bên dưới

Bước 1: Thêm thuốc hàn vào chốt thứ 1 và thứ 5 trên mặt chính. Hàn dây 32 AWG ở chân 5 và chiều quấn là chiều kim đồng hồ. Tiếp tục cho đến hết 103 lượt như hình dưới đây

Điều này tạo thành phía chính của máy biến áp của chúng tôi, sau khi hoàn thành 103 vòng cuộn dây, máy biến áp của tôi trông giống như bên dưới.

Bước 2: Dán băng keo vào mục đích cách nhiệt, cần 3 lượt băng keo. Nó cũng giúp giữ cuộn dây ở vị trí.

Bước 3: Bắt đầu cuộn thứ cấp từ chốt 9 và 10. Mặt thứ cấp được làm bằng hai sợi dây đồng tráng men 25AWG. Hàn một dây đồng vào chốt 9 và một dây khác vào chốt 10. Chiều quấn lại theo chiều kim đồng hồ. Tiếp tục cho đến 5 lượt và hàn các đầu cuối trên chốt 5 và 6. Thêm băng cách điện bằng cách dán băng keo như trước.

Khi cả cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp được thực hiện và băng keo đã được sử dụng, máy biến áp của tôi trông giống như hình dưới đây

Bước 4: Bây giờ chúng ta có thể cố định chặt hai lõi bằng cách sử dụng băng keo. Sau khi hoàn thành, biến áp hoàn thành sẽ giống như bên dưới.

Bước 5: Cũng nhớ quấn các cuộn băng keo cạnh nhau. Điều này sẽ làm giảm rung động trong quá trình truyền từ thông mật độ cao.

Sau khi các bước trên được thực hiện và máy biến áp được thử nghiệm bằng đồng hồ LCR như hình dưới đây. Máy đo đang hiển thị độ tự cảm 1,125 mH hoặc 1125 uh.

Xây dựng mạch SMPS:

Khi máy biến áp đã sẵn sàng, chúng ta có thể tiến hành lắp ráp các thành phần khác trên bảng chấm. Các thông số kỹ thuật cần thiết cho mạch có thể được tìm thấy trong danh sách Bill of material bên dưới

Chi tiết phần BOM cho mạch 5V 2A SMPS

Sau khi các thành phần được hàn, bảng mạch của tôi trông giống như thế này.

Kiểm tra mạch 5V 2A 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. Điện áp đầu ra ở 85VAC và 230VAC được hiển thị trong hình dưới đây-

Như bạn có thể thấy trong cả hai trường hợp, điện áp đầu ra được duy trì ở mức 5V. Nhưng sau đó tôi kết nối đầu ra với phạm vi của mình và kiểm tra các gợn sóng. Phép đo gợn sóng được hiển thị bên dưới

Ripple đầu ra khá cao, nó cho thấy đầu ra gợn sóng pk-pk 150mV. Điều này hoàn toàn không tốt cho mạch cung cấp điện. Dựa trên phân tích, độ gợn sóng cao là do các yếu tố dưới đây-

Thiết kế PCB không phù hợp.
Sự cố nảy mặt đất.
Bộ tản nhiệt PCB không phù hợp.
Không có đường dây cung cấp ồn ào.
Tăng dung sai trên máy biến áp do quấn tay. Các nhà sản xuất máy biến áp bôi dầu bóng trong suốt cuộn dây của máy để máy biến áp ổn định hơn.

Nếu mạch được chuyển đổi thành PCB thích hợp, chúng ta có thể mong đợi đầu ra gợn sóng của nguồn điện trong phạm vi 50mV pk-pk ngay cả với máy biến áp cuộn dây bằng tay. Tuy nhiên, vì veroboard không phải là một lựa chọn an toàn để tạo nguồn điện từ chế độ chuyển đổi trong miền AC sang DC, người ta liên tục đề xuất rằng PCB thích hợp phải được thiết lập trước khi áp dụng các mạch điện áp cao trong các tình huống thực tế. Bạn có thể xem video ở cuối trang này để kiểm tra cách mạch hoạt động trong điều kiện tải.

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 hoặc sử dụng diễn đàn của chúng tôi để có thêm câu hỏi.