Comment concevoir un circuit d'alimentation smps 5v 2a

Le bloc d'alimentation (PSU) est un élément essentiel dans toute conception de produit électronique. La plupart des produits électroniques ménagers tels que les chargeurs mobiles, les haut-parleurs Bluetooth, les batteries externes, les montres intelligentes, etc. nécessitent un circuit d'alimentation qui pourrait convertir l'alimentation secteur en 5 V CC pour les faire fonctionner. Dans ce projet, nous allons construire un circuit d'alimentation AC à DC similaire avec une puissance nominale de 10 W. C'est notre circuit qui convertira le secteur 220V AC en 5V et fournira un courant de sortie maximal jusqu'à 2A. Cette puissance devrait être suffisante pour alimenter la plupart des produits électroniques fonctionnant sur 5V. Le circuit SMPS 5V 2A est également très populaire dans l'électronique car il existe de nombreux microcontrôleurs qui fonctionnent sur 5V.

L'idée du projet est de garder la construction aussi simple que possible, c'est pourquoi nous allons concevoir le circuit complet sur une carte en pointillé (carte de performance) et construire également notre propre transformateur afin que n'importe qui puisse reproduire cette conception ou en construire des similaires. Excité à droite! Alors, commençons. Auparavant, nous avons également construit un circuit SMPS 12V 15W à l'aide d'un PCB, afin que les personnes intéressées par la conception d'un PCB pour un projet PSU (bloc d'alimentation) puissent également le vérifier.

Circuit SMPS 5V 2A - Spécifications de conception

Différentes variétés d'alimentation électrique se comportent différemment dans différents environnements. En outre, SMPS fonctionne dans des limites d'entrée-sortie spécifiques. Une analyse appropriée des spécifications doit être effectuée avant d'aller de l'avant avec la conception réelle.

Spécification d'entrée:

Ce sera un SMPS dans le domaine de conversion AC vers DC. Par conséquent, l'entrée sera AC. Pour la valeur de la tension d'entrée, il est bon d'utiliser une valeur d'entrée universelle pour le SMPS. Ainsi, la tension alternative sera de 85-265VAC avec une valeur nominale de 50Hz. De cette façon, le SMPS peut être utilisé dans n'importe quel pays, quelle que soit la valeur de la tension secteur CA.

Spécification de sortie:

La tension de sortie est sélectionnée comme 5V avec 2A du courant nominal. Ainsi, ce sera une sortie de 10W. Comme ce SMPS fournira une tension constante quel que soit le courant de charge, il fonctionnera en mode CV (tension constante). Cette tension de sortie de 5V doit être constante et stable même à la tension d'entrée la plus basse pendant une charge maximale (2A) sur la sortie.

Il est fortement souhaitable qu'une bonne unité d'alimentation ait une tension d'ondulation inférieure à 30 mV pk-pk. La tension d'ondulation ciblée pour ce SMPS est inférieure à 30 mV d'ondulation crête à crête. Étant donné que ce SMPS sera construit en veroboard à l'aide d'un transformateur de commutation fait à la main, nous pouvons nous attendre à des valeurs d'ondulation légèrement plus élevées. Ce problème peut être évité en utilisant un PCB.

Fonctions de protection:

Il existe différents circuits de protection qui peuvent être utilisés dans un SMPS pour un fonctionnement sûr et fiable. Le circuit de protection protège le SMPS ainsi que la charge associée. Selon le type, le circuit de protection peut être connecté à l'entrée ou à la sortie.

Pour ce SMPS, la protection contre les surtensions d'entrée sera utilisée avec une tension d'entrée de fonctionnement maximale de 275VAC. En outre, pour traiter les problèmes EMI, un filtre de mode commun sera utilisé pour masquer l'EMI généré. Du côté de la sortie, nous inclurons les courts-circuits, protection contre les surtensions et protection contre les surintensités.

Sélection du circuit intégré de gestion de l'alimentation

Chaque circuit SMPS nécessite un IC de gestion de l'alimentation également appelé IC de commutation ou IC SMPS ou IC plus sec. Résumons les considérations de conception pour sélectionner le CI de gestion de l'alimentation idéal qui conviendra à notre conception. Nos exigences de conception sont

1. Sortie 10W. 5V 2A à pleine charge.
2. Puissance d'entrée universelle. 85-265VAC à 50Hz
3. Protection contre les surtensions d'entrée. Tension d'entrée maximale 275VAC.
4. Protection contre les courts-circuits, les surtensions et les surintensités de sortie.
5. Opérations à tension constante.

Parmi les exigences ci-dessus, vous avez le choix entre une large gamme de circuits intégrés, mais pour ce projet, nous avons sélectionné l' intégration d'alimentation. Power Integration est une société de semi-conducteurs qui propose une large gamme de circuits intégrés de commande d'alimentation dans diverses plages de puissance de sortie. Sur la base des exigences et de la disponibilité, nous avons décidé d'utiliser le TNY268PN de petites familles de commutateurs II. Nous avons précédemment utilisé ce circuit intégré pour construire un circuit SMPS 12V sur un PCB.

Dans l'image ci-dessus, la puissance maximale 15W est indiquée. Cependant, nous fabriquerons le SMPS dans le cadre ouvert et pour la valeur d'entrée universelle. Dans un tel segment, TNY268PN pourrait fournir une sortie de 15 W. Voyons le diagramme des broches.

Conception du circuit SMPS 5v 2Amp

La meilleure façon de construire le schéma SMPS 5V 2A est d'utiliser le logiciel PI expert de Power Integration. Téléchargez le logiciel PI expert et utilisez la version 8.6. C'est un excellent logiciel de conception d'alimentation. Le circuit illustré ci-dessous est construit à l'aide du logiciel PI expert de Power Integration. Si vous êtes nouveau dans ce logiciel, vous pouvez vous référer à la section de conception de ce circuit SMPS 12V pour comprendre comment utiliser le logiciel.

Avant de commencer directement à construire la pièce prototype, explorons le schéma de circuit SMPS 5v 2A et son fonctionnement.

Le circuit comprend les sections suivantes:

1. Protection contre les surtensions d'entrée et les défauts SMPS
2. Conversion AC-DC
3. Filtre PI
4. Circuit de pilote ou circuit de commutation
5. Protection de verrouillage de sous-tension.
6. Circuit de serrage.
7. Isolation magnétique et galvanique.
8. Filtre EMI
9. Redresseur secondaire et circuit d'amortissement
10. Section Filtre
11. Section de rétroaction.

Protection contre les surtensions d'entrée et les défauts SMPS:

Cette section se compose de deux composants, F1 et RV1. F1 est un fusible à fusion lente 1A 250VAC et RV1 est un MOV (varistance à oxyde métallique) de 7 mm 275V. Pendant une surtension (plus de 275VAC), le MOV est devenu un court-circuit et fait sauter le fusible d'entrée. Cependant, en raison de la fonction de fusion lente, le fusible résiste au courant d'appel à travers le SMPS.

Conversion AC-DC:

Cette section est régie par le pont de diodes. Ces quatre diodes (à l'intérieur du DB107) forment un pont redresseur complet. Les diodes sont 1N4006, mais la norme 1N4007 peut parfaitement faire le travail. Dans ce projet, ces quatre diodes sont remplacées par un redresseur en pont complet DB107.

Filtre PI:

Différents états ont une norme de rejet EMI différente. Cette conception confirme la norme EN61000-Classe 3 et le filtre PI est conçu de manière à réduire le rejet EMI en mode commun. Cette section est créée à l'aide de C1, C2 et L1. C1 et C2 sont des condensateurs 400V 18uF. C'est une valeur impaire, donc 22uF 400V est sélectionné pour cette application. La L1 est une self de mode commun qui prend un signal EMI différentiel pour annuler les deux.

Circuit de pilote ou circuit de commutation:

C'est le cœur d'un SMPS. Le côté primaire du transformateur est contrôlé par le circuit de commutation TNY268PN. La fréquence de commutation est de 120 à 132 kHz. En raison de cette fréquence de commutation élevée, des transformateurs plus petits peuvent être utilisés. Le circuit de commutation a deux composants, U1 et le C3. U1 est le pilote principal IC TNY268PN. Le C3 est le condensateur de dérivation nécessaire au fonctionnement de notre circuit intégré de pilotage.

Protection de verrouillage de sous-tension:

La protection contre les sous-tensions est assurée par la résistance de détection R1 et R2. Il est utilisé lorsque le SMPS passe en mode de redémarrage automatique et détecte la tension secteur. La valeur de R1 et R2 est générée via l' outil PI Expert. Deux résistances en série constituent une mesure de sécurité et une bonne pratique pour éviter les problèmes de défaillance de résistance. Ainsi, au lieu de 2M, deux résistances de 1M sont utilisées dans la série.

Circuit de serrage:

D1 et D2 sont le circuit de serrage. D1 est la diode TVS et D2 est une diode de récupération ultra-rapide. Le transformateur agit comme une énorme inductance à travers le circuit intégré de commande d'alimentation TNY268PN. Par conséquent, pendant le cycle d'arrêt, le transformateur crée des pics de tension élevés en raison de l' inductance de fuite du transformateur. Ces pointes de tension haute fréquence sont supprimées par la pince de diode à travers le transformateur. UF4007 est sélectionné en raison de la récupération ultra-rapide et P6KE200A est sélectionné pour le fonctionnement du TVS. Conformément à la conception, la tension de serrage ciblée (VCLAMP) est de 200 V. Par conséquent, P6KE200A est sélectionné et pour les problèmes liés au blocage ultra-rapide, UF4007 est sélectionné comme D2.

Isolation magnétique et galvanique:

Le transformateur est un transformateur ferromagnétique et il convertit non seulement le courant alternatif haute tension en courant alternatif basse tension, mais il fournit également une isolation galvanique.

Filtre EMI:

Le filtrage EMI est effectué par le condensateur C4. Il augmente l'immunité du circuit pour réduire les interférences EMI élevées. Il s'agit d'un condensateur de classe Y avec une tension nominale de 2 kV.

Redresseur secondaire et circuit d'amortisseur:

La sortie du transformateur est redressée et convertie en courant continu à l'aide de D6, une diode de redressement Schottky. Le circuit d'amortissement aux bornes du D6 supprime le transitoire de tension pendant les opérations de commutation. Le circuit d'amortissement se compose d'une résistance et d'un condensateur, R3 et C5.

Section de filtre:

La section de filtre est constituée d'un condensateur de filtrage C6. Il s'agit d'un condensateur à faible ESR pour un meilleur rejet des ondulations. De plus, un filtre LC utilisant L2 et C7 offre un meilleur rejet d'ondulation sur la sortie.

Section de commentaires:

La tension de sortie est détectée par les U3 TL431 et R6 et R7. Après avoir détecté la ligne U2, l' optocoupleur est commandé et isole galvaniquement la partie de détection de rétroaction secondaire avec le contrôleur côté primaire. L'optocoupleur a un transistor et une LED à l'intérieur. En contrôlant la LED, le transistor est contrôlé. Comme la communication se fait par voie optique, elle n'a pas de connexion électrique directe, satisfaisant donc également l'isolation galvanique sur le circuit de retour.

Maintenant, comme la LED contrôle directement le transistor, en fournissant une polarisation suffisante à travers la LED de l'optocoupleur, on peut contrôler le transistor optocoupleur, plus spécifiquement le circuit de pilotage. Ce système de contrôle est utilisé par le TL431. Un régulateur shunt. Comme le régulateur shunt a un diviseur de résistance sur sa broche de référence, il peut contrôler la led de l'optocoupleur qui est connectée à travers elle. La broche de rétroaction a une tension de référence de 2,5 V. Par conséquent, le TL431 ne peut être actif que si la tension aux bornes du diviseur est suffisante. Dans notre cas, le diviseur de tension est réglé sur une valeur de 5V. Par conséquent, lorsque la sortie atteint 5V, le TL431 obtient 2,5V à travers la broche de référence et active ainsi la LED de l'optocoupleur qui contrôle le transistor de l'optocoupleur et contrôle indirectement le TNY268PN. Si la tension n'est pas suffisante aux bornes de la sortie, le cycle de commutation est immédiatement suspendu.

Tout d'abord, le TNY268PN active le premier cycle de commutation puis détecte sa broche EN. Si tout va bien, il continuera la commutation, sinon, il réessaiera après un certain temps. Cette boucle se poursuit jusqu'à ce que tout redevienne normal, évitant ainsi les problèmes de court-circuit ou de surtension. C'est pourquoi on l'appelle topologie flyback, car la tension de sortie est renvoyée au pilote pour détecter les opérations associées. En outre, la boucle d'essai est appelée un mode de fonctionnement de hoquet en cas d'échec.

Le D3 est une diode barrière Schottky. Cette diode convertit la sortie CA haute fréquence en CC. La diode Schottky 3A 60V est sélectionnée pour un fonctionnement fiable. R4 et R5 sont sélectionnés et calculés par PI Expert. Il crée un diviseur de tension et transmet le courant à la LED de l'optocoupleur du TL431.

R6 et R7 sont un simple diviseur de tension calculé par la formule TL431 REF voltage = (Vout x R7) / R6 + R7. La tension de référence est de 2,5 V et la Vout est de 12 V. En sélectionnant la valeur de R6 23,7k, le R7 est devenu 9,09k environ.

Construire un transformateur de commutation pour notre circuit SMPS

Normalement, pour un circuit SMPS, un transformateur de commutation sera nécessaire, ces transformateurs peuvent être achetés auprès des fabricants de transformateurs en fonction de vos exigences de conception. Mais le problème ici est que si vous apprenez à construire un prototype, vous ne pouvez pas trouver le transformateur exact sur les étagères pour votre conception. Nous allons donc apprendre à construire un transformateur de commutation basé sur les exigences de conception données par notre logiciel PI expert.

Voyons le diagramme de construction du transformateur généré.

Comme l'indique l'image ci-dessus, nous devons effectuer 103 tours de fil unique 32 AWG sur le côté primaire et 5 tours de deux fils 25 AWG sur le côté secondaire.

Dans l'image ci-dessus, le point de départ des enroulements et la direction de l'enroulement sont décrits comme un schéma mécanique. Pour fabriquer ce transformateur, les éléments suivants sont nécessaires:

1. Noyau EE19, NC-2H ou spécification équivalente et espacé pour ALG 79 nH / T ²
2. Canette avec 5 broches sur les côtés primaire et secondaire.
3. Ruban barrière d'une épaisseur de 1 mil. Un ruban de 9 mm de large est requis.
4. Fil de cuivre émaillé enduit soudable de 32 AWG.
5. Fil de cuivre émaillé enduit soudable 25AWG.
6. Compteur LCR.

Un noyau EE19 avec NC-2H avec un noyau espacé de 79nH / T2 est requis; généralement, il est disponible par paires. La bobine est générique avec 4 broches primaires et 5 broches secondaires. Cependant, ici, une bobine avec 5 broches des deux côtés est utilisée.

Pour le ruban barrière, on utilise du ruban adhésif standard dont l'épaisseur de base est supérieure à 1 mil (généralement 2 mil). Pendant les activités liées au taraudage, des ciseaux sont utilisés pour couper le ruban pour des largeurs parfaites. Les fils de cuivre proviennent d'anciens transformateurs et peuvent également être achetés dans les magasins locaux. Le noyau et la canette que j'utilise sont indiqués ci-dessous

Étape 1: Ajoutez de la soudure dans les 1ère et 5ème broches du côté primaire. Souder le fil 32 AWG à la broche 5 et le sens d'enroulement est dans le sens des aiguilles d'une montre. Continuez jusqu'aux 103 virages comme indiqué ci-dessous

Cela forme le côté primaire de notre transformateur, une fois les 103 tours d'enroulement terminés, mon transformateur ressemblait à ceci ci-dessous.

Étape 2: Appliquez du ruban adhésif à des fins d'isolation, 3 tours de ruban adhésif sont nécessaires. Cela aide également à maintenir la bobine en position.

Étape 3: Démarrez l'enroulement secondaire à partir des broches 9 et 10. Le côté secondaire est réalisé à l'aide de deux brins de fils de cuivre émaillés 25AWG. Souder un fil de cuivre à la broche 9 et un autre à la broche 10. Le sens d'enroulement est à nouveau dans le sens des aiguilles d'une montre. Continuez jusqu'à 5 tours et soudez les extrémités sur les broches 5 et 6. Ajoutez du ruban isolant en appliquant du ruban adhésif comme avant.

Une fois que les enroulements primaire et secondaire sont terminés et que le ruban adhésif a été utilisé, mon transformateur ressemblait à celui indiqué ci-dessous

Étape 4: Maintenant, nous pouvons fixer les deux noyaux étroitement à l'aide de ruban adhésif.Une fois terminé, le transformateur terminé devrait ressembler à ceci ci-dessous.

Étape 5: Assurez-vous également d'enrouler le ruban adhésif côte à côte. Cela réduira les vibrations pendant le transfert de flux à haute densité.

Une fois les étapes ci-dessus effectuées et le transformateur testé à l'aide d'un compteur LCR, comme indiqué ci-dessous. Le compteur affiche des inductances de 1,125 mH ou 1125 uh.

Construire le circuit SMPS:

Une fois que le transformateur est prêt, nous pouvons procéder à l'assemblage des autres composants sur le tableau en pointillé. Les détails des pièces nécessaires pour le circuit peuvent être trouvés dans la liste de nomenclature ci-dessous

• Détails de la pièce BOM pour le circuit SMPS 5V 2A

Une fois les composants soudés, ma carte ressemble à ceci.

Test du circuit SMPS 5V 2A

Pour tester le circuit, j'ai connecté le côté entrée à l'alimentation secteur via un VARIAC pour contrôler la tension d'alimentation CA d'entrée. La tension de sortie à 85VAC et 230VAC est indiquée ci-dessous:

Comme vous pouvez le voir dans les deux cas, la tension de sortie est maintenue à 5V. Mais ensuite, j'ai connecté la sortie à mon oscilloscope et j'ai vérifié les ondulations. La mesure de l'ondulation est indiquée ci-dessous

L'ondulation de sortie est assez élevée, elle montre une sortie d'ondulation pk-pk de 150 mV. Ce n'est absolument pas bon pour un circuit d'alimentation. Sur la base de l'analyse, l'ondulation élevée est due aux facteurs ci-dessous:

1. Conception de PCB incorrecte.
2. Problème de rebond au sol.
3. Le dissipateur thermique du PCB est incorrect.
4. Pas de coupure sur les lignes d'alimentation bruyantes.
5. Tolérances accrues sur le transformateur grâce à l'enroulement manuel. Les fabricants de transformateurs appliquent un vernis d'immersion pendant les enroulements de la machine pour une meilleure stabilité des transformateurs.

Si le circuit est converti en un PCB approprié, nous pouvons nous attendre à la sortie d'ondulation de l'alimentation électrique à moins de 50 mV pk-pk, même avec un transformateur à enroulement manuel. Cependant, comme le veroboard n'est pas une option sûre pour effectuer une alimentation à découpage dans le domaine CA à CC, il est constamment suggéré qu'un PCB approprié soit établi avant d'appliquer des circuits haute tension dans des scénarios pratiques. Vous pouvez consulter la vidéo à la fin de cette page pour vérifier comment le circuit fonctionne dans des conditions de charge.

J'espère que vous avez compris le tutoriel et appris à construire vos propres circuits SMPS avec un transformateur fait à la main. Si vous avez des questions, laissez-les dans la section des commentaires ci-dessous ou utilisez nos forums pour plus de questions.