การออกแบบวงจรจ่ายไฟ 12V 1a โดยใช้ viper22a

วงจรแหล่งจ่ายไฟสลับโหมด (SMPS) มักจำเป็นในการออกแบบอิเล็กทรอนิกส์จำนวนมากเพื่อแปลงแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับเป็นระดับแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงที่เหมาะสมสำหรับอุปกรณ์ในการทำงาน ตัวแปลง AC-DC ประเภทนี้ใช้แรงดันไฟเมน 230V / 110V AC เป็นอินพุตและแปลงเป็นแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงระดับต่ำโดยการสลับดังนั้นแหล่งจ่ายไฟโหมดสวิตช์ชื่อ เราได้สร้างวงจร SMPS ไว้ก่อนหน้านี้แล้วเช่นวงจร 5V 2A SMPS และวงจร 12V 1A TNY268 SMPS เรายังสร้างหม้อแปลง SMPS ของเราเองซึ่งสามารถใช้ในการออกแบบ SMPS ของเราพร้อมกับ IC ไดรเวอร์ ในโครงการนี้เราจะสร้างวงจร SMPS 12V 1Aอีกวงจรโดยใช้ VIPer22A ซึ่งเป็น IC ไดรเวอร์ SMPS ราคาประหยัดยอดนิยมจาก STMicroelectronics บทช่วยสอนนี้จะนำคุณไปสู่วงจรที่สมบูรณ์และจะอธิบายด้วยวิธีการสร้างหม้อแปลงของคุณเองสำหรับวงจร VIPER น่าสนใจมาเริ่มกันเลย

ข้อมูลจำเพาะการออกแบบพาวเวอร์ซัพพลาย VIPer22A

เช่นเดียวกับโครงการที่ใช้ SMPS ก่อนหน้านี้แหล่งจ่ายไฟประเภทต่างๆจะทำงานในสภาพแวดล้อมที่แตกต่างกันและทำงานในขอบเขตอินพุตเอาต์พุตเฉพาะ SMPS นี้ยังมีข้อกำหนด ดังนั้นจึงต้องมีการวิเคราะห์คุณสมบัติที่เหมาะสมก่อนที่จะดำเนินการออกแบบจริง

ข้อกำหนดการป้อนข้อมูล:นี่จะเป็น SMPS ในโดเมนการแปลง AC เป็น DC ดังนั้นอินพุตจะเป็น AC ในโครงการนี้แรงดันไฟฟ้าขาเข้าจะคงที่ เป็นไปตามระดับแรงดันไฟฟ้ามาตรฐานยุโรป ดังนั้นแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับอินพุตของ SMPS นี้จะเป็น 220-240VAC นอกจากนี้ยังเป็นพิกัดแรงดันไฟฟ้ามาตรฐานของอินเดีย

สเปคเอาท์พุท:แรงดันเอาท์พุทจะถูกเลือกเป็น12V กับ 1A ของการจัดอันดับในปัจจุบันดังนั้นมันจะเป็นเอาท์พุท 12Wตั้งแต่ SMPS นี้จะช่วยให้แรงดันคงที่โดยไม่คำนึงถึงภาระในปัจจุบันก็จะทำงานในโหมด CV (แรงดันคงที่)นอกจากนี้แรงดันไฟฟ้าขาออกจะคงที่และคงที่ที่แรงดันไฟฟ้าขาเข้าต่ำสุดพร้อมโหลดสูงสุด (2A) ทั่วทั้งเอาต์พุต

เอาท์พุทแรงดันกระเพื่อม:มันเป็นที่ต้องการอย่างมากที่แหล่งจ่ายไฟที่ดีมีแรงดันกระเพื่อมของน้อยกว่า 30mV PK-PK แรงดันไฟฟ้าระลอกเป้าหมายจะเหมือนกันสำหรับ SMPS นี้น้อยกว่า 30mV pk-pk ripple อย่างไรก็ตามการกระเพื่อมของเอาต์พุต SMPS นั้นขึ้นอยู่กับโครงสร้าง SMPS เป็นอย่างมากใช้ PCB และประเภทของตัวเก็บประจุ เราใช้ตัวเก็บประจุ ESR ต่ำที่มีพิกัด 105 องศาจากWurth Electronicsและการกระเพื่อมของเอาต์พุตที่คาดไว้จะต่ำกว่า

วงจรป้องกัน:มีวงจรป้องกันต่างๆที่สามารถใช้ใน SMPS เพื่อการทำงานที่ปลอดภัยและเชื่อถือได้ วงจรป้องกันจะปกป้อง SMPS รวมทั้งโหลดที่เกี่ยวข้อง วงจรป้องกันสามารถเชื่อมต่อผ่านอินพุตหรือเอาต์พุตได้ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับประเภท สำหรับ SMPS นี้ การป้องกันไฟกระชากอินพุต จะใช้กับแรงดันไฟฟ้าอินพุตสูงสุด 275VAC นอกจากนี้เพื่อจัดการกับปัญหา EMI ตัวกรองโหมดทั่วไป จะถูกใช้เพื่อลบ EMI ที่สร้างขึ้น ในด้านขาออกที่เราจะรวมถึง การป้องกันการลัดวงจร, การป้องกันมากกว่าแรงดันไฟฟ้าและ การป้องกันมากกว่าปัจจุบัน

การเลือก IC ไดรเวอร์ SMPS

ทุกวงจร SMPS ต้องใช้ IC การจัดการพลังงานหรือที่เรียกว่าสวิตชิ่ง IC หรือ SMPS IC หรือไอซีแบบแห้ง มาสรุปข้อควรพิจารณาในการออกแบบเพื่อเลือก IC การจัดการพลังงานที่เหมาะสมกับการออกแบบของเรา ข้อกำหนดการออกแบบของเราคือ

1. เอาต์พุต 12W 12V 1A ที่โหลดเต็มที่
2. คะแนนอินพุตมาตรฐานยุโรป 85-265VAC ที่ 50Hz
3. การป้องกันไฟกระชาก แรงดันไฟฟ้าสูงสุด 275VAC
4. เอาต์พุตลัดวงจรการป้องกันแรงดันเกินและกระแสเกิน
5. การทำงานของแรงดันไฟฟ้าคงที่

จากข้อกำหนดข้างต้นมี IC ให้เลือกมากมาย แต่สำหรับโครงการนี้เราได้เลือกไดรเวอร์ไฟฟ้าVIPer22Aจาก STMicroelectronics เป็น IC ไดรเวอร์พลังงานต้นทุนต่ำมากจาก STMicroelectronics

ในภาพด้านบนจะแสดงระดับพลังงานโดยทั่วไปของVIPer22A IC อย่างไรก็ตามไม่มีส่วนที่ระบุสำหรับข้อกำหนดเอาต์พุตกำลังไฟประเภทเฟรมเปิดหรืออะแด็ปเตอร์ เราจะสร้างSMPS ในเฟรมเปิดและสำหรับการจัดอันดับอินพุตของยุโรป ในส่วนดังกล่าว VIPer22A สามารถให้เอาต์พุต 20W เราจะใช้สำหรับเอาต์พุต 12W pinout VIPer22A ICจะได้รับในภาพด้านล่าง

การออกแบบวงจรจ่ายไฟ VIPer22A

วิธีที่ดีที่สุดในการสร้างวงจรโดยใช้ซอฟแวร์การออกแบบเพาเวอร์ซัพพลายคุณสามารถดาวน์โหลด VIPer Design Software เวอร์ชัน 2.24 เพื่อใช้ VIPer22A ซึ่งซอฟต์แวร์เวอร์ชันล่าสุดนี้ไม่รองรับ VIPer22A อีกต่อไป เป็นซอฟต์แวร์ออกแบบแหล่งจ่ายไฟที่ยอดเยี่ยมจาก STMicroelectronics ด้วยการให้ข้อมูลความต้องการในการออกแบบสามารถสร้างแผนภาพวงจรแหล่งจ่ายไฟที่สมบูรณ์ได้ วงจร VIPer22Aสำหรับโครงการนี้สร้างขึ้นโดยซอฟต์แวร์ที่มีการแสดงด้านล่าง

ก่อนที่จะสร้างชิ้นส่วนต้นแบบตรงไปตรงมาลองสำรวจการทำงานของวงจร วงจรมีส่วนต่อไปนี้ -

1. ไฟกระชากและการป้องกันความผิดพลาด SMPS
2. ตัวกรองอินพุต
3. การแปลง AC-DC
4. วงจรขับหรือวงจรสวิตชิ่ง
5. วงจรหนีบ
6. แม่เหล็กและการแยกไฟฟ้า
7. ตัวกรอง EMI
8. วงจรเรียงกระแสรอง
9. ส่วนตัวกรอง
10. ส่วนข้อเสนอแนะ

ไฟกระชากและการป้องกันข้อผิดพลาด SMPS

ส่วนนี้ประกอบด้วยสององค์ประกอบ F1 และ RV1 F1 เป็นฟิวส์เป่าช้า 1A 250VAC และ RV1 คือ 7mm 275V MOV (Metal Oxide Varistor) ในระหว่างที่ไฟกระชากแรงดันสูง (มากกว่า 275VAC) MOV เกิดชอร์ตและระเบิดฟิวส์อินพุต อย่างไรก็ตามเนื่องจากคุณสมบัติการเป่าช้าฟิวส์จึงทนทานต่อกระแสไฟเข้าผ่าน SMPS

ตัวกรองอินพุต

C3 ตัวเก็บประจุเป็นตัวเก็บประจุ 250VAC บรรทัดกรอง เป็นตัวเก็บประจุชนิด X คล้ายกับที่เราใช้ในการออกแบบวงจรจ่ายไฟน้อยกว่าของหม้อแปลง

การแปลง AC-DC

การแปลง AC DC ทำได้โดยใช้ DB107 full bridge rectifier diode เป็นไดโอดเรียงกระแสพิกัด 1000V 1A การกรองทำได้โดยใช้ตัวเก็บประจุ 22uF 400V อย่างไรก็ตามในระหว่างต้นแบบนี้เราใช้ตัวเก็บประจุที่มีค่ามาก แทนที่จะเป็น 22uF เราใช้ตัวเก็บประจุ 82uF เนื่องจากความพร้อมของตัวเก็บประจุ ตัวเก็บประจุที่มีมูลค่าสูงดังกล่าวไม่จำเป็นสำหรับการทำงานของวงจร 22uF 400V เพียงพอสำหรับการให้คะแนนเอาต์พุต 12W

วงจรขับหรือวงจรสวิตชิ่ง

VIPer22A ต้องการพลังงานจากขดลวดอคติของหม้อแปลง หลังจากได้รับแรงดันไบแอส VIPer จะเริ่มสลับหม้อแปลงโดยใช้มอสเฟ็ทแรงดันสูงในตัว D3 ถูกนำมาใช้สำหรับการแปลงอคติเอาท์พุท AC กับ DC และ R1, 10 โอห์มต้านทานจะใช้สำหรับการควบคุมการไหลเข้าปัจจุบันตัวเก็บประจุฟิลเตอร์คือ 4.7uF 50V สำหรับปรับระลอกคลื่นกระแสตรงให้เรียบขึ้น

วงจรหนีบ

หม้อแปลงทำหน้าที่เป็นตัวเหนี่ยวนำขนาดใหญ่ใน IC ขับกำลัง VIPer22 ดังนั้นในระหว่างการปิดวงจรหม้อแปลงจะสร้างแรงดันไฟฟ้าสูงขึ้นเนื่องจากการเหนี่ยวนำไฟฟ้ารั่วของหม้อแปลง เดือยแรงดันไฟฟ้าความถี่สูงเหล่านี้เป็นอันตรายต่อ IC ตัวขับกำลังและอาจทำให้วงจรสวิตชิ่งล้มเหลว ดังนั้นสิ่งนี้จะต้องถูกระงับโดยแคลมป์ไดโอดข้ามหม้อแปลง D1 และ D2 ใช้สำหรับวงจรแคลมป์ D1 เป็นไดโอด TVSและ D2 เป็นไดโอดการกู้คืนที่รวดเร็วD1 ใช้สำหรับจับแรงดันไฟฟ้าในขณะที่ D2 ใช้เป็นไดโอดปิดกั้น ตามการออกแบบแรงดันไฟฟ้าหนีบเป้าหมาย (VCLAMP) คือ 200V ดังนั้นP6KE200A ถูกเลือกและสำหรับปัญหาที่เกี่ยวข้องกับการบล็อกที่รวดเร็วเป็นพิเศษ UF4007 ถูกเลือกเป็น D2

แม่เหล็กและการแยกไฟฟ้า

หม้อแปลงไฟฟ้าเป็นหม้อแปลงไฟฟ้าและไม่เพียง แต่แปลงไฟฟ้ากระแสสลับแรงสูงให้เป็นไฟฟ้ากระแสสลับแรงดันต่ำเท่านั้น มีสามคำสั่งที่คดเคี้ยว หลักขดลวดเสริมหรืออคติและขดลวดทุติยภูมิ

ตัวกรอง EMI

การกรอง EMI ทำได้โดยตัวเก็บประจุ C4 เป็นการเพิ่มภูมิคุ้มกันของวงจรเพื่อลดสัญญาณรบกวน EMI ที่สูง เป็นตัวเก็บประจุ Y-Class ที่มีแรงดันไฟฟ้า 2kV

วงจรเรียงกระแสทุติยภูมิและวงจรดูแคลน

เอาต์พุตจากหม้อแปลงจะถูกแก้ไขและแปลงเป็น DC โดยใช้ D6 ซึ่งเป็นไดโอดเรียงกระแส Schottky เนื่องจากกระแสเอาต์พุตคือ 2A จึงเลือกไดโอด 3A 60V เพื่อจุดประสงค์นี้ SB360 คือไดโอด Schottky ที่ได้รับการจัดอันดับ 3A 60V

ส่วนตัวกรอง

C6 คือตัวเก็บประจุตัวกรอง เป็นตัวเก็บประจุ ESR ต่ำเพื่อการปฏิเสธการกระเพื่อมที่ดีขึ้น นอกจากนี้ยังใช้ตัวกรองหลัง LC โดยที่ L2 และ C7 ให้การปฏิเสธระลอกคลื่นที่ดีกว่าในเอาต์พุต

ส่วนข้อเสนอแนะ

แรงดันไฟฟ้าขาออกตรวจจับได้โดย U3 TL431และ R6 และ R7 หลังจากตรวจจับเส้นแล้ว U2 ออปโตคัปเปลอร์จะถูกควบคุมและแยกส่วนการตรวจจับการตอบสนองทุติยภูมิออกด้วยตัวควบคุมด้านหลัก PC817เป็น Optocoupler มีสองด้านคือทรานซิสเตอร์และ LED อยู่ข้างใน โดยการควบคุม LED ทรานซิสเตอร์จะถูกควบคุม เนื่องจากการสื่อสารทำโดยออปติกจึงไม่มีการเชื่อมต่อทางไฟฟ้าโดยตรงดังนั้นจึงเป็นไปตามการแยกกระแสไฟฟ้าในวงจรป้อนกลับด้วย

ตอนนี้เนื่องจาก LED ควบคุมทรานซิสเตอร์โดยตรงด้วยการให้ไบแอสที่เพียงพอทั่วทั้ง Optocoupler LED จึงสามารถควบคุม ทรานซิสเตอร์ Optocoupler ได้โดยเฉพาะวงจรไดรเวอร์ ระบบควบคุมนี้ใช้โดย TL431 ตัวควบคุมการปัด เนื่องจากตัวควบคุม shunt มีตัวแบ่งตัวต้านทานข้ามขาอ้างอิงจึงสามารถควบคุม Optocoupler led ที่เชื่อมต่ออยู่ พินข้อเสนอแนะมี แรงดันไฟฟ้าอ้างอิง 2.5V. ดังนั้น TL431 จะทำงานได้ก็ต่อเมื่อแรงดันไฟฟ้าทั่วตัวแบ่งเพียงพอ ในกรณีของเราตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้าถูกตั้งค่าเป็น 5V ดังนั้นเมื่อเอาต์พุตถึง 5V TL431 จะได้รับ 2.5V จากพินอ้างอิงดังนั้นจึงเปิดใช้งาน LED ของ Optocoupler ซึ่งควบคุมทรานซิสเตอร์ของ Optocoupler และควบคุม TNY268PN ทางอ้อม หากแรงดันไฟฟ้าไม่เพียงพอในเอาต์พุตวงจรสวิตชิ่งจะถูกระงับทันที

ขั้นแรก TNY268PN เปิดใช้งานรอบแรกของการสลับจากนั้นตรวจจับพิน EN หากทุกอย่างเรียบร้อยก็จะทำการสลับต่อไปหากไม่เป็นเช่นนั้นจะลองอีกครั้งในภายหลัง ลูปนี้จะดำเนินต่อไปจนกว่าทุกอย่างจะเป็นปกติดังนั้นจึงป้องกันปัญหาไฟฟ้าลัดวงจรหรือแรงดันไฟฟ้าเกิน นี่คือเหตุผลที่เรียกว่า โครงสร้างแบบฟลายแบ็คเนื่องจากแรงดันไฟฟ้าขาออกจะบินกลับไปที่ไดรเวอร์เพื่อตรวจจับการทำงานที่เกี่ยวข้อง นอกจากนี้การวนซ้ำที่พยายามเรียกว่าโหมดการทำงานของการสะอึกในสภาวะความล้มเหลว

การสร้าง Switching Transformer สำหรับวงจร VIPER22ASMPS

มาดูแผนภาพการสร้างหม้อแปลงที่สร้างขึ้น แผนภาพนี้ได้มาจากซอฟต์แวร์การออกแบบแหล่งจ่ายไฟที่เรากล่าวถึงก่อนหน้านี้

Core คือE25 / 13/7โดยมีช่องว่างอากาศ0.36 มม. เหนี่ยวนำหลักคือ1mHสำหรับการสร้างหม้อแปลงนี้จำเป็นต้องมีสิ่งต่อไปนี้ หากคุณยังใหม่กับการสร้างหม้อแปลงโปรดอ่านบทความเกี่ยวกับวิธีสร้างหม้อแปลง SMPS ของคุณเอง

1. เทปโพลีเอสเตอร์
2. E25 / 13/7 Core ที่มีช่องว่างอากาศ 0.36 มม.
3. ลวดทองแดง 30 AWG
4. ลวดทองแดง 43 AWG (เราใช้ 36 AWG เนื่องจากไม่พร้อมใช้งาน)
5. 23 AWG (เราใช้ 36 AWG ด้วยสำหรับอันนี้)
6. Bobbin แนวนอนหรือแนวตั้ง (เราใช้ Bobbin แนวนอน)
7. ปากกาสำหรับจับ Bobbin ระหว่างการม้วน

ขั้นตอนที่ 1:จับแกนโดยใช้ปากกาเริ่มลวดทองแดง 30 AWGจากพิน 3 ของกระสวยและต่อ 133 หมุนตามเข็มนาฬิกาไปที่พิน 1 ใช้เทปโพลีเอสเตอร์ 3 ชั้น

ขั้นตอนที่ 2:เริ่มการพันไบอัสโดยใช้ลวดทองแดง 43 AWGจากพิน 4 และไปที่ 31 รอบและสิ้นสุดการพันที่พิน 5 ใช้เทปโพลีเอสเตอร์ 3 ชั้น

เริ่มการพันไบอัสโดยใช้ลวดทองแดง 43 AWG จากพิน 4 และไปที่ 31 รอบและสิ้นสุดการพันที่พิน 5 ใช้เทปโพลีเอสเตอร์ 3 ชั้น

ขั้นตอนที่ 3:เริ่มขดลวดทุติยภูมิจากพิน 10 และหมุนตามเข็มนาฬิกาต่อไปที่ 21 รอบ ใช้เทปโพลีเอสเตอร์ 4 ชั้น

ขั้นตอนที่ 4:ยึดแกนที่มีช่องว่างโดยใช้เทปพันสายไฟด้านข้าง ซึ่งจะช่วยลดการสั่นสะเทือนระหว่างการถ่ายเทฟลักซ์ความหนาแน่นสูง

เมื่อสร้างเสร็จแล้วหม้อแปลงจะถูกทดสอบด้วยเครื่องวัด LCR ​​เพื่อวัดค่าความเหนี่ยวนำของขดลวด มิเตอร์กำลังแสดง 913 mH ซึ่งใกล้เคียงกับตัวเหนี่ยวนำหลัก 1mH

การสร้างวงจร VIPer22A SMPS:

ด้วยการตรวจสอบการจัดอันดับของหม้อแปลงเราสามารถดำเนินการบัดกรีส่วนประกอบทั้งหมดบนบอร์ด Vero ได้ตามที่ระบุในแผนภาพวงจร บอร์ดของฉันเมื่องานบัดกรีเสร็จแล้วจะมีลักษณะดังนี้ด้านล่าง

การทดสอบวงจร VIPer22A สำหรับ SMPS 12V 1A:

ในการทดสอบวงจรฉันเชื่อมต่อด้านอินพุตกับแหล่งจ่ายไฟหลักผ่านVARIACเพื่อควบคุมแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับอินพุต ในภาพด้านล่างแสดงแรงดันเอาต์พุตที่ 225VAC

ดังที่คุณเห็นที่ด้านเอาต์พุตเราได้รับ 12.12V ซึ่งใกล้เคียงกับแรงดันเอาต์พุต 12V ที่ต้องการ การทำงานที่สมบูรณ์จะแสดงในวิดีโอที่แนบมาที่ด้านล่างของหน้านี้ หวังว่าคุณเข้าใจกวดวิชาและเรียนรู้วิธีการสร้างวงจร SMPS ของคุณเองกับหม้อแปลงที่ทำด้วยมือ หากคุณมีคำถามใด ๆ ทิ้งไว้ในส่วนความคิดเห็นด้านล่าง