كيفية تصميم دائرة إمداد طاقة 5v 2a smps

تعتبر وحدة إمداد الطاقة (PSU) جزءًا حيويًا في أي تصميم منتج إلكتروني. تتطلب معظم المنتجات الإلكترونية المنزلية مثل شواحن الهاتف المحمول ومكبرات الصوت التي تعمل بالبلوتوث وبنوك الطاقة والساعات الذكية وما إلى ذلك دائرة إمداد طاقة يمكنها تحويل مصدر التيار المتردد إلى 5 فولت تيار مستمر لتشغيلها. في هذا المشروع ، سنقوم ببناء دائرة إمداد طاقة مشابهة للتيار المتردد والتيار المستمر مع تصنيف طاقة 10 وات. هذه هي دارتنا ستحول التيار الكهربائي 220 فولت إلى 5 فولت وتوفر أقصى تيار خرج يصل إلى 2 أمبير. يجب أن يكون تصنيف الطاقة هذا كافيًا لتشغيل معظم المنتجات الإلكترونية التي تعمل بجهد 5 فولت. أيضًا دائرة 5V 2A SMPS تحظى بشعبية كبيرة في مجال الإلكترونيات نظرًا لوجود الكثير من وحدات التحكم الدقيقة التي تعمل على 5V.

تتمثل فكرة المشروع في الحفاظ على التصميم بسيطًا قدر الإمكان ، ومن ثم سنقوم بتصميم الدائرة الكاملة على لوحة منقطة (لوحة مثالية) وسنقوم أيضًا ببناء المحولات الخاصة بنا حتى يتمكن أي شخص من تكرار هذا التصميم أو بناء أخرى مماثلة. متحمس حق! اذا هيا بنا نبدأ. في السابق ، قمنا أيضًا ببناء دائرة SMPS بقوة 12 فولت 15 وات باستخدام PCB ، بحيث يمكن للأشخاص المهتمين بكيفية تصميم PCB لمشروع PSU (وحدة تزويد الطاقة) التحقق من ذلك أيضًا.

5V 2A SMPS Circuit - مواصفات التصميم

تتصرف أنواع مختلفة من إمدادات الطاقة بشكل مختلف في بيئات مختلفة. أيضًا ، يعمل SMPS في حدود إدخال ومخرجات محددة. يجب إجراء تحليل المواصفات المناسب قبل المضي قدمًا في التصميم الفعلي.

مواصفات الإدخال:

سيكون هذا SMPS في مجال تحويل AC إلى DC. لذلك ، سيكون الإدخال AC. بالنسبة لقيمة جهد الدخل ، من الجيد استخدام تصنيف إدخال عالمي لـ SMPS. وبالتالي ، سيكون جهد التيار المتردد 85-265VAC بتصنيف 50 هرتز. بهذه الطريقة يمكن استخدام SMPS في أي بلد بغض النظر عن قيمة جهد التيار المتردد.

مواصفات الإخراج:

يتم تحديد جهد الخرج على أنه 5V مع 2A من التصنيف الحالي. وبالتالي ، سيكون خرج 10W. نظرًا لأن SMPS سيوفر جهدًا ثابتًا بغض النظر عن تيار الحمل ، فإنه سيعمل على وضع CV (الجهد الثابت). يجب أن يكون جهد الخرج 5V ثابتًا وثابتًا حتى عند أدنى جهد دخل أثناء الحمل الأقصى (2A) عبر الخرج.

من المرغوب فيه بشدة أن يكون لوحدة إمداد الطاقة الجيدة جهد تموج أقل من 30mV pk-pk. جهد التموج المستهدف لهذا SMPS أقل من تموج ذروة الذروة 30mV. نظرًا لأن SMPS سيتم بناؤه في veroboard باستخدام محول تحويل يدويًا ، يمكننا توقع قيم أعلى قليلاً للتموج. يمكن تجنب هذه المشكلة باستخدام ثنائي الفينيل متعدد الكلور.

ميزات الحماية:

هناك العديد من دوائر الحماية التي يمكن استخدامها في SMPS من أجل تشغيل آمن وموثوق. دائرة الحماية تحمي SMPS بالإضافة إلى الحمل المرتبط بها. اعتمادًا على النوع ، يمكن توصيل دائرة الحماية عبر الإدخال أو عبر الإخراج.

بالنسبة إلى SMPS هذا ، سيتم استخدام الحماية من زيادة المدخلات مع جهد إدخال تشغيل أقصى يبلغ 275VAC. أيضًا ، للتعامل مع مشكلات EMI ، سيتم استخدام مرشح الوضع الشائع لإلغاء EMI الذي تم إنشاؤه. على الجانب الناتج نحن سوف تشمل حماية ماس كهربائى ، حماية الإفراط في الجهد ، و حماية الإفراط في الحالية.

اختيار IC إدارة الطاقة

تتطلب كل دائرة SMPS دائرة IC لإدارة الطاقة تُعرف أيضًا باسم التبديل IC أو SMPS IC أو Drier IC. دعنا نلخص اعتبارات التصميم لتحديد IC المثالي لإدارة الطاقة الذي سيكون مناسبًا لتصميمنا. متطلبات التصميم لدينا هي

10 واط الإخراج. 5V 2A عند التحميل الكامل.
تصنيف الإدخال العالمي. 85-265VAC عند 50 هرتز
حماية زيادة المدخلات. أقصى جهد دخل 275VAC.
إخراج ماس كهربائى ، حماية من الجهد الزائد والتيار الزائد.
عمليات الجهد المستمر.

من المتطلبات المذكورة أعلاه ، هناك مجموعة واسعة من الدوائر المتكاملة للاختيار من بينها ، ولكن بالنسبة لهذا المشروع ، اخترنا تكامل الطاقة. تكامل الطاقة عبارة عن شركة شبه موصلة لديها مجموعة واسعة من دوائر تشغيل الطاقة في نطاقات خرج طاقة مختلفة. بناءً على المتطلبات والتوافر ، قررنا استخدام TNY268PN من عائلات المحولات الصغيرة II. لقد استخدمنا سابقًا هذا IC لبناء دائرة SMPS 12 فولت على PCB.

في الصورة أعلاه ، يظهر الحد الأقصى للطاقة 15 واط. ومع ذلك ، سوف نجعل SMPS في الإطار المفتوح ولتقييم الإدخال العالمي. في مثل هذا المقطع ، يمكن أن يوفر TNY268PN إخراج 15 واط. دعونا نرى مخطط الدبوس.

تصميم دائرة 5v 2Amp SMPS

أفضل طريقة لبناء مخطط 5V 2A SMPS هي استخدام برنامج خبير PI لتكامل الطاقة. قم بتنزيل برنامج PI expert واستخدم الإصدار 8.6. إنه برنامج تصميم مصدر طاقة ممتاز. تم إنشاء الدائرة الموضحة أدناه باستخدام برنامج خبير PI الخاص بـ Power Integration. إذا كنت جديدًا في هذا البرنامج ، يمكنك الرجوع إلى قسم التصميم في دائرة SMPS 12V هذه لفهم كيفية استخدام البرنامج.

قبل الشروع مباشرة في بناء جزء النموذج الأولي ، دعنا نستكشف مخطط 5v 2A SMPS وتشغيله.

الدائرة بها الأقسام التالية-

زيادة المدخلات وحماية خطأ SMPS
تحويل AC-DC
مرشح PI
دارة السائق أو دارة التبديل
حماية قفل الجهد المنخفض.
دائرة المشبك.
المغناطيسية والعزل الجلفاني.
مرشح EMI
المعدل الثانوي ودائرة snubber
قسم التصفية
قسم الملاحظات.

زيادة المدخلات وحماية خطأ SMPS:

يتكون هذا القسم من مكونين ، F1 و RV1. F1 عبارة عن فتيل بطيء 1A 250VAC و RV1 هو 7 مم 275 فولت MOV (متغير أكسيد معدني). أثناء زيادة الجهد العالي (أكثر من 275 فولت تيار متردد) ، أصبحت MOV قصيرة جدًا وتفجر فتيل الإدخال. ومع ذلك ، نظرًا لخاصية النفخ البطيء ، فإن المصهر يقاوم تدفق التيار عبر SMPS.

تحويل AC-DC:

يخضع هذا القسم لجسر الصمام الثنائي. هذه الثنائيات الأربعة (داخل DB107) تصنع مقوم جسر كامل. الثنائيات هي 1N4006 ، لكن معيار 1N4007 يمكنه القيام بالمهمة على أكمل وجه. في هذا المشروع ، يتم استبدال هذه الثنائيات الأربعة بمقوم جسر كامل DB107.

مرشح PI:

الدول المختلفة لها معيار رفض EMI مختلف. يؤكد هذا التصميم معيار EN61000-Class 3 وقد تم تصميم مرشح PI بطريقة تقلل من رفض EMI للوضع الشائع. تم إنشاء هذا القسم باستخدام C1 و C2 و L1. C1 و C2 عبارة عن مكثفات 400 فولت 18 فائق التوهج. إنها قيمة فردية لذلك تم تحديد 22 فائق التوهج 400 فولت لهذا التطبيق. L1 هو وضع خنق شائع يأخذ إشارة EMI التفاضلية لإلغاء كليهما.

دارة السائق أو دائرة التبديل:

إنه قلب SMPS. يتم التحكم في الجانب الأساسي للمحول بواسطة دائرة التبديل TNY268PN. تردد التبديل هو 120-132 كيلو هرتز. بسبب تردد التحويل العالي هذا ، يمكن استخدام محولات أصغر. تحتوي دائرة التبديل على مكونين ، U1 و C3. U1 هو المحرك الرئيسي IC TNY268PN. المكثف C3 هو مكثف الالتفاف المطلوب لتشغيل سائقنا IC.

حماية قفل الجهد المنخفض:

يتم حماية قفل الجهد المنخفض بواسطة المقاوم R1 و R2. يتم استخدامه عندما ينتقل SMPS إلى وضع إعادة التشغيل التلقائي ويستشعر جهد الخط. يتم إنشاء قيمة R1 و R2 عبر أداة PI Expert. مقاومتان على التوالي هما إجراء أمان وممارسة جيدة لتجنب مشكلات فشل المقاوم. وبالتالي ، بدلاً من 2M ، يتم استخدام مقاومين 1M في السلسلة.

دائرة المشبك:

D1 و D2 هي دائرة المشبك. D1 هو صمام ثنائي TVS و D2 هو صمام ثنائي استرداد سريع للغاية. يعمل المحول محثًا ضخمًا عبر محرك الطاقة IC TNY268PN. لذلك ، أثناء دورة إيقاف التشغيل ، يقوم المحول بإنشاء ارتفاعات عالية الجهد بسبب محاثة التسرب للمحول. يتم قمع هذه المسامير عالية التردد بواسطة مشبك الصمام الثنائي عبر المحول. تم اختيار UF4007 بسبب الاسترداد فائق السرعة وتم اختيار P6KE200A لتشغيل TVS ، ووفقًا للتصميم ، فإن جهد التثبيت المستهدف (VCLAMP) هو 200 فولت. لذلك ، تم تحديد P6KE200A وللمسائل ذات الصلة بالحظر فائق السرعة ، يتم تحديد UF4007 على أنه D2.

المغناطيسية والعزل الجلفاني:

المحول عبارة عن محول مغناطيسي حديدي ولا يقوم فقط بتحويل التيار المتردد عالي الجهد إلى تيار متردد منخفض الجهد ولكنه يوفر أيضًا عزلًا كلفانيًا.

مرشح EMI:

يتم تصفية EMI بواسطة مكثف C4. يزيد من مناعة الدائرة لتقليل تداخل EMI العالي. إنه مكثف من الفئة Y بمعدل جهد 2 كيلو فولت.

المعدل الثانوي ودائرة Snubber:

يتم تصحيح الإخراج من المحول وتحويله إلى تيار مستمر باستخدام D6 ، وهو صمام ثنائي مقوم شوتكي. توفر دائرة snubber عبر D6 قمعًا للجهد العابر أثناء عمليات التحويل. تتكون دائرة snubber مقاوم ومكثف واحد R3 و C5.

قسم التصفية:

يتكون قسم المرشح من مرشح مكثف C6. إنه مكثف منخفض ESR لرفض تموج أفضل. أيضًا ، يوفر مرشح LC الذي يستخدم L2 و C7 رفضًا أفضل للتموج عبر الإخراج.

قسم التعليقات:

يتم استشعار جهد الخرج بواسطة U3 TL431 و R6 و R7. بعد استشعار الخط ، U2 ، يتم التحكم في optocoupler وعزل جزء استشعار التغذية المرتدة الثانوي بشكل كهربي مع وحدة التحكم الجانبية الأساسية. يحتوي Optocoupler على ترانزستور ومصباح LED بداخله. عن طريق التحكم في الصمام ، يتم التحكم في الترانزستور. نظرًا لأن الاتصال يتم بصريًا ، فلا يوجد اتصال كهربائي مباشر ، وبالتالي يرضي العزلة الجلفانية على دائرة التغذية المرتدة أيضًا.

الآن ، نظرًا لأن LED يتحكم مباشرة في الترانزستور ، من خلال توفير انحياز كافٍ عبر Optocoupler LED ، يمكن للمرء التحكم في ترانزستور Optocoupler ، وبشكل أكثر تحديدًا دائرة السائق. يتم استخدام نظام التحكم هذا بواسطة TL431. منظم تحويلة. نظرًا لأن منظم التحويل يحتوي على مقسم مقاوم عبر الدبوس المرجعي ، فيمكنه التحكم في Optocoupler LED المتصل عبره. دبوس التغذية الراجعة له جهد مرجعي 2.5 فولت. لذلك ، يمكن أن يكون TL431 نشطًا فقط إذا كان الجهد الكهربي عبر الحاجز كافياً. في حالتنا ، تم ضبط مقسم الجهد على قيمة 5V. لذلك ، عندما يصل الخرج إلى 5 فولت ، يحصل TL431 على 2.5 فولت عبر الدبوس المرجعي ، وبالتالي ينشط مصباح Optocoupler الذي يتحكم في ترانزستور Optocoupler ويتحكم بشكل غير مباشر في TNY268PN. إذا كان الجهد غير كافٍ عبر الإخراج ، يتم تعليق دورة التبديل على الفور.

أولاً ، ينشط TNY268PN الدورة الأولى من التبديل ثم يستشعر دبوس EN الخاص به. إذا كان كل شيء على ما يرام ، فسيستمر في التبديل ، وإذا لم يكن كذلك ، فسيحاول مرة أخرى بعد فترة. تستمر هذه الحلقة حتى يصبح كل شيء طبيعيًا ، مما يمنع حدوث ماس كهربائي أو مشاكل الجهد الزائد. هذا هو السبب في تسميته طوبولوجيا flyback ، حيث يتم إعادة جهد الخرج إلى السائق لاستشعار العمليات ذات الصلة. أيضًا ، تسمى حلقة المحاولة بوضع الفواق في حالة الفشل.

D3 هو صمام ثنائي شوتكي الحاجز. يقوم هذا الصمام الثنائي بتحويل خرج التيار المتردد عالي التردد إلى تيار مستمر. تم اختيار 3A 60V Schottky Diode للتشغيل الموثوق. يتم اختيار R4 و R5 وحسابهما بواسطة خبير PI. يقوم بإنشاء مقسم جهد ويمرر التيار إلى Optocoupler LED من TL431.

R6 و R7 عبارة عن مقسم جهد بسيط محسوب بالصيغة TL431 REF voltage = (Vout x R7) / R6 + R7. الجهد المرجعي 2.5 فولت و Vout هو 12 فولت. باختيار قيمة R6 23.7k ، أصبح R7 9.09 ألف تقريبًا.

بناء محول تحويل لدائرة SMPS

عادةً ما تكون هناك حاجة لمحول تبديل لدائرة SMPS ، ويمكن شراء هذه المحولات من مصنعي المحولات بناءً على متطلبات التصميم الخاصة بك. لكن المشكلة هنا أنه إذا كنت تتعلم أشياء عن بناء نموذج أولي ، فلن تتمكن من العثور على المحول الدقيق من على الرفوف لتصميمك. لذلك سوف نتعلم كيفية بناء محول التحويل بناءً على متطلبات التصميم التي يقدمها برنامج خبير PI الخاص بنا.

دعنا نرى مخطط إنشاء المحولات التي تم إنشاؤها.

كما توضح الصورة أعلاه ، نحتاج إلى إجراء 103 لفات من سلك واحد 32 AWG على الجانب الأساسي و 5 لفات لسلكين 25 AWG على الجانب الثانوي.

في الصورة أعلاه ، يتم وصف نقطة بداية اللفات واتجاه الملف على أنه مخطط ميكانيكي. لعمل هذا المحول ، هناك حاجة إلى الأشياء التالية-

EE19 core أو NC-2H أو مواصفات مكافئة ومحددة لـ ALG 79 nH / T ²
بكرة مع 5 دبابيس في الجانب الأساسي والثانوي.
شريط حاجز بسماكة 1 مل. مطلوب شريط بعرض 9 مم.
32 AWG سلك نحاسي مطلي بالمينا قابل للحام.
25AWG سلك نحاسي مطلي بالمينا قابل للحام.
متر LCR.

مطلوب جوهر EE19 مع NC-2H مع نواة فجوة 79nH / T2 ؛ بشكل عام ، يتوفر في أزواج. البكرة عامة بها 4 دبابيس أساسية و 5 دبابيس ثانوية. ومع ذلك ، يتم هنا استخدام بكرة مع 5 دبابيس على كلا الجانبين.

بالنسبة لشريط Barrier ، يتم استخدام شريط لاصق قياسي بسماكة قاعدية تزيد عن 1 مل (نموذجيًا 2 مل). أثناء الأنشطة المتعلقة بالتنصت ، يتم استخدام المقص لقص الشريط للحصول على عرض مثالي. يتم شراء الأسلاك النحاسية من المحولات القديمة ويمكن شراؤها من المتاجر المحلية أيضًا. يتم عرض اللب والبكرة اللذان أستخدمهما أدناه

الخطوة 1: أضف اللحام في الدبوس الأول والخامس على الجانب الأساسي. قم بلحام السلك 32 AWG في الطرف 5 واتجاه اللف في اتجاه عقارب الساعة. استمر حتى المنعطفات 103 كما هو موضح أدناه

هذا يشكل الجانب الأساسي لمحولنا ، بمجرد اكتمال 103 لفات من اللف ، بدا المحول كما يلي.

الخطوة 2: تطبيق الشريط اللاصق لأغراض العزل ، هناك حاجة إلى 3 لفات من الشريط اللاصق. كما أنه يساعد في الحفاظ على الملف في موضعه.

الخطوة 3: ابدأ اللف الثانوي من السن 9 و 10. الجانب الثانوي مصنوع باستخدام خيطين من الأسلاك النحاسية المطلية بالمينا 25AWG. قم بلحام سلك نحاسي بالدبوس 9 وآخر في السن 10. يكون اتجاه اللف مرة أخرى في اتجاه عقارب الساعة. استمر حتى 5 لفات ولحام النهايات على السن 5 و 6. أضف شريطًا عازلًا عن طريق وضع شريط لاصق كما كان من قبل.

بمجرد الانتهاء من كل من اللفات الأولية والثانوية واستخدام الشريط اللاصق ، بدا المحول الخاص بي كما هو موضح أدناه

الخطوة 4: الآن يمكننا تأمين النوى بإحكام باستخدام شريط لاصق ، وبمجرد الانتهاء من ذلك ، يجب أن يبدو المحول المكتمل كما يلي.

الخطوة 5: تأكد أيضًا من لف الشريط اللاصق جنبًا إلى جنب. سيؤدي ذلك إلى تقليل الاهتزاز أثناء نقل التدفق عالي الكثافة.

بعد إجراء الخطوات المذكورة أعلاه واختبار المحول باستخدام مقياس LCR كما هو موضح أدناه. يظهر العداد 1.125 mH أو 1125 uh محاثة.

بناء حلبة SMPS:

بمجرد أن يصبح المحول جاهزًا ، يمكننا المضي قدمًا في تجميع المكونات الأخرى على اللوحة المنقطة. يمكن العثور على تفاصيل الأجزاء المطلوبة للدائرة في قائمة فاتورة المواد أدناه

تفاصيل جزء BOM لدائرة 5V 2A SMPS

بمجرد أن يتم لحام المكونات ، تبدو اللوحة الخاصة بي شيئًا كهذا.

اختبار 5V 2A SMPS الدائرة

لاختبار الدائرة ، قمت بتوصيل جانب الإدخال بمصدر الطاقة الرئيسي من خلال VARIAC للتحكم في جهد التيار المتردد للإدخال. يظهر جهد الخرج عند 85VAC و 230VAC أدناه-

كما ترى في كلتا الحالتين ، يتم الحفاظ على جهد الخرج عند 5 فولت. ولكن بعد ذلك قمت بتوصيل الإخراج بالنطاق الخاص بي وتحقق من وجود تموجات. يتم عرض قياس التموج أدناه

تموج الإخراج مرتفع جدًا ، ويظهر إخراج تموج 150mV pk-pk. هذا ليس جيدًا تمامًا لدائرة إمداد الطاقة. بناءً على التحليل ، يرجع ارتفاع التموج إلى العوامل أدناه-

تصميم غير لائق ثنائي الفينيل متعدد الكلور.
قضية كذاب الأرض.
المشتت الحراري ثنائي الفينيل متعدد الكلور غير لائق.
لا يوجد انقطاع في خطوط الإمداد المزعجة.
زيادة التحمل على المحولات بسبب لف اليد. يقوم مصنعو المحولات بتطبيق ورنيش الغمس أثناء لفات الماكينة من أجل ثبات أفضل للمحولات.

إذا تم تحويل الدائرة إلى ثنائي الفينيل متعدد الكلور مناسب ، فيمكننا توقع إخراج تموج لمصدر الطاقة داخل 50mV pk-pk حتى مع محول لف يدوي. ومع ذلك ، نظرًا لأن veroboard ليس خيارًا آمنًا لإنشاء مصدر طاقة في وضع التبديل في مجال AC إلى DC ، فمن المقترح باستمرار إنشاء PCB قبل تطبيق دوائر الجهد العالي في سيناريوهات عملية. يمكنك التحقق من الفيديو في نهاية هذه الصفحة للتحقق من أداء الدائرة في ظل ظروف التحميل.

آمل أن تكون قد فهمت البرنامج التعليمي وتعلمت كيفية بناء دوائر SMPS الخاصة بك باستخدام محول مصنوع يدويًا. إذا كانت لديك أي أسئلة ، فاتركها في قسم التعليقات أدناه أو استخدم منتدياتنا لمزيد من الأسئلة.