Diseño de circuito de fuente de alimentación de 12V 1a con viper22a

Los circuitos de suministro de energía de modo conmutado (SMPS) se requieren con mayor frecuencia en muchos diseños electrónicos para convertir el voltaje de la red de CA a un nivel adecuado de voltaje de CC para que el dispositivo funcione. Este tipo de convertidores AC-DC toma el voltaje de la red de 230V / 110V AC como entrada y lo convierte en voltaje DC de bajo nivel cambiándolo, de ahí el nombre de fuente de alimentación conmutada. Ya hemos construido algunos circuitos SMPS anteriormente como este circuito SMPS 5V 2A y circuito SMPS 12V 1A TNY268. Incluso construimos nuestro propio transformador SMPS que podría usarse en nuestros diseños SMPS junto con el controlador IC. En este proyecto, construiremos otro circuito SMPS de 12V 1A utilizando el VIPer22A, que es un popular controlador SMPS IC de bajo costo de STMicroelectronics. Este tutorial lo llevará a través del circuito completo y también le explicarácómo construir su propio transformador para circuito VIPER. Interesante, comencemos.

Especificaciones de diseño de la fuente de alimentación VIPer22A

Al igual que en el proyecto anterior basado en SMPS, diferentes tipos de fuente de alimentación funcionan en diferentes entornos y funcionan en un límite de entrada-salida específico. Este SMPS también tiene una especificación. Por lo tanto, es necesario realizar un análisis de especificación adecuado antes de continuar con el diseño real.

Especificación de entrada: este será un SMPS en el dominio de conversión de CA a CC. Por tanto, la entrada será AC. En este proyecto, el voltaje de entrada es fijo. Es según la clasificación de voltaje estándar europea. Entonces, el voltaje de CA de entrada de este SMPS será 220-240VAC. También es la tensión nominal estándar de la India.

Especificación de salida: El voltaje de salida se selecciona como 12V con 1A de corriente nominal. Por lo tanto, tendrá una salida de 12W. Dado que este SMPS proporcionará voltaje constante independientemente de la corriente de carga, funcionará en modo CV (voltaje constante). Además, el voltaje de salida será constante y constante al voltaje de entrada más bajo con carga máxima (2A) en la salida.

Voltaje de ondulación de salida: es muy deseable que una buena fuente de alimentación tenga un voltaje de ondulación de menos de 30 mV pk-pk. El voltaje de ondulación objetivo es el mismo para este SMPS, menos de 30mV de ondulación pk-pk. Sin embargo, la ondulación de salida SMPS depende en gran medida de la construcción SMPS, la PCB y el tipo de condensador que se utilizan. Usamos un condensador ESR bajo de 105 grados de Wurth Electronics y la ondulación de salida esperada parece ser inferior.

Circuitos de protección: hay varios circuitos de protección que se pueden emplear en un SMPS para una operación segura y confiable. El circuito de protección protege el SMPS así como la carga asociada. Dependiendo del tipo, el circuito de protección se puede conectar a través de la entrada o de la salida. Para este SMPS, se utilizará protección contra sobretensiones de entrada con un voltaje de entrada operativo máximo de 275 VCA. Además, para tratar los problemas de EMI, se utilizará un filtro de modo común para borrar la EMI generada. En el lado de salida vamos a incluir la protección del cortocircuito, protección contra sobretensiones y sobrecargas de corriente.

Selección del controlador IC SMPS

Cada circuito SMPS requiere un IC de administración de energía también conocido como IC de conmutación o SMPS IC o Drier IC. Resumamos las consideraciones de diseño para seleccionar el IC de administración de energía ideal que será adecuado para nuestro diseño. Nuestros requisitos de diseño son

1. Salida de 12W. 12V 1A a plena carga.
2. Calificación de entrada estándar europea. 85-265 VCA a 50 Hz
3. Entrada de protección contra sobretensiones. Voltaje máximo de entrada 275VAC.
4. Salida de protección contra cortocircuitos, sobretensiones y sobrecorrientes.
5. Operaciones de voltaje constante.

A partir de los requisitos anteriores, hay una amplia gama de circuitos integrados para seleccionar, pero para este proyecto hemos seleccionado el controlador de potencia VIPer22A de STMicroelectronics. Es un controlador de potencia IC de muy bajo costo de STMicroelectronics.

En la imagen de arriba, se muestra la potencia nominal típica de VIPer22A IC. Sin embargo, no hay una sección específica para la especificación de salida de potencia de tipo marco abierto o adaptador. Haremos el SMPS en marco abierto y para la clasificación de entrada europea. En tal segmento, VIPer22A podría proporcionar una salida de 20W. Lo usaremos para una salida de 12W. El pinout VIPer22A IC se muestra en la siguiente imagen.

Diseño de un circuito de suministro de energía VIPer22A

La mejor manera de construir el circuito es utilizando el software Power Supply Design. Puede descargar la versión 2.24 del software de diseño VIPer para usar VIPer22A, la última versión de este software ya no es compatible con VIPer22A. Es un excelente software de diseño de fuentes de alimentación de STMicroelectronics. Al proporcionar la información de los requisitos de diseño, se puede generar el diagrama completo del circuito de la fuente de alimentación. El circuito VIPer22A para este proyecto generado por el software se muestra a continuación

Antes de pasar directamente a la construcción del prototipo, exploremos el funcionamiento de los circuitos. El circuito tiene las siguientes secciones:

1. Protección contra sobretensiones de entrada y fallas SMPS
2. Filtro de entrada
3. Conversión AC-DC
4. Circuito del controlador o circuito de conmutación
5. Circuito de abrazadera.
6. Aislamiento magnético y galvánico.
7. Filtro EMI
8. Rectificador secundario
9. Sección de filtro
10. Sección de comentarios.

Protección contra sobretensiones de entrada y fallas SMPS.

Esta sección consta de dos componentes, F1 y RV1. F1 es un fusible lento de 1A 250VAC y RV1 es un MOV (varistor de óxido metálico) de 7 mm 275V. Durante una sobretensión de alto voltaje (más de 275 VCA), el MOV se quedó corto y fundió el fusible de entrada. Sin embargo, debido a la función de acción lenta, el fusible soporta la corriente de entrada a través del SMPS.

Filtro de entrada

El condensador C3 es un condensador de filtro de línea de 250 VCA. Es un condensador tipo X similar al que usamos en nuestro diseño de circuito de fuente de alimentación sin transformador.

Conversión AC-DC.

La conversión de CA CC se realiza utilizando un diodo rectificador de puente completo DB107. Es un diodo rectificador de 1000V 1A. El filtrado se realiza mediante el condensador 22uF 400V. Sin embargo, durante este prototipo, utilizamos un gran valor de condensador. En lugar de 22uF, usamos un capacitor de 82uF debido a la disponibilidad del capacitor. Este condensador de alto valor no es necesario para el funcionamiento del circuito. 22uF 400V es suficiente para una potencia de salida de 12W.

Circuito del controlador o circuito de conmutación.

VIPer22A requiere energía del devanado de polarización del transformador. Después de obtener el voltaje de polarización, VIPer comienza a cambiar a través del transformador utilizando un mosfet de alto voltaje incorporado. D3 se usa para convertir la salida de polarización de CA a CC y la resistencia R1 de 10 ohmios se usa para controlar la corriente de entrada. El condensador del filtro es un 4.7uF 50V para suavizar la ondulación de CC.

Circuito de abrazadera

El transformador actúa como un inductor enorme a través del controlador de potencia IC VIPer22. Por lo tanto, durante el ciclo de apagado, el transformador crea picos de alto voltaje debido a la inductancia de fuga del transformador. Estos picos de voltaje de alta frecuencia son dañinos para el controlador de potencia IC y pueden causar fallas en el circuito de conmutación. Por lo tanto, esto debe ser suprimido por la abrazadera de diodo a través del transformador. D1 y D2 se utilizan para el circuito de abrazadera. D1 es el diodo TVS y D2 es un diodo de recuperación ultrarrápida. D1 se usa para sujetar el voltaje, mientras que D2 se usa como diodo de bloqueo. Según el diseño, el voltaje de sujeción objetivo (VCLAMP) es 200V. Por lo tanto, P6KE200A está seleccionado y para problemas relacionados con el bloqueo ultrarrápido, se selecciona UF4007 como D2.

Aislamiento magnético y galvánico.

El transformador es un transformador ferromagnético y no solo convierte la CA de alto voltaje en una CA de bajo voltaje, sino que también proporciona aislamiento galvánico. Tiene tres órdenes sinuosas. Devanado primario, auxiliar o polarizado y devanado secundario.

Filtro EMI.

El filtrado EMI lo realiza el condensador C4. Aumenta la inmunidad del circuito para reducir la alta interferencia EMI. Es un condensador de clase Y con una tensión nominal de 2 kV.

Rectificador secundario y circuito amortiguador.

La salida del transformador se rectifica y se convierte a CC utilizando D6, un diodo rectificador Schottky. Como la corriente de salida es 2A, se selecciona el diodo 3A 60V para este propósito. SB360 es un diodo Schottky de 3A 60V.

Sección de filtro.

C6 es el condensador del filtro. Es un condensador de baja ESR para un mejor rechazo de ondulaciones. Además, se utiliza un posfiltro LC donde L2 y C7 proporcionan un mejor rechazo de ondulación en la salida.

Sección de comentarios.

El voltaje de salida es detectado por U3 TL431 y R6 y R7. Después de detectar la línea, U2, el optoacoplador se controla y aísla galvánicamente la parte de detección de retroalimentación secundaria con el controlador del lado primario. El PC817 es un optoacoplador. Tiene dos lados, un transistor y un LED en su interior. Al controlar el LED, se controla el transistor. Dado que la comunicación se realiza de forma óptica, no tiene conexión eléctrica directa, por lo que también satisface el aislamiento galvánico en el circuito de retroalimentación.

Ahora, como el LED controla directamente el transistor, al proporcionar suficiente polarización a través del LED del optoacoplador, se puede controlar el transistor del optoacoplador, más específicamente el circuito del controlador. Este sistema de control es empleado por el TL431. Un regulador de derivación. Como el regulador de derivación tiene un divisor de resistencia a través de su pin de referencia, puede controlar el LED del optoacoplador que está conectado a través de él. El pin de retroalimentación tiene un voltaje de referencia de 2.5V. Por lo tanto, el TL431 puede estar activo solo si el voltaje a través del divisor es suficiente. En nuestro caso, el divisor de voltaje se establece en un valor de 5V. Por lo tanto, cuando la salida alcanza los 5V, el TL431 obtiene 2.5V a través del pin de referencia y así activa el LED del Optoacoplador que controla el transistor del Optoacoplador e indirectamente controla el TNY268PN. Si el voltaje no es suficiente en la salida, el ciclo de conmutación se suspende inmediatamente.

Primero, el TNY268PN activa el primer ciclo de conmutación y luego detecta su pin EN. Si todo está bien, continuará el cambio, si no, lo intentará una vez más después de algún tiempo. Este bucle continúa hasta que todo se normaliza, evitando así problemas de cortocircuito o sobretensión. Esta es la razón por la que se denomina topología de retorno, ya que el voltaje de salida se devuelve al controlador para detectar las operaciones relacionadas. Además, el bucle de prueba se denomina modo de funcionamiento de hipo en la condición de falla.

Construcción de transformador de conmutación para circuito VIPER22ASMPS

Veamos el diagrama de construcción del transformador generado. Este diagrama se obtiene del software de diseño de fuentes de alimentación que comentamos anteriormente.

El núcleo es E25 / 13/7 con un espacio de aire de 0,36 mm. La inductancia primaria es de 1 mH. Para la construcción de este transformador, se necesitan las siguientes cosas. Si es nuevo en la construcción de transformadores, lea el artículo sobre cómo construir su propio transformador SMPS.

1. Cinta de poliéster
2. Pares de núcleos E25 / 13/7 con espacio de aire de 0,36 mm.
3. Alambre de cobre de 30 AWG
4. Cable de cobre de 43 AWG (utilizamos 36 AWG debido a la falta de disponibilidad)
5. 23 AWG (también usamos 36 AWG para este)
6. Bobina horizontal o vertical (usamos bobina horizontal)
7. Un bolígrafo para sujetar la bobina durante el bobinado.

Paso 1: Sostenga el núcleo con un bolígrafo, comience con alambre de cobre de 30 AWG desde la patilla 3 de la bobina y continúe 133 vueltas en el sentido de las agujas del reloj hasta la patilla 1. Aplique 3 capas de cinta de poliéster.

Paso 2: Inicie el bobinado de polarización utilizando cable de cobre de 43 AWG desde la patilla 4 y continúe con las 31 vueltas y finalice la bobina en la patilla 5. Aplique 3 capas de cinta de poliéster.

Inicie el bobinado de polarización con alambre de cobre de 43 AWG desde la patilla 4 y continúe con las 31 vueltas y termine el devanado en la patilla 5. Aplique 3 capas de cinta de poliéster.

Paso 3: Inicie el devanado secundario desde el pin 10 y continúe el devanado en sentido horario de 21 vueltas. Aplica 4 capas de cinta de poliéster.

Paso 4: Asegure el núcleo con huecos con la cinta adhesiva envolviendo uno al lado del otro. Esto reducirá la vibración durante la transferencia de flujo de alta densidad.

Una vez que se realiza la construcción, el transformador se prueba con un medidor LCR para medir el valor de inductancia de las bobinas. El medidor muestra 913 mH, que está cerca de la inductancia primaria de 1 mH.

Construyendo el circuito SMPS VIPer22A:

Con la clasificación del transformador verificada, podemos proceder a soldar todos los componentes en una placa Vero como se indica en el diagrama del circuito. Mi placa una vez que se realizó el trabajo de soldadura se veía así a continuación

Prueba del circuito VIPer22A para SMPS de 12V 1A:

Para probar el circuito, conecté el lado de entrada a la fuente de alimentación principal a través de un VARIAC para controlar el voltaje de la red de CA de entrada. En la siguiente imagen, se muestra el voltaje de salida a 225 VCA.

Como puede ver en el lado de salida, obtenemos 12,12 V, que está cerca del voltaje de salida de 12 V deseado. El trabajo completo se muestra en el video adjunto al pie de esta página. Espero que haya entendido el tutorial y haya aprendido a construir sus propios circuitos SMPS con un transformador hecho a mano. Si tiene alguna pregunta, déjela en la sección de comentarios a continuación.