Cómo diseñar un circuito de fuente de alimentación smps de 5v 2a

La unidad de fuente de alimentación (PSU) es una parte vital en el diseño de cualquier producto electrónico. La mayoría de los productos electrónicos domésticos como cargadores móviles, altavoces Bluetooth, bancos de energía, relojes inteligentes, etc.requieren un circuito de fuente de alimentación que pueda convertir la fuente de alimentación de CA en 5 V CC para operarlos. En este proyecto, construiremos un circuito de alimentación de CA a CC similar con una potencia nominal de 10 W. Ese es nuestro circuito que convertirá la red eléctrica de 220 V CA a 5 V y proporcionará una corriente de salida máxima de hasta 2 A. Esta potencia nominal debería ser suficiente para alimentar la mayoría de los productos electrónicos que funcionan con 5V. Además, el circuito SMPS de 5V 2A es bastante popular en electrónica, ya que hay muchos microcontroladores que funcionan con 5V.

La idea del proyecto es mantener la construcción lo más simple posible, por lo tanto, diseñaremos el circuito completo sobre una placa de puntos (placa perf) y también construiremos nuestro propio transformador para que cualquiera pueda replicar este diseño o construir otros similares. ¡Muy emocionado! Entonces empecemos. Anteriormente, también hemos construido un circuito SMPS de 12 V 15 W utilizando una PCB, por lo que las personas interesadas en cómo diseñar una PCB para un proyecto de fuente de alimentación (unidad de fuente de alimentación) también pueden comprobarlo.

Circuito SMPS 5V 2A - Especificaciones de diseño

Las diferentes variedades de fuentes de alimentación se comportan de manera diferente en diferentes entornos. Además, SMPS funciona en límites de entrada y salida específicos. Es necesario realizar un análisis de especificación adecuado antes de seguir adelante 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. Para el valor de voltaje de entrada, es bueno usar una clasificación de entrada universal para el SMPS. Por lo tanto, el voltaje de CA será de 85-265 VCA con una clasificación de 50 Hz. De esta manera, el SMPS se puede utilizar en cualquier país, independientemente de su valor de voltaje de la red de CA.

Especificación de salida:

El voltaje de salida se selecciona como 5 V con 2 A de la clasificación de corriente. Por lo tanto, tendrá una salida de 10W. Dado que este SMPS proporcionará voltaje constante independientemente de la corriente de carga, funcionará en el modo CV (voltaje constante). Este voltaje de salida de 5 V debe ser constante y estable incluso al voltaje de entrada más bajo durante una carga máxima (2 A) en la salida.

Es muy deseable que una buena unidad de suministro de energía tenga un voltaje de ondulación de menos de 30 mV pk-pk. El voltaje de ondulación objetivo para este SMPS es de menos de 30 mV de ondulación pico a pico. Dado que este SMPS se construirá en veroboard utilizando un transformador de conmutación hecho a mano, podemos esperar valores de ondulación ligeramente más altos. Este problema se puede evitar utilizando una placa de circuito impreso.

Funciones 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 IC de administración de energía

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 10W. 5V 2A a plena carga.
2. Clasificación de entrada universal. 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, existe una amplia gama de circuitos integrados para seleccionar, pero para este proyecto hemos seleccionado la integración de energía. Power Integration es una empresa de semiconductores que tiene una amplia gama de circuitos integrados de controladores de potencia en varios rangos de potencia de salida. En función de los requisitos y la disponibilidad, hemos decidido utilizar el TNY268PN de las familias diminutas de conmutadores II. Anteriormente hemos utilizado este IC para construir un circuito SMPS de 12V en una PCB.

En la imagen de arriba, se muestra la potencia máxima de 15W. Sin embargo, crearemos el SMPS en el marco abierto y para la clasificación de entrada universal. En tal segmento, TNY268PN podría proporcionar una salida de 15W. Veamos el diagrama de pines.

Diseño del circuito SMPS de 5v 2Amp

La mejor manera de construir el esquema SMPS de 5V 2A es utilizar el software experto PI de Power Integration. Descargue el software PI expert y utilice la versión 8.6. Es un excelente software de diseño de fuentes de alimentación. El circuito que se muestra a continuación se construye utilizando el software experto PI de Power Integration. Si es nuevo en este software, puede consultar la sección de diseño de este circuito SMPS de 12 V para comprender cómo utilizar el software.

Antes de comenzar directamente a construir la parte del prototipo, exploremos el diagrama del circuito SMPS de 5v 2A y su funcionamiento.

El circuito tiene las siguientes secciones:

1. Protección contra sobretensiones de entrada y fallas SMPS
2. Conversión AC-DC
3. Filtro PI
4. Circuito del controlador o circuito de conmutación
5. Protección de bloqueo por bajo voltaje.
6. Circuito de abrazadera.
7. Aislamiento magnético y galvánico.
8. Filtro EMI
9. Rectificador secundario y circuito amortiguador
10. Sección de filtro
11. 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.

Conversión AC-DC:

Esta sección está gobernada por el puente de diodos. Estos cuatro diodos (dentro de DB107) forman un puente rectificador completo. Los diodos son 1N4006, pero el 1N4007 estándar puede hacer el trabajo perfectamente. En este proyecto, estos cuatro diodos se reemplazan con un rectificador de puente completo DB107.

Filtro PI:

Los diferentes estados tienen diferentes estándares de rechazo de EMI. Este diseño confirma la norma EN61000-Class 3 y el filtro PI está diseñado de tal manera que reduce el rechazo de EMI de modo común. Esta sección se crea utilizando C1, C2 y L1. C1 y C2 son condensadores 400V 18uF. Es un valor impar, por lo que se selecciona 22uF 400V para esta aplicación. El L1 es un estrangulador de modo común que toma una señal EMI diferencial para cancelar ambos.

Circuito del controlador o circuito de conmutación:

Es el corazón de un SMPS. El lado primario del transformador está controlado por el circuito de conmutación TNY268PN. La frecuencia de conmutación es de 120-132 kHz. Debido a esta alta frecuencia de conmutación, se pueden utilizar transformadores más pequeños. El circuito de conmutación tiene dos componentes, U1 y C3. U1 es el controlador principal IC TNY268PN. El C3 es el condensador de derivación que se necesita para el funcionamiento de nuestro controlador IC.

Protección de bloqueo por bajo voltaje:

La protección de bloqueo por bajo voltaje se realiza mediante la resistencia de detección R1 y R2. Se utiliza cuando el SMPS entra en el modo de reinicio automático y detecta el voltaje de línea. El valor de R1 y R2 se genera mediante la herramienta PI Expert. Dos resistencias en serie es una medida de seguridad y una buena práctica para evitar problemas de falla de la resistencia. Por lo tanto, en lugar de 2M, se utilizan dos resistencias de 1M en la serie.

Circuito de abrazadera:

D1 y D2 son el circuito de abrazadera. D1 es el diodo TVS y D2 es un diodo de recuperación ultrarrápida. El transformador actúa como un inductor enorme a través del controlador de potencia IC TNY268PN. 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 suprimidos por la abrazadera de diodo a través del transformador. Se selecciona UF4007 debido a la recuperación ultrarrápida y se selecciona P6KE200A para la operación del TVS. Según el diseño, el voltaje de sujeción objetivo (VCLAMP) es 200V. Por lo tanto, se selecciona P6KE200A 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 CA de bajo voltaje, sino que también proporciona aislamiento galvánico.

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.

Circuito secundario del rectificador y amortiguador:

La salida del transformador se rectifica y se convierte a CC utilizando D6, un diodo rectificador Schottky. El circuito amortiguador a través del D6 proporciona la supresión del voltaje transitorio durante las operaciones de conmutación. El circuito amortiguador consta de una resistencia y un condensador, R3 y C5.

Sección de filtro:

La sección de filtro consta de un condensador de filtro C6. Es un condensador de baja ESR para un mejor rechazo de ondulaciones. Además, un filtro LC que utiliza L2 y C7 proporciona 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, se controla el optoacoplador y se aísla galvánicamente la parte de detección de retroalimentación secundaria con el controlador del lado primario. El optoacoplador tiene 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.

El D3 es un diodo de barrera Schottky. Este diodo convierte la salida de CA de alta frecuencia en CC. El diodo Schottky de 3A 60V se selecciona para un funcionamiento confiable. R4 y R5 son seleccionados y calculados por PI Expert. Crea un divisor de voltaje y pasa la corriente al LED del optoacoplador desde el TL431.

R6 y R7 es un divisor de voltaje simple calculado por la fórmula TL431 REF voltaje = (Vout x R7) / R6 + R7. El voltaje de referencia es de 2.5V y el Vout es de 12V. Al seleccionar el valor de R6 23.7k, el R7 se convirtió en 9.09k aproximadamente.

Construcción de un transformador de conmutación para nuestro circuito SMPS

Normalmente, para un circuito SMPS se requerirá un transformador de conmutación, estos transformadores se pueden adquirir de los fabricantes de transformadores según sus requisitos de diseño. Pero el problema aquí es que si aprende cosas sobre la construcción de un prototipo, no puede encontrar el transformador exacto de los estantes para su diseño. Por lo tanto, aprenderemos cómo construir un transformador de conmutación basado en los requisitos de diseño proporcionados por nuestro software experto en PI.

Veamos el diagrama de construcción del transformador generado.

Como indica la imagen anterior, debemos realizar 103 vueltas de un solo cable de 32 AWG en el lado primario y 5 vueltas de dos cables de 25 AWG en el lado secundario.

En la imagen de arriba, el punto de partida de los devanados y la dirección del devanado se describe como un diagrama mecánico. Para hacer este transformador, se necesitan las siguientes cosas:

1. Núcleo EE19, NC-2H o especificación equivalente y con espacio para ALG 79 nH / T ²
2. Bobina con 5 pines en el lado primario y secundario.
3. Cinta de barrera con 1 mil de espesor. Se requiere cinta de 9 mm de ancho.
4. Alambre de cobre esmaltado revestido soldable de 32 AWG.
5. Alambre de cobre esmaltado revestido soldable 25AWG.
6. Medidor LCR.

Se requiere un núcleo EE19 con NC-2H con un núcleo con hueco de 79nH / T2; generalmente, está disponible en pares. La bobina es genérica con 4 pines primarios y 5 secundarios. Sin embargo, aquí se utiliza una bobina con 5 pines en ambos lados.

Para la cinta de barrera, se utiliza cinta adhesiva estándar que tiene un grosor de base de más de 1 mil (normalmente 2 mil). Durante las actividades relacionadas con el roscado, se utilizan tijeras para cortar la cinta para obtener anchos perfectos. Los cables de cobre se obtienen de transformadores viejos y también se pueden comprar en las tiendas locales. El núcleo y la bobina que estoy usando se muestran a continuación.

Paso 1: agregue soldadura en el primer y quinto pin del lado primario. Suelde el cable de 32 AWG en el pin 5 y la dirección del devanado es en el sentido de las agujas del reloj. Continúe hasta que las 103 vueltas como se muestra a continuación

Esto forma el lado primario de nuestro transformador, una vez que se completan las 103 vueltas de bobinado, mi transformador se ve así a continuación.

Paso 2: aplique cinta adhesiva para aislar, se necesitan 3 vueltas de cinta adhesiva. También ayuda a mantener la bobina en posición.

Paso 3: Inicie el devanado secundario desde los pines 9 y 10. El lado secundario se fabrica con dos hebras de cables de cobre esmaltados de 25 AWG. Suelde un cable de cobre al pin 9 y otro en el pin 10. La dirección de enrollado es nuevamente en el sentido de las agujas del reloj. Continúe hasta 5 vueltas y suelde las terminaciones en los pines 5 y 6. Agregue cinta aislante aplicando cinta adhesiva igual que antes.

Una vez que se terminaron los devanados primario y secundario y se utilizó la cinta adhesiva, mi transformador se veía como se muestra a continuación

Paso 4: Ahora podemos asegurar los dos núcleos firmemente usando cinta adhesiva. Una vez hecho esto, el transformador completo debería verse así a continuación.

Paso 5: Asegúrese también de envolver la cinta adhesiva una al lado de la otra. Esto reducirá la vibración durante la transferencia de flujo de alta densidad.

Después de realizar los pasos anteriores y probar el transformador con un medidor LCR como se muestra a continuación. El medidor muestra inductancias de 1.125 mH o 1125 uh.

Construyendo el circuito SMPS:

Una vez que el transformador está listo podemos proceder a ensamblar los demás componentes en la placa de puntos. Los detalles de las piezas necesarios para el circuito se pueden encontrar en la lista de materiales a continuación.

• Detalles de la parte de la lista de materiales para el circuito SMPS de 5 V 2 A

Una vez que los componentes están soldados, mi placa se ve así.

Prueba del circuito SMPS de 5 V 2 A

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. El voltaje de salida a 85 VCA y 230 VCA se muestra a continuación:

Como puede ver en ambos casos, el voltaje de salida se mantiene en 5V. Pero luego conecté la salida a mi osciloscopio y verifiqué si había ondas. La medida de ondulación se muestra a continuación

La ondulación de salida es bastante alta, muestra una salida de ondulación pk-pk de 150 mV. Esto no es nada bueno para un circuito de suministro de energía. Según el análisis, la alta ondulación se debe a los factores siguientes:

1. Diseño de PCB incorrecto.
2. Problema de rebote en el suelo.
3. El disipador de calor de la PCB es incorrecto.
4. Sin cortes en líneas de suministro ruidosas.
5. Aumento de las tolerancias en el transformador debido al bobinado manual. Los fabricantes de transformadores aplican barniz por inmersión durante los devanados de la máquina para una mejor estabilidad de los transformadores.

Si el circuito se convierte en una placa de circuito impreso adecuada, podemos esperar que la salida de ondulación de la fuente de alimentación sea de 50 mV pk-pk incluso con un transformador de cuerda manual. Sin embargo, como veroboard no es una opción segura para hacer una fuente de alimentación conmutada en el dominio de CA a CC, se sugiere constantemente que se debe establecer una PCB adecuada antes de aplicar circuitos de alto voltaje en escenarios prácticos. Puede ver el video al final de esta página para verificar cómo funciona el circuito en condiciones de carga.

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 o use nuestros foros para más preguntas.