- 5V 2A SMPS 회로 – 설계 사양
- 전력 관리 IC 선택
- 5v 2Amp SMPS 회로 설계
- SMPS 회로 용 스위칭 변압기 구축
- SMPS 회로 구축 :
- 5V 2A SMPS 회로 테스트
전원 공급 장치 (PSU) 는 모든 전자 제품 설계에서 중요한 부분입니다. 모바일 충전기, 블루투스 스피커, 파워 뱅크, 스마트 워치 등과 같은 대부분의 가정용 전자 제품에는 AC 주 전원 공급 장치를 5V DC로 변환하여 작동시킬 수있는 전원 공급 장치 회로가 필요합니다. 이 프로젝트에서는 정격 전력이 10W 인 유사한 AC-DC 전원 공급 장치 회로를 구축 할 것 입니다. 그것은 우리의 회로가 220V AC 주전원을 5V로 변환하고 최대 2A의 최대 출력 전류를 제공합니다. 이 정격 전력은 5V에서 실행되는 대부분의 전자 제품에 전력을 공급하기에 충분해야합니다. 또한 5V 에서 작동하는 많은 마이크로 컨트롤러가 있기 때문에 5V 2A SMPS 회로 는 전자 제품에서 매우 인기가 있습니다.
프로젝트의 아이디어는 빌드를 가능한 한 간단하게 유지하는 것이므로 점선 보드 (퍼프 보드) 위에 완전한 회로를 설계하고 누구나이 디자인을 복제하거나 유사한 것을 만들 수 있도록 자체 변압기를 만들 것입니다. 바로 흥분! 그럼 시작하겠습니다. 이전에는 PCB를 사용하여 12V 15W SMPS 회로도 구축 했으므로 PSU 프로젝트 (전원 공급 장치)를위한 PCB 설계 방법에 관심이있는 사람들도이를 확인할 수 있습니다.
5V 2A SMPS 회로 – 설계 사양
다양한 전원 공급 장치는 환경에 따라 다르게 작동합니다. 또한 SMPS는 특정 입출력 경계에서 작동합니다. 실제 설계를 진행하기 전에 적절한 사양 분석 을 수행해야합니다.
입력 사양:
이것은 AC에서 DC 로의 변환 도메인의 SMPS입니다. 따라서 입력은 AC가됩니다. 입력 전압 값의 경우 SMPS에 대한 범용 입력 정격을 사용하는 것이 좋습니다. 따라서 AC 전압은 정격이 50Hz 인 85-265VAC입니다. 이러한 방식으로 SMPS는 AC 주 전압 값에 관계없이 모든 국가에서 사용할 수 있습니다.
출력 사양:
출력 전압은 정격 전류가 2A 인 5V로 선택됩니다. 따라서 10W 출력이 됩니다. 이 SMPS는 부하 전류에 관계없이 정전압 을 제공 하므로 CV (정전압) 모드에서 작동합니다. 이 5V의 출력 전압은 출력에서 최대 부하 (2A) 동안 가장 낮은 입력 전압에서도 일정하고 일정해야합니다.
좋은 전원 공급 장치는 리플 전압이 30mV pk-pk 미만인 것이 매우 바람직합니다. 이 SMPS의 목표 리플 전압은 30mV 피크-피크 리플 미만입니다. 이 SMPS는 수제 스위칭 변압기를 사용하여 veroboard에 구축되므로 약간 더 높은 리플 값을 기대할 수 있습니다. 이 문제는 PCB를 사용하여 피할 수 있습니다.
보호 기능:
안전하고 신뢰할 수있는 작동을 위해 SMPS에 사용할 수있는 다양한 보호 회로가 있습니다. 보호 회로는 SMPS 및 관련 부하를 보호합니다. 유형에 따라 보호 회로를 입력 또는 출력에 연결할 수 있습니다.
이 SMPS의 경우 최대 작동 입력 전압 275VAC로 입력 서지 보호 가 사용됩니다. 또한 EMI 문제를 처리 하기 위해 생성 된 EMI를 차단하는 데 공통 모드 필터 가 사용됩니다. 출력 측에는 단락 보호, 과전압 보호 및 과전류 보호가 포함 됩니다.
전력 관리 IC 선택
모든 SMPS 회로에는 스위칭 IC 또는 SMPS IC 또는 건조기 IC라고도하는 전력 관리 IC가 필요합니다. 설계에 적합한 이상적인 전원 관리 IC를 선택하기위한 설계 고려 사항을 요약 해 보겠습니다. 우리의 디자인 요구 사항은
- 10W 출력. 최대 부하에서 5V 2A.
- 범용 입력 등급. 50Hz에서 85-265VAC
- 입력 서지 보호. 최대 입력 전압 275VAC.
- 출력 단락, 과전압 및 과전류 보호.
- 정전압 작동.
위의 요구 사항 중에서 선택할 수있는 다양한 IC가 있지만이 프로젝트에서는 Power Integration 을 선택했습니다. 전력 통합은 다양한 전력 출력 범위에서 광범위한 전력 드라이버 IC를 보유한 반도체 회사입니다. 요구 사항 및 가용성을 기반으로 우리는 소형 스위치 II 제품군 의 TNY268PN 을 사용하기로 결정했습니다. 이전에이 IC를 사용하여 PCB에 12V SMPS 회로를 구축했습니다.
위 이미지에서 최대 전력 15W가 표시됩니다. 그러나 우리는 개방형 프레임과 범용 입력 정격에 대해 SMPS를 만들 것입니다. 이러한 세그먼트에서 TNY268PN은 15W 출력을 제공 할 수 있습니다. 핀 다이어그램을 보겠습니다.
5v 2Amp SMPS 회로 설계
5V 2A SMPS 회로도 를 구축하는 가장 좋은 방법 은 Power Integration의 PI 전문가 소프트웨어를 사용하는 것입니다. PI 전문가 소프트웨어를 다운로드하고 버전 8.6을 사용하십시오. 우수한 전원 공급 장치 설계 소프트웨어입니다. 아래 표시된 회로는 Power Integration의 PI 전문가 소프트웨어를 사용하여 구성됩니다. 이 소프트웨어를 처음 사용하는 경우이 12V SMPS 회로의 설계 섹션을 참조하여 소프트웨어 사용 방법을 이해할 수 있습니다.
프로토 타입 부품을 빌드하기 전에 5v 2A SMPS 회로 다이어그램 과 그 작동을 살펴 보겠습니다.
회로에는 다음 섹션이 있습니다.
- 입력 서지 및 SMPS 오류 보호
- AC-DC 변환
- PI 필터
- 드라이버 회로 또는 스위칭 회로
- 저전압 차단 보호.
- 클램프 회로.
- 자기 및 갈바닉 절연.
- EMI 필터
- 2 차 정류기 및 스 너버 회로
- 필터 섹션
- 피드백 섹션.
입력 서지 및 SMPS 오류 보호:
이 섹션은 F1과 RV1의 두 가지 구성 요소로 구성됩니다. F1은 1A 250VAC 슬로우 블로우 퓨즈이고 RV1은 7mm 275V MOV (금속 산화물 배리스터)입니다. 고전압 서지 (275VAC 이상) 동안 MOV는 데드 쇼트가되어 입력 퓨즈를 차단합니다. 그러나 슬로우 블로우 기능으로 인해 퓨즈는 SMPS를 통한 돌입 전류를 견뎌냅니다.
AC-DC 변환:
이 섹션은 다이오드 브리지에 의해 관리됩니다. 이 4 개의 다이오드 (DB107 내부)는 풀 브리지 정류기를 만듭니다. 다이오드는 1N4006이지만 표준 1N4007은 작업을 완벽하게 수행 할 수 있습니다. 이 프로젝트에서이 4 개의 다이오드는 풀 브리지 정류기 DB107로 대체됩니다.
PI 필터:
상태마다 EMI 거부 표준이 다릅니다. 이 설계는 EN61000-Class 3 표준을 확인 하고 PI 필터는 공통 모드 EMI 제거 를 줄이는 방식으로 설계되었습니다. 이 섹션은 C1, C2 및 L1을 사용하여 생성됩니다. C1 및 C2는 400V 18uF 커패시터입니다. 홀수 값이므로이 애플리케이션에는 22uF 400V가 선택됩니다. L1은 차동 EMI 신호를 사용하여 둘 다 취소하는 공통 모드 초크입니다.
드라이버 회로 또는 스위칭 회로:
SMPS의 핵심입니다. 변압기의 1 차측은 스위칭 회로 TNY268PN에 의해 제어됩니다. 스위칭 주파수는 120-132khz입니다. 이 높은 스위칭 주파수 로 인해 더 작은 변압기를 사용할 수 있습니다. 스위칭 회로에는 U1과 C3의 두 가지 구성 요소가 있습니다. U1은 메인 드라이버 IC TNY268PN입니다. C3는 드라이버 IC의 작동에 필요한 바이 패스 커패시터 입니다.
저전압 차단 보호:
저전압 차단 보호는 감지 저항 R1 및 R2에 의해 수행됩니다. SMPS가 오토-리 스타트 모드로 들어가 라인 전압을 감지 할 때 사용됩니다. R1 및 R2의 값은 PI Expert 도구 를 통해 생성됩니다. 직렬로 연결된 두 개의 저항은 안전 조치이며 저항 오류 문제를 방지하는 좋은 방법입니다. 따라서 2M 대신 2 개의 1M 저항이 직렬로 사용됩니다.
클램프 회로:
D1 및 D2는 클램프 회로입니다. D1은 TVS 다이오드 이고 D2는 초고속 복구 다이오드 입니다. 변압기는 파워 드라이버 IC TNY268PN에서 거대한 인덕터 역할을합니다. 따라서 스위칭 오프 사이클 동안 변압기는 변압기 의 누설 인덕턴스 로 인해 고전압 스파이크를 생성 합니다. 이러한 고주파 전압 스파이크는 변압기의 다이오드 클램프에 의해 억제됩니다. 초고속 복구로 인해 UF4007이 선택되고 TVS 작동에는 P6KE200A가 선택되었으며, 설계에 따라 목표 클램핑 전압 (VCLAMP)은 200V입니다. 따라서 P6KE200A가 선택되고 초고속 차단 관련 문제의 경우 UF4007이 D2로 선택됩니다.
자기 및 갈바닉 절연:
변압기는 강자성 변압기이며 고전압 AC를 저전압 AC로 변환 할뿐만 아니라 갈바닉 절연도 제공합니다.
EMI 필터:
EMI 필터링은 C4 커패시터에 의해 수행됩니다. 높은 EMI 간섭을 줄이기 위해 회로의 내성을 증가시킵니다. 그것은이다 Y 클래스 커패시터 2kV의의 정격 전압.
2 차 정류기 및 스 너버 회로:
트랜스포머의 출력은 쇼트 키 정류 다이오드 인 D6을 사용하여 정류되고 DC로 변환됩니다. D6의 스 너버 회로는 스위칭 작동 중에 과도 전압을 억제합니다. 스 너버 회로는 하나의 저항과 하나의 커패시터 (R3 및 C5)로 구성됩니다.
필터 섹션:
필터 섹션은 필터 커패시터 C6으로 구성됩니다. 더 나은 리플 제거를위한 낮은 ESR 커패시터입니다. 또한 L2 및 C7을 사용하는 LC 필터는 출력에서 더 나은 리플 제거를 제공합니다.
피드백 섹션:
출력 전압은 U3 TL431 및 R6 및 R7에 의해 감지됩니다. 라인 U2를 감지 한 후 옵토 커플러 가 제어되고 1 차측 컨트롤러와 2 차 피드백 감지 부분을 전기적으로 절연합니다. 옵토 커플러에는 내부에 트랜지스터와 LED가 있습니다. LED를 제어하여 트랜지스터를 제어합니다. 통신이 광학적으로 수행되기 때문에 직접적인 전기 연결이 없으므로 피드백 회로의 갈바닉 절연도 만족합니다.
이제 LED가 트랜지스터를 직접 제어하므로 옵토 커플러 LED에 충분한 바이어스를 제공하여 옵토 커플러 트랜지스터,보다 구체적으로 드라이버 회로를 제어 할 수 있습니다. 이 제어 시스템은 TL431에 사용됩니다. 션트 레귤레이터. 션트 레귤레이터는 레퍼런스 핀을 가로 질러 저항 분배기를 가지고 있기 때문에 가로 질러 연결된 옵토 커플러를 제어 할 수 있습니다. 피드백 핀의 기준 전압은 2.5V입니다.. 따라서 TL431은 분배기 양단의 전압이 충분한 경우에만 활성화 될 수 있습니다. 우리의 경우 전압 분배기는 5V 값으로 설정됩니다. 따라서 출력이 5V에 도달하면 TL431은 기준 핀을 통해 2.5V를 얻으므로 Optocoupler의 트랜지스터를 제어하고 TNY268PN을 간접적으로 제어하는 Optocoupler의 LED를 활성화합니다. 출력에서 전압이 충분하지 않으면 스위칭 사이클이 즉시 중단됩니다.
먼저 TNY268PN은 첫 번째 스위칭 사이클을 활성화 한 다음 EN 핀을 감지합니다. 모든 것이 정상이면 전환을 계속하고 그렇지 않으면 언젠가 다시 시도합니다. 이 루프는 모든 것이 정상이 될 때까지 계속되어 단락 또는 과전압 문제를 방지합니다. 이것이 출력 전압이 관련 동작을 감지하기 위해 드라이버로 다시 흐르기 때문에 플라이 백 토폴로지 라고 불리는 이유 입니다. 또한 시도 루프를 실패 조건에서 작동의 딸꾹질 모드라고합니다.
D3는 쇼트 키 배리어 다이오드 입니다. 이 다이오드는 고주파 AC 출력을 DC로 변환합니다. 안정적인 작동을 위해 3A 60V 쇼트 키 다이오드가 선택되었습니다. R4 및 R5는 PI Expert가 선택하고 계산합니다. 전압 분배기를 생성하고 전류를 TL431에서 Optocoupler LED로 전달합니다.
R6 및 R7은 TL431 REF voltage = (Vout x R7) / R6 + R7 공식으로 계산 된 간단한 전압 분배기 입니다. 기준 전압은 2.5V이고 Vout은 12V입니다. R6 23.7k의 값을 선택하면 R7은 약 9.09k가되었습니다.
SMPS 회로 용 스위칭 변압기 구축
일반적으로 SMPS 회로의 경우 스위칭 변압기가 필요하며 이러한 변압기는 설계 요구 사항에 따라 변압기 제조업체에서 구매할 수 있습니다. 하지만 여기서 문제는 프로토 타입을 만드는 방법을 배우면 디자인을위한 정확한 변압기를 찾을 수 없다는 것입니다. 따라서 PI 전문가 소프트웨어에서 제공하는 설계 요구 사항을 기반으로 스위칭 변압기를 구축하는 방법을 배웁니다.
생성 된 트랜스포머 구성도를 보겠습니다.
위의 이미지에서 알 수 있듯이 1 차측에서 단일 32AWG 와이어를 103 회, 2 차측에서 2 개의 25AWG 와이어를 5 회 회전해야합니다.
위의 이미지에서 권선의 시작점과 권선의 방향은 기계 다이어그램으로 설명되어 있습니다. 이 변압기를 만들기 위해서는 다음과 같은 것이 필요합니다.
- EE19 코어, NC-2H 또는 동급 사양 및 ALG 79 nH / T 2에 대해 간격이 있음
- 1 차측과 2 차측에 5 개의 핀이있는 보빈.
- 1mil 두께의 배리어 테이프. 9mm 폭의 테이프가 필요합니다.
- 32 AWG 납땜 가능 코팅 에나멜 구리 와이어.
- 25AWG 납땜 가능 코팅 에나멜 구리 와이어.
- LCR 미터.
EE 19 코어 79nH / T2의 갭 코어 NC-2H으로 필요하다; 일반적으로 쌍으로 제공됩니다. 보빈은 4 개의 기본 핀과 5 개의 보조 핀이있는 일반적인 보빈입니다. 그러나 여기에서는 양쪽에 5 개의 핀이있는 보빈이 사용됩니다.
배리어 테이프의 경우 기본 두께가 1mil (일반적으로 2mil) 이상인 표준 덕트 테이프가 사용됩니다. 태핑 관련 활동 중에 가위를 사용하여 테이프를 완벽한 너비로 자릅니다. 구리선은 오래된 변압기에서 조달되며 지역 상점에서도 구입할 수 있습니다. 제가 사용하고있는 코어와 보빈은 아래와 같습니다.
1 단계: 1 차측의 1 번 및 5 번 핀에 땜납을 추가합니다. 핀 5에서 32 AWG 와이어를 납땜하고 감기 방향은 시계 방향입니다. 아래와 같이 103 회전까지 계속
이것은 변압기의 1 차측을 형성합니다. 일단 103 회 권선이 완료되면 변압기는 아래와 같이 보입니다.
2 단계: 절연 목적으로 덕트 테이프를 적용합니다. 3 번의 덕트 테이프가 필요합니다. 또한 코일을 제자리에 유지하는 데 도움이됩니다.
3 단계: 핀 9 및 10에서 2 차 권선을 시작합니다. 2 차 측은 25AWG 에나멜 처리 된 구리선 두 가닥을 사용하여 만들어집니다. 구리선 하나를 핀 9에 납땜하고 다른 하나를 핀 10에 납땜합니다. 감기 방향은 다시 시계 방향입니다. 5 바퀴까지 계속해서 핀 5와 6의 끝 부분을 납땜합니다. 이전과 동일한 덕트 테이프를 적용하여 절연 테이프를 추가합니다.
1 차 권선과 2 차 권선이 모두 완료되고 덕트 테이프가 사용되면 변압기는 아래와 같이 보입니다.
4 단계: 이제 덕트 테이프를 사용하여 두 개의 코어를 단단히 고정 할 수 있습니다. 완료되면 완성 된 변압기가 아래와 같이 보일 것입니다.
5 단계: 또한 덕트 테이프를 나란히 감습니다. 이것은 고밀도 플럭스 전달 중에 진동을 줄입니다.
위의 단계를 수행하고 변압기는 아래와 같이 LCR 미터를 사용하여 테스트됩니다. 미터는 1.125mH 또는 1125uh 인덕턴스를 보여줍니다.
SMPS 회로 구축:
변압기가 준비되면 점선 보드에서 다른 구성 요소를 조립할 수 있습니다. 회로에 필요한 부품 세부 사항은 아래 BOM 목록에서 찾을 수 있습니다.
- 5V 2A SMPS 회로에 대한 BOM 부품 세부 정보
부품이 납땜되면 내 보드는 다음과 같이 보입니다.
5V 2A SMPS 회로 테스트
회로를 테스트하기 위해 입력 AC 주 전압을 제어하기 위해 VARIAC를 통해 입력 측을 주 전원 공급 장치에 연결했습니다. 85VAC 및 230VAC의 출력 전압은 아래에 나와 있습니다.
두 경우 모두에서 볼 수 있듯이 출력 전압은 5V로 유지됩니다. 하지만 출력을 내 스코프에 연결하고 잔물결을 확인했습니다. 리플 측정은 아래와 같습니다.
출력 리플은 상당히 높으며 150mV pk-pk 리플 출력을 보여줍니다. 이것은 전원 공급 장치 회로에는 전혀 좋지 않습니다. 분석에 따르면 높은 리플은 다음 요인으로 인해 발생합니다.
- 부적절한 PCB 설계.
- 그라운드 바운싱 문제.
- PCB 방열판이 부적절합니다.
- 시끄러운 공급 라인에 컷 아웃이 없습니다.
- 수동 권선으로 인해 변압기의 공차가 증가했습니다. 변압기 제조업체는 변압기의 안정성을 높이기 위해 기계 권선 중에 딥 바니시를 적용합니다.
회로가 적절한 PCB로 변환되면 수동 권선 변압기를 사용하더라도 50mV pk-pk 내에서 전원 공급 장치의 리플 출력을 기대할 수 있습니다. 그러나 veroboard는 AC-DC 도메인에서 스위치 모드 전원 공급을위한 안전한 옵션이 아니기 때문에 실제 시나리오에서 고전압 회로를 적용하기 전에 적절한 PCB를 설정해야한다는 것이 지속적으로 제안됩니다. 당신은 확인할 수 있습니다 비디오 부하 조건에서 어떻게 회로 수행을 확인하려면이 페이지의 끝에서.
튜토리얼을 이해하고 수제 변압기로 자신의 SMPS 회로를 구축하는 방법을 배웠기를 바랍니다. 질문이 있으시면 아래 댓글 섹션에 남겨 주시거나 더 많은 질문을 위해 포럼을 사용하십시오.