Como projetar um circuito de fonte de alimentação 5V 2A SMPS

Unidade de fonte de alimentação (PSU) é uma parte vital em qualquer projeto de produto eletrônico. A maioria dos produtos eletrônicos domésticos, como carregadores de celular, alto-falantes Bluetooth, bancos de energia, relógios inteligentes, etc., requer um circuito de fonte de alimentação que pode converter a fonte de alimentação CA em 5 V CC para operá-los. Neste projeto, construiremos um circuito de fonte de alimentação CA a CC semelhante com 10W de potência nominal. Esse é o nosso circuito que converterá a rede elétrica de 220 Vca em 5 V e fornecerá uma corrente de saída máxima de até 2 A. Esta classificação de energia deve ser suficiente para alimentar a maioria dos produtos eletrônicos que funcionam com 5V. Além disso, o circuito SMPS 5V 2A é bastante popular na eletrônica, pois há muitos microcontroladores que operam em 5V.

A ideia do projeto é manter a construção o mais simples possível, portanto, vamos projetar o circuito completo em uma placa pontilhada (placa perf) e também construir nosso próprio transformador para que qualquer pessoa possa replicar este projeto ou construir outros semelhantes. Animado, certo! Então vamos começar. Anteriormente, também construímos um circuito SMPS de 12 V 15 W usando um PCB, para que as pessoas interessadas em como projetar um PCB para um projeto de PSU (unidade de fonte de alimentação) possam verificar isso também.

Circuito 5V 2A SMPS – Especificações do projeto

Diferentes variedades de fontes de alimentação se comportam de maneira diferente em diferentes ambientes. Além disso, o SMPS funciona em limites específicos de entrada e saída. A análise de especificação adequada precisa ser realizada antes de prosseguir com o projeto real.

Especificação de entrada:

Este será um SMPS no domínio de conversão AC para DC . Portanto, a entrada será AC. Para o valor da tensão de entrada, é bom usar uma classificação de entrada universal para o SMPS. Portanto, a tensão AC será 85-265VAC com classificação de 50Hz. Dessa forma, o SMPS pode ser usado em qualquer país, independentemente do valor da tensão CA da rede elétrica.

Especificação de saída: 

A tensão de saída é selecionada como 5 V com 2 A da classificação atual. Portanto, será uma saída de 10W . Uma vez que este SMPS fornecerá tensão constante independentemente da corrente de carga, ele funcionará no modo CV (tensão constante). Esta tensão de saída de 5 V deve ser constante e estável mesmo na tensão de entrada mais baixa durante uma carga máxima (2 A) na saída.

É altamente desejável que uma boa fonte de alimentação tenha uma ondulação de tensão inferior a 30mV pk-pk . A ondulação de tensão desejada para este SMPS é inferior a 30mV de ondulação pico a pico. Uma vez que este SMPS será construído em veroboard usando um transformador de comutação feito à mão , podemos esperar valores ligeiramente mais altos de ondulação. Esse problema pode ser evitado usando um PCB.

Seleção do CI de gerenciamento de energia

Cada circuito SMPS requer um IC de gerenciamento de energia, também conhecido como switching IC ou SMPS IC ou Drier IC. Vamos resumir as considerações de design para selecionar o CI de gerenciamento de energia ideal que será adequado para nosso design. Nossos requisitos de design são

1. Saída de 10W. 5V 2A com carga total.
2. Classificação de entrada universal. 85-265VAC a 50Hz
3. Proteção contra surtos de entrada. Tensão de entrada máxima 275VAC.
4. Proteção contra curto-circuito, sobretensão e sobrecorrente de saída.
5. Operações de tensão constante.

A partir dos requisitos acima, há uma grande variedade de CIs para escolher, mas para este projeto, selecionamos a  integração de energia . A Power Integration é uma empresa de semicondutores que possui uma ampla variedade de CIs de driver de potência em várias faixas de potência de saída. Com base nos requisitos e disponibilidade, decidimos usar o  TNY268PN de famílias de pequenos switches II.

Na imagem acima, a potência máxima de 15W é mostrada. No entanto, faremos o SMPS no quadro aberto e para a classificação de entrada universal. Em tal segmento, TNY268PN poderia fornecer 15W de saída. Vamos ver o diagrama de pinos.

Projetando o circuito 5v 2Amp SMPS

A melhor maneira de construir o 5V 2A SMPS Schematic é usar o software PI expert do Power integration. Baixe o software PI expert e use a versão 8.6. É um excelente software de design de fonte de alimentação. O circuito mostrado abaixo é construído usando o software PI expert da Power Integration. Se você é novo neste software, pode consultar a seção de design deste circuito SMPS de 12 V para entender como usar o software.

Antes de ir direto para a construção da parte do protótipo, vamos explorar o  diagrama de circuito SMPS 5v 2A  e sua operação.

O circuito tem as seguintes seções-

1. Proteção contra surto de entrada e falha SMPS
2. Conversão AC-DC
3. Filtro PI
4. Circuito do driver ou circuito de comutação
5. Proteção de bloqueio de subtensão.
6. Circuito de fixação.
7. Isolamento magnético e galvânico.
8. Filtro EMI
9. Retificador secundário e circuito de amortecimento
10. Seção de Filtro
11. Seção de feedback.

Proteção contra surto de entrada e falha SMPS :

Esta seção consiste em dois componentes, F1 e RV1. F1 é um fusível lento 1A 250VAC   e RV1 é um MOV ( Varistor de óxido metálico ) de 7 mm 275V . Durante um surto de alta tensão (mais de 275 VCA), o MOV ficou em curto e queima o fusível de entrada. No entanto, devido ao recurso de queima lenta, o fusível resiste à  corrente de inrush  através do SMPS.

Conversão AC-DC :

Esta seção é governada pela ponte de diodo. Esses quatro diodos (dentro do DB107) fazem um  retificador em ponte completa . Os diodos são 1N4006, mas o padrão 1N4007 pode fazer o trabalho perfeitamente. Neste projeto, esses quatro diodos são substituídos por um retificador em ponte completa DB107.

Filtro PI :

Diferentes estados têm diferentes padrões de rejeição de EMI. Este projeto confirma o  padrão EN61000-Classe 3  e o filtro PI é projetado de forma a reduzir a  rejeição de EMI de modo comum . Esta seção é criada usando C1, C2 e L1. C1 e C2 são capacitores de 400 V 18uF. É um valor ímpar, portanto 22uF 400 V foi selecionado para esta aplicação. O L1 é um choke de modo comum que recebe o sinal EMI diferencial para cancelar ambos.

Circuito do driver ou circuito de comutação :

É o coração de um SMPS. O   lado primário do transformador é controlado pelo circuito de chaveamento TNY268PN. A frequência de comutação é 120-132 khz. Devido a esta  alta frequência de chaveamento , transformadores menores podem ser usados. O circuito de comutação tem dois componentes, U1 e C3. U1 é o principal driver IC TNY268PN. O C3 é o  capacitor de bypass  necessário para o funcionamento do nosso driver IC.

Proteção de bloqueio de subtensão :

A proteção de bloqueio de subtensão é feita pelo resistor de detecção R1 e R2. É usado quando o SMPS entra no modo de reinicialização automática e detecta a tensão da linha. O valor de R1 e R2 é gerado por meio da ferramenta PI Expert . Dois resistores em série é uma medida de segurança e uma boa prática para evitar problemas de falha do resistor. Assim, em vez de 2M, dois resistores de 1M são usados ​​na série.

Circuito de grampo :

D1 e D2 são o circuito do grampo. D1 é o  diodo TVS  e D2 é  um diodo de recuperação ultrarrápido . O transformador atua como um grande indutor em todo o driver de potência IC TNY268PN. Portanto, durante o ciclo de desligamento, o transformador cria picos de alta  tensão  devido à  indutância  de fuga do transformador. Esses picos de tensão de alta frequência são suprimidos pelo  grampo de diodo  no transformador. UF4007 é selecionado devido à recuperação ultrarrápida e P6KE200A é selecionado para a operação TVS. De acordo com o projeto, a tensão de fixação desejada (VCLAMP) é 200V. Portanto, P6KE200A é selecionado e para problemas relacionados ao bloqueio ultrarrápido, UF4007 é selecionado como D2.

Isolamento magnético e galvânico :

O transformador é um transformador ferromagnético e não apenas converte CA de alta tensão em CA de baixa tensão, mas também fornece isolamento galvânico .

Filtro EMI :

A filtragem EMI é feita pelo capacitor C4. Aumenta a imunidade do circuito para reduzir a alta interferência EMI. É um capacitor classe Y com uma tensão nominal de 2kV.

Circuito retificador secundário e amortecedor :

A saída do transformador é retificada e convertida em CC usando D6, um  diodo retificador Schottky . O  circuito de amortecimento  através do D6 fornece supressão do transiente de tensão durante as operações de comutação. O circuito de amortecimento consiste em um resistor e um capacitor, R3 e C5.

Seção de filtro :

A seção do filtro consiste em um capacitor de filtro C6. É um capacitor de baixo ESR para melhor rejeição de ondulação. Além disso, um filtro LC usando L2 e C7 fornece melhor rejeição de ondulação na saída.

Seção de feedback :

A tensão de saída é detectada pelo U3 TL431 e R6 e R7. Depois de detectar a linha U2, o  optoacoplador  é controlado e isola galvanicamente a porção de detecção de feedback secundário com o controlador lateral primário. O optoacoplador possui um transistor e um LED dentro dele. Ao controlar o LED, o transistor é controlado. Como a comunicação é feita opticamente, não há conexão elétrica direta, satisfazendo também o isolamento galvânico no circuito de realimentação.

Agora, como o LED controla diretamente o transistor, fornecendo polarização suficiente através do LED do optoacoplador, pode-se controlar o transistor do optoacoplador , mais especificamente o circuito do driver. Este sistema de controle é empregado pelo TL431. Um regulador de derivação. Como o regulador de derivação tem um divisor de resistor em seu pino de referência, ele pode controlar o LED do optoacoplador que está conectado a ele. O pino de realimentação tem uma tensão de referência de 2,5 V . Portanto, o TL431 pode estar ativo apenas se a tensão no divisor for suficiente. Em nosso caso, o divisor de tensão é definido com um valor de 5V. Portanto, quando a saída atinge 5 V, o TL431 obtém 2,5 V no pino de referência e, assim, ativa o LED do optoacoplador que controla o transistor do optoacoplador e indiretamente controla o TNY268PN. Se a tensão não for suficiente na saída, o ciclo de comutação é imediatamente suspenso.

Primeiro, o TNY268PN ativa o primeiro ciclo de comutação e, em seguida, detecta seu pino EN. Se tudo estiver bem, ele continuará a troca, caso contrário, ele tentará novamente depois de algum tempo. Este loop continua até que tudo fique normal, evitando problemas de curto-circuito ou sobretensão. É por isso que é chamada de topologia flyback , já que a tensão de saída é enviada de volta ao driver para detectar operações relacionadas. Além disso, o loop de tentativa é chamado de modo de operação de soluço na condição de falha.

O D3 é um  diodo de barreira Schottky . Este diodo converte a saída CA de alta frequência em CC. 3A Diodo Schottky 60V é selecionado para uma operação confiável. R4 e R5 são selecionados e calculados pelo PI Expert. Ele cria um  divisor de tensão  e passa a corrente para o LED do optoacoplador do TL431.

R6 e R7 é um divisor de tensão simples calculado pela fórmula TL431  REF tensão = (Vout x R7) / R6 + R7 . A tensão de referência é 2,5 V e a Vout é 12 V. Ao selecionar o valor de R6 23,7k, o R7 tornou-se aproximadamente 9,09k.

Construindo um transformador de comutação para nosso circuito SMPS

Normalmente, para um circuito SMPS, um transformador de comutação será necessário; esses transformadores podem ser adquiridos de fabricantes de transformadores com base em seus requisitos de projeto. Mas o problema aqui é que, se você está aprendendo a construir um protótipo, não consegue encontrar o transformador exato nas prateleiras para o seu projeto. Portanto, aprenderemos como construir um transformador de comutação com base nos requisitos de projeto fornecidos por nosso software especialista PI.

Vamos ver o diagrama de construção do transformador gerado.

Como mostra a imagem acima, precisamos realizar 103 voltas de um único fio 32 AWG no lado primário e 5 voltas de dois fios 25 AWG no lado secundário.

Na imagem acima, o ponto de partida dos enrolamentos e a direção do enrolamento são descritos como um diagrama mecânico. Para fazer este transformador, as seguintes coisas são necessárias-

1. Núcleo EE19, NC-2H ou especificação equivalente e com intervalo para ALG 79 nH/T²
2. Bobina com 5 pinos no lado primário e secundário.
3. Fita barreira com espessura de 1 mil. É necessária uma fita de 9 mm de largura.
4. Fio de cobre esmaltado com revestimento soldável 32 AWG.
5. Fio de cobre esmaltado com revestimento soldável 25AWG.
6. Medidor LCR.

Núcleo EE19 com NC-2H com núcleo lacrado de 79nH/T2 é necessário; geralmente, está disponível em pares. A bobina é genérica com 4 pinos primários e 5 pinos secundários. No entanto, aqui é usada uma bobina com 5 pinos em ambos os lados.

Para a fita barreira, é usada fita adesiva padrão com uma espessura de base de mais de 1 mil (normalmente 2 mil). Durante as atividades relacionadas ao rosqueamento, a tesoura é usada para cortar a fita em larguras perfeitas. Os fios de cobre são adquiridos de transformadores antigos e também podem ser adquiridos em lojas locais. O núcleo e a bobina que estou usando são mostrados abaixo

Etapa 1: adicione solda no primeiro e no quinto pino do lado primário. Solde o fio 32 AWG no pino 5 e a direção de enrolamento é no sentido horário. Continue até 103 voltas, conforme mostrado abaixo

Isso forma o lado primário do nosso transformador, uma vez que as 103 voltas do enrolamento foram concluídas, meu transformador ficou assim abaixo.

Etapa 2: aplique fita adesiva para fins de isolamento, são necessárias 3 voltas de fita adesiva. Também ajuda a manter a bobina na posição.

Etapa 3: inicie o enrolamento secundário nos pinos 9 e 10. O lado secundário é feito com dois fios de cobre esmaltado 25AWG. Solde um fio de cobre no pino 9 e outro no pino 10. A direção do enrolamento é novamente no sentido horário. Continue até 5 voltas e solde as terminações nos pinos 5 e 6. Adicione fita isolante aplicando fita adesiva como antes.

Depois que os enrolamentos primário e secundário foram feitos e a fita adesiva foi usada, meu transformador parecia como mostrado abaixo

Etapa 4: agora podemos proteger os dois núcleos com firmeza usando fita adesiva. Uma vez feito o transformador concluído, deve ser semelhante a este abaixo.

Etapa 5: também certifique-se de enrolar a fita adesiva lado a lado. Isso reduzirá a vibração durante a transferência de fluxo de alta densidade.

Depois que as etapas acima forem feitas e o transformador for testado usando um medidor LCR, conforme mostrado abaixo. O medidor está mostrando indutâncias de 1,125 mH ou 1125 uh.

Construindo o Circuito SMPS:

Assim que o transformador estiver pronto, podemos prosseguir com a montagem dos outros componentes na placa pontilhada. Os detalhes das peças necessárias para o circuito podem ser encontrados na lista de materiais abaixo

• Detalhes da peça BOM para circuito 5V 2A SMPS

Depois que os componentes são soldados, minha placa fica mais ou menos assim.

Testando o Circuito 5V 2A SMPS

Para testar o circuito, conectei o lado da entrada à fonte de alimentação da rede elétrica por meio de um VARIAC para controlar a tensão da rede CA de entrada. A tensão de saída em 85VAC e 230VAC é mostrada abaixo

Como você pode ver em ambos os casos, a tensão de saída é mantida em 5V. Mas então conectei a saída ao meu osciloscópio e verifiquei se há ondulações. A medição da ondulação é mostrada abaixo

A ondulação de saída é bastante alta, ela mostra a saída de ondulação pk-pk de 150mV. Isso não é totalmente bom para um circuito de fonte de alimentação. Com base na análise, a alta ondulação se deve aos fatores abaixo-

1. Projeto de PCB impróprio.
2. Problema de rebatimento do solo.
3. O dissipador de calor do PCB é impróprio.
4. Sem corte em linhas de alimentação barulhentas.
5. Tolerâncias aumentadas no transformador devido ao enrolamento manual. Os fabricantes de transformadores aplicam verniz por imersão durante os enrolamentos da máquina para melhor estabilidade dos transformadores.

Se o circuito for convertido para um PCB adequado, podemos esperar a saída de ondulação da fonte de alimentação dentro de 50mV pk-pk, mesmo com um transformador de enrolamento manual. No entanto, como o PCB Universal não é uma opção segura para fazer uma fonte de alimentação comutada no domínio CA para CC, é constantemente sugerido que o PCB adequado deve ser estabelecido antes de aplicar circuitos de alta tensão em cenários práticos. 

Espero que você tenha entendido o tutorial e aprendido como construir seus próprios circuitos SMPS com um transformador feito à mão. Se você tiver alguma dúvida, deixe-a na seção de comentários abaixo.