Projeto de circuito de fonte de alimentação 12V 1a usando viper22a

Os circuitos de fonte de alimentação de modo comutado (SMPS) são mais frequentemente necessários em muitos projetos eletrônicos para converter a tensão de alimentação CA em um nível adequado de tensão CC para o dispositivo operar. Este tipo de conversores AC-DC recebe a tensão de alimentação 230V / 110V AC como entrada e a converte em tensão DC de baixo nível ao comutá-la, daí o nome fonte de alimentação comutada. Já construímos alguns circuitos SMPS anteriormente, como este circuito SMPS 5V 2A e 12V 1A TNY268 SMPS. Nós até construímos nosso próprio transformador SMPS que poderia ser usado em nossos projetos SMPS junto com o IC do driver. Neste projeto, construiremos outro circuito SMPS 12V 1A usando o VIPer22A, que é um driver IC de SMPS de baixo custo popular da STMicroelectronics. Este tutorial irá guiá-lo através do circuito completo e também explicarácomo construir seu próprio transformador para o circuito VIPER. Interessante, vamos começar.

Especificações de design da fonte de alimentação VIPer22A

Da mesma forma que o projeto anterior baseado em SMPS, diferentes tipos de fonte de alimentação funcionam em diferentes ambientes e funcionam em um limite específico de entrada-saída. Este SMPS também possui uma especificação. Portanto, uma análise de especificação apropriada precisa ser feita 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. Neste projeto, a tensão de entrada é fixa. É de acordo com a classificação de tensão do padrão europeu. Portanto, a tensão CA de entrada deste SMPS será 220-240VAC. É também a classificação de tensão padrão da Índia.

Especificação de saída: A tensão de saída é selecionada como 12 V com 1 A de classificação de corrente. Portanto, será uma saída de 12W. Uma vez que este SMPS fornecerá tensão constante independentemente da corrente de carga, ele funcionará no modo CV (tensão constante). Além disso, a tensão de saída será constante e estável na tensão de entrada mais baixa com carga máxima (2A) na saída.

Tensão de ondulação de saída: É altamente desejável que uma boa fonte de alimentação tenha uma tensão de ondulação de menos de 30mV pk-pk. A voltagem de ondulação desejada é a mesma para este SMPS, inferior a 30mV de ondulação pk-pk. No entanto, a ondulação de saída do SMPS é altamente dependente da construção do SMPS, o PCB e o tipo de capacitor são usados. Usamos um capacitor ESR baixo de 105 graus da Wurth Electronics e a ondulação de saída esperada parece abaixo.

Circuitos de proteção: Existem vários circuitos de proteção que podem ser empregados em um SMPS para uma operação segura e confiável. O circuito de proteção protege o SMPS, bem como a carga associada. Dependendo do tipo, o circuito de proteção pode ser conectado na entrada ou na saída. Para este SMPS, a proteção contra surtos de entrada será usada com uma tensão de entrada operacional máxima de 275 VCA. Além disso, para lidar com problemas de EMI, um filtro de modo comum será usado para apagar o EMI gerado. Do lado da saída que vai incluir proteção contra curto-circuito, proteção de sobre-tensão e proteção de sobrecorrente.

Seleção do IC do driver SMPS

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 12W. 12V 1A com carga total.
2. Classificação de entrada do padrão europeu. 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.

Dos requisitos acima, há uma grande variedade de ICs para escolher, mas para este projeto, selecionamos o driver de potência VIPer22A da STMicroelectronics. É um driver IC de baixo custo da STMicroelectronics.

Na imagem acima, a classificação de potência típica do VIPer22A IC é mostrada. No entanto, não há nenhuma seção especificada para especificação de estrutura aberta ou de saída de energia do tipo adaptador. Faremos o SMPS em quadro aberto e para a avaliação de entrada europeia. Nesse segmento, o VIPer22A poderia fornecer uma saída de 20W. Vamos usá-lo para uma saída de 12W. A pinagem VIPer22A IC é fornecida na imagem abaixo.

Projetando um circuito de alimentação VIPer22APower

A melhor maneira de construir o circuito é usando o software Power Supply Design. Você pode baixar o VIPer Design Software Versão 2.24 para usar o VIPer22A, a versão mais recente deste software não é mais compatível com VIPer22A. É um excelente software de design de fonte de alimentação da STMicroelectronics. Ao fornecer as informações dos requisitos do projeto, o diagrama completo do circuito da fonte de alimentação pode ser gerado. O circuito VIPer22A para este projeto gerado pelo software é mostrado abaixo

Antes de ir direto para a construção do protótipo, vamos explorar a operação do circuito. O circuito tem as seguintes seções -

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

Proteção contra surtos 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.

Filtro de entrada

O capacitor C3 é um capacitor de filtro de linha 250VAC. É um capacitor tipo X semelhante ao que usamos em nosso projeto de circuito de alimentação sem transformador.

Conversão AC-DC.

A conversão AC DC é feita usando diodo retificador de ponte completa DB107. É um diodo retificador nominal de 1000 V 1A. A filtragem é feita usando o capacitor 22uF 400V. No entanto, durante este protótipo, usamos um valor muito grande de capacitor. Em vez de 22uF, usamos um capacitor de 82uF devido à disponibilidade do capacitor. Esse capacitor de alto valor não é necessário para a operação do circuito. 22uF 400 V é suficiente para uma classificação de saída de 12 W.

Circuito de driver ou circuito de comutação.

VIPer22A requer energia do enrolamento de polarização do transformador. Após obter a tensão de polarização, o VIPer começa a alternar no transformador usando um mosfet de alta tensão embutido. D3 é usado para converter a saída de polarização CA em CC e o resistor R1 de 10 Ohm é usado para controlar a corrente de pico. O capacitor do filtro é 4,7uF 50V para suavizar a ondulação DC.

Circuito de grampo

O transformador atua como um grande indutor em todo o driver de força IC VIPer22. 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 prejudiciais ao IC do driver de alimentação e podem causar falha do circuito de comutação. Portanto, isso precisa ser suprimido pela braçadeira de diodo no transformador. D1 e D2 são usados ​​para o circuito de grampo. D1 é o diodo TVS e D2 é um diodo de recuperação ultrarrápido. D1 é usado para fixar a tensão, enquanto D2 é usado como um diodo de bloqueio. 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 a CA de alta tensão em CA de baixa tensão, mas também fornece isolamento galvânico. Tem três ordens de enrolamento. Enrolamento primário, auxiliar ou de polarização e o enrolamento secundário.

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 classificação de tensão de 2kV.

Retificador secundário e circuito de amortecimento.

A saída do transformador é retificada e convertida para CC usando D6, um diodo retificador Schottky. Como a corrente de saída é 2A, o diodo 3A 60V é selecionado para esta finalidade. SB360 é um diodo Schottky classificado como 3A 60V.

Seção de filtro.

C6 é o capacitor do filtro. É um capacitor de baixo ESR para melhor rejeição de ondulação. Além disso, um pós-filtro LC é usado onde L2 e C7 fornecem 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 PC817 é um optoacoplador. Ele tem dois lados, 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 feedback tem uma tensão de referência de 2,5 V. Portanto, o TL431 pode estar ativo somente se a tensão através do 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, uma vez 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 soluço na condição de falha.

Construção de transformador de comutação para circuito VIPER22ASMPS

Vamos ver o diagrama de construção do transformador gerado. Este diagrama é obtido do software de design de fonte de alimentação que discutimos anteriormente.

O núcleo é E25 / 13/7 com um entreferro de 0,36 mm. A indutância primária é 1mH. Para a construção deste transformador, são necessários os seguintes itens. Se você é novo na construção de transformadores, leia o artigo sobre como construir seu próprio transformador SMPS.

1. Fita de poliéster
2. Pares de núcleo E25 / 13/7 com entreferro de 0,36 mm.
3. Fio de cobre 30 AWG
4. Fio de cobre 43 AWG (usamos 36 AWG devido à indisponibilidade)
5. 23 AWG (também usamos 36 AWG para este)
6. Bobina horizontal ou vertical (usamos bobina horizontal)
7. Uma caneta para segurar a bobina durante o enrolamento.

Etapa 1: segure o núcleo usando uma caneta, inicie o fio de cobre 30 AWG do pino 3 da bobina e continue 133 voltas no sentido horário até o pino 1. Aplique 3 camadas de fita de poliéster.

Etapa 2: comece o enrolamento de polarização usando fio de cobre 43 AWG do pino 4 e continue até as 31 voltas e termine o enrolamento no pino 5. Aplique 3 camadas de fita de poliéster.

Inicie o enrolamento de polarização usando fio de cobre 43 AWG do pino 4 e continue até as 31 voltas e termine o enrolamento no pino 5. Aplique 3 camadas de fita de poliéster.

Etapa 3: inicie o enrolamento secundário do pino 10 e continue enrolando no sentido horário em 21 voltas. Aplique 4 camadas de fita de poliéster.

Etapa 4: prenda o núcleo com lacuna com a fita adesiva enrolada lado a lado. Isso reduzirá a vibração durante a transferência de fluxo de alta densidade.

Uma vez que a construção é feita, o transformador é testado com um medidor LCR para medir o valor da indutância das bobinas. O medidor está mostrando 913 mH, o que está próximo da indutância primária de 1mH.

Construindo o circuito VIPer22A SMPS:

Com a classificação do transformador verificada, podemos prosseguir com a soldagem de todos os componentes em uma placa Vero, conforme mostrado no diagrama de circuito. Minha placa, uma vez que o trabalho de soldagem foi feito, parecia com esta abaixo

Testando circuito VIPer22A para SMPS 12V 1A:

Para testar o circuito, conectei o lado da entrada à fonte de alimentação por meio de um VARIAC para controlar a tensão da rede CA de entrada. Na imagem abaixo, a tensão de saída em 225VAC é mostrada.

Como você pode ver no lado da saída, temos 12,12 V, que está próximo da tensão de saída desejada de 12 V. O trabalho completo é mostrado no vídeo anexo no final desta página. Espero que você tenha entendido o tutorial e aprendido a construir seus próprios circuitos SMPS com um transformador feito à mão. Se você tiver alguma dúvida, deixe-a na seção de comentários abaixo.