Самодельные импульсные блоки питания схемы. Проектирование импульсных блоков питания: основные схемы и расчеты

На приведенных выше принципиальных схемах показана конструкция секции сетевого трансформатора переменного тока и импульсный источник питания постоянного тока соответственно. Напряжение переменного тока со вторичной стороны подается на отдельные входы через плату питания, а центральный отвод подключается к линии заземления.

Нерегулируемое входное напряжение Ui для ИС поступает через схему двухполупериодного выпрямителя, состоящую из пары 3-амперных диодов 1N5404, D1-D2 и фильтрующего конденсатора Ct. Цепь, состоящая из R1-C3-C4, выделяет коэффициент усиления замкнутого контура регулирования. Другой каскад схемы, использующий C2-R2, настроен на генерацию частоты генератора приблизительно 100 кГц.

Конденсатор C5 C5 на самом деле выполняет две функции: определяет время плавного пуска, как показано на изображении выше, а также средний ток короткого замыкания. Вход обратной связи L4962 подключен к переходу R3-R4 делителя выходного напряжения. Выходное напряжение Uo L4960 определяется с помощью следующих вычислений:

Uo = 5,1[(R3 + R4)/R3] при условии, что Ui — Uo ≥ 3 В.

Обратите внимание, что наименьшее значение Ui должно быть 9 В. Мы можем получить фиксированное выходное напряжение 5,1 В (±4%), как только R3 будет удален, а R4 заменен короткой перемычкой. Если R3 выбран с фиксированным значением 5K6, R4 индивидуально определяет выходное напряжение:

Uo =9 В: R4 = 4K3
Uo =12 В: R4 = 7K6
Uo =15 В: R4 = 10K
Uo =18 В: R4 = 14K
Uo =24 В: R4 = 20K

Конструкция можно преобразовать источник питания с переменным режимом переключения, используя R3 = 6K8 и модернизировав R3 с помощью потенциометра 25K. Диод D3 встроен для защиты микросхемы. Этот быстродействующий выпрямитель ограничивает отрицательные выбросы на входе катушки индуктивности до безвредного уровня от 0,6 до 1 В для каждого периода отключения внутреннего выходного транзистора ИС.

Если бы D3 не было, это привело бы к опасному повышению потенциала на выводе 7 микросхемы на много вольт ниже потенциала земли. Катушка индуктивности L1 вместе с диодом D3 и конденсатором C6 C7 действует как понижающий преобразователь для регулирования выходного сигнала в режиме переключения, тем самым вызывая гораздо меньшее рассеивание тепла по сравнению с любой другой линейной схемой ИС, такой как LM338.

Конструкция

Компактная дорожка печатной платы и расположение компонентов можно визуализировать на следующем изображении.

Собрать плату на самом деле очень просто. Начните с выбора резисторов R3 и R4, как упоминалось ранее. Сначала соберите детали, расположенные вокруг центра печатной платы, такие как R1… R4 включительно, а также C2 C5.

Перед тем, как приступить к пайке деталей, убедитесь, что регулятор IC1 и силовой диод D1 зажаты винтом/гайкой вплотную друг к другу над одним общим радиатором, как показано на изображении накладки компонента.

Не забудьте обеспечить электрическую изоляцию радиатора от металлического вывода ИС с помощью более толстой слюдяной шайбы и пластиковой втулки. Вы можете использовать тип BYV28 для диода D3. Какой бы тип диода ни был выбран, проверьте изоляцию микрофона с помощью тестера непрерывности!

Вставьте контакты ICI и D3 в соответствующие отверстия на печатной плате до тех пор, пока радиатор не сядет плотно на поверхность печатной платы. Теперь припаяйте выводы и отрежьте оставшуюся ненужную часть выводов. После этого установите остальные детали L1, CI, C6, C7, Cs, D1 и D2.

Обязательно следите за правильностью ориентации и полярности контактов диодов и электролитических конденсаторов. Чрезмерное внимание должно быть обращено на предотвращение любой возможности короткого замыкания обмотки сердечника дросселя с радиатором ИС. Рекомендуется закрепить L1 с помощью центрального нейлонового болта и гайки.

Тестирование и эффективность

Начните процедуру тестирования с проверки размещения, изоляции и направления каждого компонента на печатной плате, прежде чем подключать плату к вторичным проводам трансформатора.

Следует отметить, что этому регулируемому импульсному источнику питания для оптимальной работы требуется постоянно подключенная к выходу нагрузка. Когда на ИИП подается напряжение 30 В переменного тока, а нагрузка 2 А подключена к выходному напряжению 5 В, температура радиатора не должна превышать примерно 60 °C при комнатной температуре.

КПД схемы при таких обстоятельствах можно ожидать около 68%. КПД повышается до 80 % при Uo = 10 В, до 85 % при Uo = 15 В и до 87 % при Uo = 25 В, все при номинальной нагрузке 2 А.

Спецификация

О компании Swagatam

Я инженер-электронщик (dipIETE), любитель, изобретатель, разработчик схем/печатных плат, производитель. Я также являюсь основателем веб-сайта: https://www.homemade-circuits.com/, где я люблю делиться своими инновационными схемами и учебными пособиями.
Если у вас есть какие-либо вопросы, связанные со схемой, вы можете взаимодействовать через комментарии, я буду очень рад помочь!

16 способов проектирования импульсного источника питания

Эта статья является частью TechXchange : Блок питания ly Design

Загрузите эту статью в формате PDF.

Проще говоря, разработка блока питания — это серьезная задача. Приняв решение о сборке или покупке, вы сталкиваетесь с множеством вариантов схем — больше, чем вы, вероятно, думаете. Создание источника питания раньше было относительно простым, но с преобладанием в наши дни методов импульсного режима это стало сложной специализацией. Если вы не являетесь экспертом по источникам питания и/или это один из ваших первых проектов, вам могут понадобиться некоторые рекомендации. Информация, представленная здесь, должна помочь вам определить ваши варианты и остановиться на одном из них.

Шаг 1: Хорошая спецификация

Все начинается с хорошей спецификации. Крайне важно уделить время изучению ваших потребностей и написанию подробной спецификации. В качестве отправной точки укажите следующие основные характеристики:

• Диапазон входного напряжения (переменного или постоянного тока)
• Выходные напряжения (постоянного или переменного тока) и допуски
• Требования к выходному току
• Максимальная пульсация
• Расчетная общая требуемая мощность
• Требования к эффективности, если таковые имеются
• Вопросы электромагнитных помех (ЭМП), если таковые имеются

Шаг 2: Первое решение

С этими характеристиками вы сможете сделать свой первый важный выбор: линейная или импульсная конструкция. Да, линейные источники питания по-прежнему доступны даже в нынешней среде, где преобладает импульсный режим. Если ваша конструкция допускает более низкий КПД линейного источника питания, вы можете оценить его преимущества. Основными преимуществами линейного источника питания являются простота конструкции, более низкая стоимость, обилие соответствующих компонентов, проверенные технологии и низкий уровень электромагнитных помех.

С другой стороны, импульсные конструкции по своей природе шумны, и цепи, которые вы питаете, могут быть восприимчивы к этому шуму. Например, для генератора, тактового генератора, синтезатора или другой критической схемы может потребоваться низкий фазовый шум или джиттер. Линейный источник питания с регулятором с малым падением напряжения (LDO) обеспечит чистый постоянный ток для удовлетворения этой потребности. По крайней мере, имейте в виду линейный вариант, так как он все еще может быть вашим лучшим выбором в некоторых проектах.

Большинство новых конструкций имеют переключаемый режим. Преимущества импульсного источника питания (SMPS) слишком велики, чтобы их игнорировать. Эффективность является основным преимуществом, с эффективностью более 90% для многих дизайнов. Небольшой размер и доступная стоимость являются другими преимуществами. Недостатком является сложный и хитрый дизайн с множеством альтернативных подходов. Однако вы можете сделать более осознанный выбор дизайна, если расширите список спецификаций.

Шаг 3: Расширенные спецификации

В дополнение к базовым спецификациям, составленным ранее, они также должны быть определены для вашего проекта:

• Требование к электрической изоляции между входом и выходом
• Температурный диапазон работы
• Ожидаемый пусковой ток
• Пиковый и средний выходной ток
• Кратковременное воздействие и необходимость реагирования
• Требования к регулированию нагрузки и линии
• Частота переключения
• В дополнение к требованиям EMI, включите необходимость коррекции коэффициента мощности (PFC), Underwriters Laboratories (UL) или другие сертификаты

Шаг 4. Выберите топологию

Наиболее популярными топологиями DC-DC SMPS являются buck (a), boost (b), инвертирующий buck-boost (c), SEPIC (d) и Zeta (e). . МОП-транзистор выполняет переключение, катушки индуктивности и конденсаторы накапливают энергию, а диод управляет направлением тока.

Возможно, вы уже знаете, что доступно несколько различных конструкций импульсных схем. Но знаете ли вы, что на самом деле существует 16 топологий, о которых вам следует знать? Один из них обязательно подойдет вам:

• Buck
• Синхронный бак
• Повышение
• Инвертирующий повышающе-понижающий
• СЕПИК
• Кук
• Зета
• Летучая мышь
• Обратный ход
• Обратный ход с двумя переключателями
• Активный зажим вперед
• Одинарный переключатель вперед
• Два переключателя вперед
• Полумост
• Полный мост
• Полный мост с фазовым сдвигом

Недостаток места здесь не позволяет обеспечить полное покрытие. Тем не менее, есть два замечательных источника, которые вы можете изучить, чтобы оценить свой выбор топологии:

• Краткое справочное руководство по топологиям электропитания. На этих девяти страницах вы быстро освежите в памяти наиболее распространенные топологии импульсных источников питания. Он заполнен соответствующими волновыми формами и уравнениями.

• Дополнительные сведения см. в 200-страничном Руководстве по топологиям электропитания. Объяснения схемы и рекомендации по проектированию основаны на требованиях.

Шаг 5. Начните разработку

Типичный подход заключается в сужении выбора топологии до принятия окончательного решения. Наиболее популярными топологиями являются buck, boost, buck-boost (и инвертирующая версия), SEPIC и Zeta. На рис. 1 показаны упрощенные схемы для каждого из них. Понижающий формат понижает входное напряжение, а повышающий повышает. Остальные три тоже могут. Топология Кука хороша, если вам нужно изменить полярность выхода.

Если вам нужна изоляция, можно использовать трансформаторы. Топологии, которые будут включать их в конструкцию, включают обратноходовую, прямоходовую, двухтактную, полумостовую или полномостовую.

Что касается частоты коммутации, она обычно сводится к наилучшей оценке, основанной на вашем приложении. Сегодня типичные частоты переключения находятся в диапазоне примерно от 100 кГц до нескольких мегагерц. Низкие частоты, как правило, лучше подходят для приложений с более высокой мощностью, требующих максимальной эффективности. Более высокие частоты упрощают фильтрацию с меньшими конденсаторами и катушками индуктивности и могут привести к уменьшению размеров и стоимости.

Также обязательно учитывайте влияние основной гармоники и гармоник на другое оборудование поблизости. Одним из возможных решений для ограничения электромагнитных помех при переключении является дизеринг. Это включает в себя случайное изменение частоты переключения для уменьшения любых электромагнитных помех за счет расширения спектра в более широком диапазоне.