viper22aを使用した12V1a電源回路設計

スイッチモード電源回路（SMPS）は、多くの電子設計で、AC主電源電圧をデバイスが動作するのに適したレベルのDC電圧に変換するために最も頻繁に必要とされます。このタイプのAC-DCコンバーターは、230V / 110VのAC主電源電圧を入力として取り込み、それを切り替えることによって低レベルのDC電圧に変換するため、スイッチモード電源と呼ばれています。この5V2ASMPS回路や12V1A TNY268 SMPS回路のように、すでにいくつかのSMPS回路を構築しています。 SMPS設計でドライバーICとともに使用できる独自のSMPSトランスも構築しました。このプロジェクトでは、STMicroelectronicsの人気のある低コストSMPSドライバーICであるVIPer22Aを使用して、別の12V 1ASMPS回路を構築します。このチュートリアルでは、完全な回路を紹介し、説明もしますVIPER回路用に独自のトランスを構築する方法。興味深い権利を始めましょう。

VIPer22A電源の設計仕様

以前のSMPSベースのプロジェクトと同様に、さまざまな種類の電源がさまざまな環境で機能し、特定の入出力境界で機能します。このSMPSにも仕様があります。したがって、実際の設計を進める前に、適切な仕様分析を行う必要があります。

入力仕様：これは、ACからDCへの変換ドメインのSMPSになります。したがって、入力はACになります。このプロジェクトでは、入力電圧は固定されています。これは、ヨーロッパの標準電圧定格によるものです。したがって、このSMPSの入力AC電圧は220〜240VACになります。これは、インドの標準電圧定格でもあります。

出力仕様：出力電圧は1Aの電流定格で12Vとして選択されています。したがって、12W出力になります。このSMPSは負荷電流に関係なく定電圧を提供するため、CV（定電圧）モードで動作します。また、出力電圧は、出力両端に最大負荷（2A）があり、最低入力電圧で一定かつ安定します。

出力リップル電圧：良好な電源のリップル電圧が30mVpk-pk未満であることが強く望まれます。目標リップル電圧はこのSMPSと同じで、30mVpk-pkリップル未満です。ただし、SMPS出力リップルはSMPSの構造に大きく依存し、PCBとコンデンサのタイプが使用されます。Wurth Electronicsの定格105度の低ESRコンデンサを使用しましたが、予想される出力リップルは以下のようです。

保護回路：安全で信頼性の高い動作のためにSMPSで使用できるさまざまな保護回路があります。保護回路は、SMPSと関連する負荷を保護します。タイプに応じて、保護回路を入力または出力の両端に接続できます。このSMPSの場合、 入力サージ保護 は275VACの最大動作入力電圧で使用されます。また、EMIの問題に対処するために、 コモンモードフィルター を使用して、生成されたEMIをブランクにします。出力側には、 短絡保護、 過電圧保護、および 過電流保護が含まれます。

SMPSドライバICの選択

すべてのSMPS回路には、スイッチングIC、SMPS IC、またはドライヤーICとも呼ばれる電源管理ICが必要です。設計上の考慮事項を要約して、設計に適した理想的なパワーマネジメントICを選択しましょう。私たちの設計要件は

1. 12W出力。全負荷で12V1A。
2. 欧州標準入力定格。50Hzで85-265VAC
3. 入力サージ保護。最大入力電圧275VAC。
4. 出力短絡、過電圧および過電流保護。
5. 定電圧動作。

上記の要件から選択できるICは多岐にわたりますが、このプロジェクトでは、STMicroelectronicsのVIPer22Aパワードライバを選択しました。STMicroelectronicsの非常に低コストのパワードライバICです。

上の画像には、VIPer22AICの標準的な電力定格が示されています。ただし、オープンフレームまたはアダプタタイプの出力仕様については、指定されたセクションはありません。私たちは、作るオープンフレームでSMPSをし、欧州の入力定格のために。このようなセグメントでは、VIPer22Aは20Wの出力を提供できます。12W出力に使用します。VIPer22A ICのピン配列は、以下の画像に示されています。

VIPer22A電源回路の設計

回路を構築する最良の方法は、電源設計ソフトウェアを使用することです。VIPer Designソフトウェアバージョン2.24をダウンロードして、VIPer22Aを使用できます。このソフトウェアの最新バージョンは、VIPer22Aをサポートしていません。STMicroelectronicsの優れた電源設計ソフトウェアです。設計要件情報を提供することにより、完全な電源回路図を生成できます。ソフトウェアによって生成されたこのプロジェクトのVIPer22A回路を以下に示します。

プロトタイプパーツの作成に取り掛かる前に、回路の動作について見ていきましょう。回路には次のセクションがあります-

1. 入力サージとSMPS障害保護
2. 入力フィルター
3. AC-DC変換
4. ドライバ回路またはスイッチング回路
5. クランプ回路。
6. 磁気およびガルバニック絶縁。
7. EMIフィルター
8. 二次整流器
9. フィルターセクション
10. フィードバックセクション。

入力サージとSMPS障害保護。

このセクションは、F1とRV1の2つのコンポーネントで構成されています。F1は1A250VACスローブローヒューズで、RV1は7mm 275V MOV（金属酸化物バリスタ）です。高電圧サージ（275VAC以上）の間に、MOVは完全に短絡し、入力ヒューズを飛ばします。ただし、スローブロー機能により、ヒューズはSMPSを流れる突入電流に耐えます。

入力フィルター

コンデンサC3は250VACラインフィルタコンデンサです。トランスレス電源回路設計で使用したものと同様のX型コンデンサです。

AC-DC変換。

AC DC変換は、DB107フルブリッジ整流ダイオードを使用して行われます。1000V1A定格の整流ダイオードです。フィルタリングは22uF400Vコンデンサを使用して行われます。ただし、このプロトタイプでは、非常に大きな値のコンデンサを使用しました。コンデンサが利用できるため、22uFの代わりに82uFのコンデンサを使用しました。このような高い値のコンデンサは、回路の動作には必要ありません。12Wの出力定格には22uF400Vで十分です。

ドライバ回路またはスイッチング回路。

VIPer22Aは、トランスのバイアス巻線からの電力を必要とします。バイアス電圧を取得した後、VIPerは内蔵の高電圧MOSFETを使用してトランスのスイッチングを開始します。D3はACバイアス出力をDCに変換するために使用され、R1、10オームの抵抗は突入電流を制御するために使用されます。フィルタコンデンサは、DCリップルを平滑化するための4.7uF50Vです。

クランプ回路

トランスは、パワードライバICVIPer22全体で巨大なインダクタとして機能します。したがって、スイッチのオフサイクル中に、トランスの漏れインダクタンスにより、トランスは高電圧スパイクを生成します。これらの高周波電圧スパイクは、パワードライバICに有害であり、スイッチング回路の故障を引き起こす可能性があります。したがって、これはトランスの両端のダイオードクランプによって抑制する必要があります。D1とD2はクランプ回路に使用されます。D1はTVSダイオードで、D2は超高速回復ダイオードです。D1は電圧をクランプするために使用され、D2はブロッキングダイオードとして使用されます。設計によると、目標クランプ電圧（VCLAMP）は200Vです。したがって、P6KE200A が選択され、超高速ブロッキング関連の問題については、UF4007がD2として選択されています。

磁気およびガルバニック絶縁。

トランスは強磁性トランスであり、高電圧ACを低電圧ACに変換するだけでなく、ガルバニック絶縁も提供します。3つの巻き注文があります。一次、補助またはバイアス巻線と二次巻線。

EMIフィルター。

EMIフィルタリングはC4コンデンサによって行われます。回路のイミュニティを高めて、高EMI干渉を低減します。それはYクラスコンデンサ2kVのの電圧定格を持ちます。

二次整流器とスナバ回路。

トランスからの出力は、ショットキー整流ダイオードであるD6を使用して整流され、DCに変換されます。出力電流が2Aであるため、この目的のために3A60Vダイオードが選択されています。SB360は3A60V定格のショットキーダイオードです。

フィルターセクション。

C6はフィルタコンデンサです。これは、リップル除去を向上させるための低ESRコンデンサです。また、LCポストフィルターが使用され、L2とC7が出力全体でより優れたリップル除去を提供します。

フィードバックセクション。

出力電圧は、U3TL431とR6およびR7によって検出されます。ラインU2を検出した後、オプトカプラーが制御され、2次フィードバック検出部分を1次側コントローラーで電気的に絶縁します。PC817はフォトカプラです。トランジスタとLEDの2つの側面があります。LEDを制御することにより、トランジスタを制御します。通信は光学的に行われるため、直接電気接続がなく、フィードバック回路のガルバニック絶縁も満たします。

ここで、LEDがトランジスタを直接制御するため、オプトカプラーLEDの両端に十分なバイアスを提供することにより、オプトカプラートランジスタ、より具体的にはドライバ回路を制御でき ます。この制御システムはTL431で採用されています。シャントレギュレータ。シャントレギュレータにはリファレンスピンの両端に抵抗分割器があるため、シャントレギュレータの両端に接続されているオプトカプラーLEDを制御できます。フィードバックピンの 基準電圧は2.5Vです。したがって、TL431は、分圧器の両端の電圧が十分である場合にのみアクティブにできます。この場合、分圧器は5Vの値に設定されています。したがって、出力が5Vに達すると、TL431はリファレンスピンの両端で2.5Vを取得し、オプトカプラのトランジスタを制御し、間接的にTNY268PNを制御するオプトカプラのLEDをアクティブにします。出力の両端の電圧が十分でない場合、スイッチングサイクルはただちに中断されます。

まず、TNY268PNはスイッチングの最初のサイクルをアクティブにしてから、ENピンを検出します。すべてが正常であれば、切り替えを続行します。そうでない場合は、しばらくしてから再試行します。このループは、すべてが正常になるまで継続されるため、短絡や過電圧の問題が防止されます。これがフライバックトポロジと呼ばれる理由です。これは 、出力電圧が関連する動作を検出するためにドライバに戻されるためです。また、試行ループは、障害状態でのヒカップ動作モードと呼ばれます。

VIPER22ASMPS回路用のスイッチングトランスの構築

生成された変圧器の構造図を見てみましょう。この図は、前に説明した電源設計ソフトウェアから取得したものです。

コアはE25 / 13/7で、エアギャップは0.36mmです。一次インダクタンスは1mHです。この変圧器の建設には、以下のものが必要です。変圧器の構築に不慣れな場合は、独自のSMPS変圧器の構築方法に関する記事をお読みください。

1. ポリエステルテープ
2. 0.36mmのエアギャップを備えたE25 / 13/7コアペア。
3. 30AWG銅線
4. 43 AWG銅線（使用できないため36 AWGを使用しました）
5. 23 AWG（これにも36 AWGを使用しました）
6. 水平または垂直ボビン（水平ボビンを使用）
7. 巻き取り中にボビンを保持するためのペン。

ステップ1：ペンを使用してコアを保持し、ボビンのピン3から30 AWG銅線を開始し、ピン1まで時計回りに133回転続けます。ポリエステルテープを3層貼ります。

ステップ2：ピン4から43 AWG銅線を使用してバイアス巻線を開始し、31ターンまで続けて、ピン5で巻線を終了します。3層のポリエステルテープを貼り付けます。

ピン4から43AWG銅線を使用してバイアス巻線を開始し、31ターンまで続けて、ピン5で巻線を終了します。3層のポリエステルテープを貼り付けます。

ステップ3：ピン10から2次巻線を開始し、時計回りに21回転続けます。ポリエステルテープを4層貼ります。

ステップ4：ギャップのあるコアをダクトテープで並べて固定します。これにより、高密度磁束伝達中の振動が減少します。

ビルドが完了すると、変圧器はLCRメータでテストされ、コイルのインダクタンス値が測定されます。メーターは、1mHの一次インダクタンスに近い913mHを示しています。

VIPer22A SMPS回路の構築：

変圧器の定格が確認されたら、回路図に示されているように、Veroボード上のすべてのコンポーネントのはんだ付けを進めることができます。はんだ付け作業が終わった後の私のボードは以下のようになりました

12V 1A SMPS用のVIPer22A回路のテスト：

回路をテストするために、VARIACを介して入力側を主電源に接続し、入力AC主電源電圧を制御しました。下の画像には、225VACでの出力電圧が示されています。

出力側でわかるように、12.12Vが得られます。これは、目的の12V出力電圧に近い値です。完全な作業は、このページの下部に添付されているビデオに示されています。チュートリアルを理解し、手作りの変圧器を使用して独自のSMPS回路を構築する方法を学んだことを願っています。ご不明な点がございましたら、下のコメント欄にご記入ください。