電源ユニット（PSU）は、あらゆる電子製品設計において重要な部分です。モバイル充電器、Bluetoothスピーカー、パワーバンク、スマートウォッチなどのほとんどの家庭用電子製品には、AC電源を5VDCに変換して動作させることができる電源回路が必要です。このプロジェクトでは、定格電力10Wの同様のAC-DC電源回路を構築します。つまり、私たちの回路は220V ACメインを5Vに変換し、最大2Aの最大出力電流を提供します。この電力定格は、5Vで動作するほとんどの電子製品に電力を供給するのに十分なはずです。また、5V 2A SMPS回路は、5Vで動作するマイクロコントローラーが多数あるため、電子機器で非常に人気があります。
このプロジェクトのアイデアは、ビルドをできるだけ単純に保つことです。したがって、点線のボード（パフォーマンスボード）上に完全な回路を設計し、独自のトランスを構築して、誰でもこのデザインを複製したり、同様のデザインを構築したりできるようにします。わくわくするよ！それでは始めましょう。以前はPCBを使用して12V15W SMPS回路も構築していたので、PSUプロジェクト（電源ユニット）用のPCBの設計方法に興味のある人はそれも確認できます。
5V 2A SMPS回路–設計仕様
さまざまな種類の電源装置は、さまざまな環境でさまざまに動作します。また、SMPSは特定の入出力境界で機能します。実際の設計を進める前に、適切な仕様分析を実行する必要があります。
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。入力電圧値には、SMPSのユニバーサル入力定格を使用することをお勧めします。したがって、AC電圧は50Hz定格で85-265VACになります。このようにして、SMPSは、AC主電源電圧値に関係なく、どの国でも使用できます。
出力仕様：
出力電圧は、定格電流2Aで5Vに選択されています。したがって、10W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。この5Vの出力電圧は、出力両端の最大負荷（2A）の間、最低の入力電圧でも一定で安定している必要があります。
優れた電源ユニットのリップル電圧が30mVpk-pk未満であることが強く望まれます。このSMPSの目標リップル電圧は30mVピークピークリップル未満です。このSMPSは、手作りのスイッチングトランスを使用してベロボードに組み込まれるため、わずかに高いリップル値が期待できます。この問題は、PCBを使用することで回避できます。
保護機能：
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。
パワーマネジメントICの選定
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
- 10W出力。全負荷で5V2A。
- ユニバーサル入力定格。50Hzで85-265VAC
- 入力サージ保護。最大入力電圧275VAC。
- 出力短絡、過電圧および過電流保護。
- 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、電力統合を選択しました 。電力統合は、さまざまな電力出力範囲で幅広いパワードライバICを保有する半導体企業です。要件と可用性に基づいて、小さなスイッチIIファミリのTNY268PNを使用することにしました 。以前、このICを使用してPCB上に12VSMPS回路を構築しました。
上の画像では、最大電力15Wが示されています。ただし、SMPSはオープンフレームでユニバーサル入力定格用に作成します。このようなセグメントでは、TNY268PNは15Wの出力を提供できます。ピン配列を見てみましょう。
5v 2AmpSMPS回路の設計
5V 2A SMPS回路図を構築する最良の方法は、PowerIntegrationのPIエキスパートソフトウェアを使用することです。PI Expertソフトウェアをダウンロードし、バージョン8.6を使用します。優れた電源設計ソフトです。以下に示す回路は、PowerIntegrationのPIエキスパートソフトウェアを使用して構築されています。このソフトウェアを初めて使用する場合は、この12V SMPS回路の設計セクションを参照して、ソフトウェアの使用方法を理解できます。
プロトタイプパーツの作成に取り掛かる前に、5v 2ASMPS回路図 とそ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-
- 入力サージとSMPS障害保護
- AC-DC変換
- PIフィルター
- ドライバ回路またはスイッチング回路
- 低電圧ロックアウト保護。
- クランプ回路。
- 磁気およびガルバニック絶縁。
- EMIフィルター
- 二次整流器とスナバ回路
- フィルターセクション
- 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。
AC-DC変換：
このセクションは、ダイオードブリッジによって制御されます。これらの4つのダイオード（DB107内）は、フルブリッジ整流器を構成します。ダイオードは1N4006ですが、標準の1N4007で完全に機能します。このプロジェクトでは、これらの4つのダイオードがフルブリッジ整流器DB107に置き換えられます。
PIフィルター：
州が異なれば、EMI除去基準も異なります。この設計はEN61000-クラス3規格 を確認 し、PIフィルタはコモンモードEMI除去を低減するように設計されてい ます。このセクションは、C1、C2、およびL1を使用して作成されます。C1とC2は400V18uFコンデンサです。これは奇数値であるため、このアプリケーションには22uF400Vが選択されています。L1は、差動EMI信号を使用して両方をキャンセルするコモンモードチョークです。
ドライバー回路またはスイッチング回路：
それはSMPSの心臓部です。トランスの一次側は、スイッチング回路TNY268PNによって制御されます。スイッチング周波数は120-132khzです。この高いスイッチング周波数により 、より小さなトランスを使用できます。スイッチング回路には、U1とC3の2つのコンポーネントがあります。U1はメインドライバーICTNY268PNです。C3は、 ドライバICの動作に必要なバイパスコンデンサです。
低電圧ロックアウト保護：
低電圧ロックアウト保護は、センス抵抗R1およびR2によって行われます。SMPSが自動再起動モードに入り、線間電圧を検出するときに使用されます。R1とR2の値は、PIExpertツールを介して生成されます。直列の2つの抵抗器は安全対策であり、抵抗器の故障の問題を回避するための優れた方法です。したがって、2Mの代わりに2つの1M抵抗が直列に使用されます。
クランプ回路：
D1とD2はクランプ回路です。D1は TVSダイオードで 、D2は 超高速回復ダイオードです。トランスは、パワードライバICTNY268PN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、トランスの両端のダイオードクランプによって抑制されます。超高速回復のためにUF4007が選択され、TVS動作にはP6KE200Aが選択されています。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。
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。D6の両端のスナバ回路は、スイッチング動作中の過渡電圧を抑制します。スナバ回路は、1つの抵抗と1つのコンデンサ、R3、およびC5で構成されています。
フィルターセクション：
フィルタ部はフィルタコンデンサC6で構成されています。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、L2とC7を使用するLCフィルタは、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。オプトカプラーには、トランジスタとLEDが内蔵されています。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、関連する動作を検出するために出力電圧がドライバに戻されるためです。また、試行ループは、障害状態での動作のヒカップモードと呼ばれます。
D3は ショットキーバリアダイオードです。このダイオードは、高周波AC出力をDCに変換します。信頼性の高い動作のために、3A60Vショットキーダイオードが選択されています。R4とR5は、PIExpertによって選択および計算されます。分圧器を作成し、TL431からオプトカプラーLEDに電流を渡します。
R6およびR7は、式TL431 REF電圧=（Vout x R7）/ R6 + R7によって計算される単純な分圧器 です。基準電圧は2.5V、Voutは12Vです。R6 23.7kの値を選択すると、R7は約9.09kになります。
SMPS回路用のスイッチングトランスの構築
通常、SMPS回路にはスイッチングトランスが必要です。これらのトランスは、設計要件に基づいてトランスメーカーから調達できます。しかし、ここでの問題は、プロトタイプの作成について学習している場合、設計の棚から正確な変圧器を見つけることができないことです。そのため、 PIエキスパートソフトウェアによって提供された設計要件に基づいてスイッチングトランスを構築する方法を学習します。
生成された変圧器の構造図を見てみましょう。
上の画像が示すように、一次側で単一の32 AWGワイヤを103ターン、二次側で2本の25AWGワイヤを5ターン実行する必要があります。
上の画像では、巻線の開始点と巻線の方向が機械図として示されています。このトランスを作るには、次のものが必要です-
- EE19コア、NC-2Hまたは同等の仕様とALGのためのギャップ79 nHの/ T 2
- 一次側と二次側に5本のピンがあるボビン。
- 厚さ1ミルのバリアテープ。9mm幅のテープが必要です。
- 32AWGはんだ付け可能なコーティングされたエナメル銅線。
- 25AWGはんだ付け可能なコーティングされたエナメル銅線。
- LCRメータ。
79nH / T2のギャップコアを備えたNC-2Hを備えたEE19コアが必要です。通常、ペアで利用できます。ボビンは、4つのプライマリピンと5つのセカンダリピンを備えた一般的なものです。ただし、ここでは両側に5ピンのボビンを使用しています。
バリアテープには、ベースの厚さが1ミル（通常は2ミル）を超える標準のダクトテープが使用されます。タッピング関連の作業では、はさみを使用してテープを完全な幅にカットします。銅線は古い変圧器から調達されており、地元の店からも購入できます。私が使用しているコアとボビンを以下に示します
ステップ1：一次側の1番目と5番目のピンにはんだを追加します。ピン5で32AWGワイヤをはんだ付けし、巻き方向は時計回りです。以下に示すように103回転するまで続けます
これがトランスの一次側を形成します。103ターンの巻線が完了すると、トランスは次のようになります。
ステップ2：断熱目的でダクトテープを貼ります。3回転のダクトテープが必要です。また、コイルを所定の位置に保つのにも役立ちます。
ステップ3：ピン9と10から2次巻線を開始します。2次側は、25AWGエナメル銅線の2本のストランドを使用して作成されます。1本の銅線をピン9に、もう1本をピン10にはんだ付けします。巻き方向は再び時計回りです。5回転するまで続け、ピン5と6の端をはんだ付けします。前と同じようにダクトテープを貼り付けて絶縁テープを追加します。
一次巻線と二次巻線の両方が行われ、ダクトテープが使用されると、私の変圧器は次のようになりました。
ステップ4：ダクトテープを使用して2つのコアをしっかりと固定できます。完了すると、完成した変圧器は次のようになります。
ステップ5：ダクトテープを並べて巻くことも忘れないでください。これにより、高密度磁束伝達中の振動が減少します。
上記の手順を実行し、以下に示すようにLCRメータを使用して変圧器をテストした後。メーターは1.125mHまたは1125uhのインダクタンスを示しています。
SMPS回路の構築：
変圧器の準備ができたら、点線のボードに他のコンポーネントを組み立てることに進むことができます。回路に必要な部品の詳細は、以下の部品表リストに記載されています。
- 5V 2ASMPS回路のBOM部品の詳細
コンポーネントがはんだ付けされると、私のボードは次のようになります。
5V 2ASMPS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。85VACおよび230VACでの出力電圧を以下に示します-
どちらの場合もわかるように、出力電圧は5Vに維持されます。しかし、次に出力をスコープに接続し、リップルをチェックしました。リップル測定を以下に示します
出力リップルは非常に高く、150mVpk-pkリップル出力を示します。これは、電源回路にはまったく適していません。分析に基づくと、高いリップルは以下の要因によるものです-
- 不適切なPCB設計。
- グラウンドバウンスの問題。
- PCBヒートシンクが不適切です。
- ノイズの多い供給ラインにカットアウトはありません。
- 手巻きによる変圧器の公差の増加。変圧器メーカーは、変圧器の安定性を高めるために、機械の巻線中にディップワニスを塗布します。
回路が適切なPCBに変換されれば、手巻きトランスを使用しても、電源のリップル出力は50mVpk-pk以内になると予想できます。ただし、ベロボードはACからDCドメインへのスイッチモード電源を作るための安全なオプションではないため、実際のシナリオで高電圧回路を適用する前に、適切なPCBを確立する必要があることが常に推奨されます。このページの最後にあるビデオをチェックして、負荷状態での回路の動作を確認できます。
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、下のコメントセクションに残すか、フォーラムを使用してさらに質問してください。