Блок питания на TinySwitch

750x170.png Для зарядника для шуруповерта потребовался блок питания 20-21В с выходным током 0.4А, причем в корпусе родного (дабы в родной кейс лез без проблем). Что ж, требованиям опять-таки больше всего удовлетворяет импульсник, так что вперед!03b2c5.jpg После изрядного количества экспериментов, в которых питальники грелись, пускали Хоттабыча либо не выдавали нужной мощности пришлось-таки почитать Семенова 🙂 В результате определилась топология (флайбэк) и основа — микросхема из серии TinySwitch II фирмы Power Integrations (PI). Фирма специализируется на разработке и выпуске микросхем для всевозможных источников питания и делает весьма интересные вещички. Серия TinySwitch же представляет собой линию контроллеров сетевого источника питания по топологии флайбэк со встроенным высоковольтным MOSFET ключом.

52c433.png

Внимание!

Большая часть схемы находится под опасным для жизни напряжением!

Запрещается:
  • Лезть во включенное в сеть устройство руками, паяльником и прочими предметами.
  • Лезть в устройство ранее, чем через 5 минут после отключения от сети.
  • Пользоваться устройством без надежного изолирующего корпуса.
  • Питать от него устройства, не имеющие двойной изоляции, без использования УЗО.
Топология флайбэк

Флайбэк, или обратноходовый преобразователь — одна из топологий однотактных импульсных преобразователей, в которой фазы накопления и отдачи энергии трансформатором разделены во времени (энергия отдается трансформатором в нагрузку во время обратного хода, отсюда и название Fly Back).53bafb.png Работает схема довольно просто. В первой фазе — накопления энергии — транзистор открывается и в трансформаторе, как в дросселе, накапливается энергия (точнее, он дроссель и есть, но я буду называть его трансформатором). При этом ток линейно растет (ну, по крайней мере если сердечник не насытится, но это уже не рабочий режим, поэтому допускать его не следует), напряжение с вторичной обмотки приложено к диоду VD1 в обратном направлении и поэтому ток в выходной цепи поддерживается только конденсатором Cout. Приложенное к VD1 напряжение, кстати, равно Uout + W2 * Uin / W1, что следует учитывать при выборе диода. Во второй фазе — передачи энергии — транзистор закрывается, ток через первичную обмотку прекращается и напряжение на W2 меняет полярность. Диод открывается и трансформатор сбрасывает накопленную энергию в нагрузку. Вообще, по принципу работы флайбэк больше похож на step-up, чем на все остальные трансформаторные преобразователи (мост, полумост, прямоход, пуш-пул). Кроме того, так же, как и step-up, флайбэк может выдать на выходе напряжение, ограниченное только утечками, при отсутствии нагрузки. Именно поэтому неуправляемых флайбэков не бывает вообще, даже дешевые китайские зарядки на одном транзисторе имеют целых два кольца ОС. Выходное напряжение в фазе передачи трансформируется в первичную обмотку и прикладывается к транзистору, суммируясь с индуктивным выбросом от индуктивности рассеяния (это та часть накопленной энергии, которая не может быть сброшена через вторичную обмотку, т.к. накоплена в не связанном с ней магнитном поле), что приводит к необходимости включения специальной цепи ограничения напряжения на VT1, причем эта цепь должна стравливать только выброс от индуктивности рассеяния, но не трансформированное напряжение вторичной обмотки. Последнее, как правило, выбирается в районе 200В, так что на транзисторе при штатной работе напряжение 500-550В. К плюсам флайбэка относятся:

  • Принципиально ограниченная передаваемая мощность — поэтому режим КЗ большинству флайбэков не вреден. Кроме того, из-за этого свойства несложный флайбэк может использоваться как источник тока для зарядки NiCd/NiMH аккумов или питания мощных СИДов даже без обратной связи из вторичной цепи.
  • Простота схемы — при малых мощностях (до 50-200 Вт) флайбэки оказываются самыми дешевыми схемами. Да и заставить их работать тоже несложно.

Есть и минусы:

  • Трансформатор работает в режиме дросселя — потому его габариты больше, чем в схемах с нормальным трансформатором. Кроме того, с повышением мощности режим ключевого транзистора становится все тяжелее. Поэтому на большие мощности флайбэки не делают — они становятся слишком большими и дорогими.
  • Трансформатор работает в режиме однополярных токов и потому требует введения зазора или сердечника из специального материала (микропорошковые и подобные, обычно кольца). Это не очень удобно для радиолюбителей, тем более что зазор нужно выдерживать достаточно точно, а его величина редко превышает доли миллиметра.
Описание микросхемы

В качестве основы блока выбрана микросхема TNY266PN. Она относится к серии TinySwitch II и выбрана по принципу «чтобы поддерживалась PI Expert 7, была в магазине и обеспечивала достаточную мощность». Первый пункт отметает все TinySwitch I (сцуко PI пиарит новые серии методом выпиливания поддержки старых из PI Expert, а найти старые версии оказалось не столь просто), второй отметает TNY265, которая вообще-то по третьему пункту проходила. Микросхемы в серии TinySwitch II отличаются только предельной мощностью нагрузки — она определяется токоограничителем внутри микросхемы.e12350.png Выпускается микросхема в нескольких корпусах, в том числе в SOP7 и DIP7 (это SOP8/DIP8 соответсвенно с выпиленной ножкой за номером 7). Выводов у микры всего 4, однако один из них — S — выведен на целых четыре ножки. Через них и осуществляется отвод тепла, так что запаивать их следует в полигон без термоперехода. D выведен на 8-ю ножку, так что отсутствующая 7-я увеличивает зазор между ним и S. EN/UV — ОС и управление функцией UVLO (UnderVoltage LockOut). Последний, BP — для кондера, фильтрующего питание микросхемы, кроме того, через него можно подавать внешнее питание на микросхему, это позволяет снизить потребляемую при отсутствии нагрузки мощность в пять раз, до 50 мВт. Плюсы микросхемы:

  • Почти все необходимое — внутри, включая высоковольтный (700В) ключ.
  • Всевозможные встроенные защиты, заметно усложняющие сжигание микросхемы экспериментами.
  • Отсутствие необходимости в обмотке питания МС.

Работает микросхема довольно просто. ШИМ имеется только токовый — т.е. выходной транзистор открывается по тактовому импульсу, а закрывается либо по таймауту (ограничение максимального рабочего цикла Dmax), либо при достижении током стока максимального значения (оно определяет максимальную мощность источника, именно его значением и отличаются разные МС серии). Стабилизация выходного напряжения выполняется в ключевом режиме — как только вывод EN/UV придавливается к земле — преобразование прекращается, и возобновляется при отпускании. Порог переключения задан по току — отключается при вытекающем из пина EN/UV токе более 240 мкА. Этот же вывод отвечает за функцию UVLO — для ее включения его нужно подтянуть резистором к питанию микросхемы. В принципе, можно покурить даташит и посчитать схему самому. Но проще воспользоваться PI Expert’ом, тем более мои познания на тот момент были недостаточны для ручного расчета.

Расчет схемы в PI Expert

Прежде всего определимся с трансформатором. Дело в том, что его обычно приходится откуда-то выдергивать, а не покупать тот, что программа посчитает нужным. Я выбрал сердечник EE19, на котором был намотан дроссель в ЭПРА от КЛЛ на ватт 20 чтоли. Далее определимся с микросхемой. Можно покурить даташит и выбрать там подходящую по мощности МС, можно запустить встроенный в программу Product Selector Guide. Первый путь (в сочетании с прайсом Промэлектроники) определил выбор как TNY266PN. Так что тыкаем New и начинаем отвечать на вопросы визарда. Прежде всего выберем семейство микросхем TinySwitch-II: На второй страничке в общем-то ничего интересного — там предлагается выбрать параметры входного напряжения. К нашим реалиям больше всего подходит «AC Defaults -> Single 230V». А вот на следущей страничке нужно указать параметры выходных напряжений и режим стабилизации — CV (стабилизация напряжения) или CV/CC (стабилизация напряжения с ограничением тока, для зарядников). На следущей страничке — параметры проекта. Здесь надо поставить галочки SI-Units (чтобы оно выдавало результаты в системе СИ, а не всяких там дюймах) и Show Settings for New Design (здесь можно уточнить задание для программы). При желании можно отметить Use Shield Windings, это уменьшит помехи, но усложнит конструкцию трансформатора. Появится окошко настроек оптимизации. Здесь можно настроить некоторые фильтры, ограничивающие выбор вариантов, которые проверит программа в поисках наиболее оптимального. Основное — лишить ее выбора в плане сердечника. Еще можно указать пределы по количеству витков в основной выходной обмотке. После этого программа немного подумает и выдаст табличку наиболее удачных результатов. Выбираем какой понравится и жмем ОК. Вот теперь мы возвращаемся в основное окно программы и видим нечто вроде этого. Однако, микросхему программа выбрала не ту, да и некоторые другие детали тоже не устраивают. Так что прежде всего идем в PI Device -> PI Device Selection и меняем на TNY266. Теперь нужно повторить оптимизацию проекта. Для этого жмем Start Optimization на тулбаре или в меню Active Design. В результате транс поменялся на 83/17 витков. Это уже чуть проще намотать. После этого можно последовательно пройтись по пунктам в дереве слева и поменять некоторые значения. В разделе Specifications и Design врядли придется что-то менять, там данные, скормленные мастеру. Разве что Stacking — оно определяет, будут ли использоваться обмотки с отводами (Stacking) или независимые (Floating). В Input Stage можно поменять детальки на те, что есть. Например, отказаться от двухступенчатого фильтра и поставить конденсатор на 10 мкФ, вместо предложенного на 6.8, потому как есть в загашнике. Два раздела после PI Device позволяют поиграться с ручной оптимизацией трансформатора. Пока пропустим. Output Stage чуть интересней. Тут выбран диод MUR115 — обычный кремниевый диод. А хотелось бы шоттки. Если потыкаться с выбором диода, то выяснится, что нужен он аж на 100В. Изначально там такого не было, но изучение прайса Промэлектроники выдало диод 11DQ10 (1.1A, 100V). Добавляем его в библиотеку (об этом чуть позже) и указываем программе. Теперь сообщает, что Design Passed (т.е. не содержит ошибок), но появилось замечание о малом запасе по напряжению диода. Далее. Мне так и не удалось заставить PI Expert сгенерировать те же результаты, что и в прошлый раз, когда я собственно источник и расчитывал. Поэтому схема отличается от посчитанного. К тому же, там PI Expert не имеет претензий к выбранному диоду, а транс имеет 85/13 витков. Теперь, имея результаты расчета, можно погулять по вкладкам, посмотреть расчитанные значения и нарисовать полную схему.

Окончательная схема

По сравнению с блоксхемой:

  • Появился предохранитель. Абсолютно необходимая вещь для всех сетевых источников.
  • Резистор UVLO разделен на 2. Это сделано из соображений снижения напряжения на нем.
  • Добавился конденсатор C3. Точно не знаю, зачем он нужен, но вроде уменьшает помехи и препятствует возникновению большого напряжения между обмотками, которое может пробить трансформатор. Должен быть класса Y1. Не знаю, правда, какие это параметры, поэтому заменил обычной высоковольтной керамикой на 3 кВ.
Трансформатор

Изготовление трансформатора — одна из самых важных частей работы. От этого зависит безопасность блока и будет ли он вообще работать. Итак, прежде всего безопасность. Поскольку намотать с предлагаемыми PI Expert’ом отступами возможности нет — вторичку следует мотать если и не рекомендуемым TIW (Triple Insulated Wire — провод в тройной изоляции, двухслойная лаковая плюс ПВХ), то хотя бы просто изолированным проводом, между обмотками проложить изоляцию (2-3 слоя толстой ленты ФУМ), озаботиться изоляцией выводов первички от витков вторички. Нелишне пропитать обмотки лаком — это не только обеспечит дополнительную изоляцию, но и будет препятствовать писку трансформатора (частота включения/выключения генерации, за счет чего стабилизируется выходное напряжение, часто оказывается в слышимом диапазоне). Снаружи вторичную обмотку тоже следует обмотать ФУМ или изолентой. Следущий вопрос — зазор. Его нужно выдерживать с достаточной точностью. Можно, конечно, взять микрометр и попытаться подобрать прокладку толщиной 0.127/2 мм (0.063 мм, ага), но это довольно сложно. Лучше подбирать зазор контролируя индуктивность первички L-метром. Можно подбирать прокладку, можно немного сточить центральный керн одной из половинок на мелкой наждачке. Я делал по второму варианту. Он, правда, необратим, так что если БП внезапно станет не нужен и отправится в разборку — убрать зазор из сердечника уже будет нельзя. После подгона зазора сердечник склеивается (лучше суперклеем, он хорошо выгорает при температуре жала паяльника, что облегчает разборку трансформатора, если что), обматывается изолентой и заливается лаком, чтоб не болтался.

Настройка

Не требуется. Разве что подобрать стабилитрон для получения нужного напряжения на выходе.

Печатка

Не дам. Она сильно неоптимальная и вообще выполнена в ворде(!) и нарисована маркером. А вот вопросам трассировки в даташите уделен целый раздел.

  • Одноточечная земля (или как ее там). Дорожки от конденсатора ВВ выпрямителя (C2) и конденсатора на пине BP (C4) должны соединяться только в одной точке — на пине Source микросхемы.
  • Теплоотвод. Ножки Source выполняют роль теплоотвода, поэтому должны паяться к полигону максимально возможной площади. То же относится и к полигонам, к которым паяются выводы (оба) выходных диодов (VD4).
  • Петли импульсных токов. Для минимизации излучения помех следует минимизировать площадь, охватываемую петлями, образованными цепями C2-T1.W1-U1.D/S и W2-VD4-C5/6.
  • Ограничитель выбросов. Цепочку VD2-VD3 следует подключать к трансформатору и микросхеме максимально короткими дорожками.
  • Пин EN/UV. Следует располагать резистор R2 максимально близко к нему. Также, не следует забывать о напряжении на резисторах. Так, резисторы мощностью 0.25Вт расчитаны на напряжение до 200В. Именно поэтому их два, соединенных последовательно.
  • Y-конденсатор. Его (C3) следует подключать короткими дорожками прямо к соответсвующим выводам трансформатора.
  • Оптопара. Дорожку от оптопары до пина EN/UV следует делать предельно короткой (не более 12.7мм) и не ближе, чем 5.1мм к пину Drain (и соединенным с ним дорожкам).
  • Входной и выходной конденсаторы. Они должны быть разведены так, чтобы у тока не было обходных путей вокруг их пинов. То есть, линия должна проходить от выпрямителя через пин конденсатора (сужаясь при этом до ширины пятака) и затем идти на нагрузку. Пайка конденсаторов С2 и С5/6 к полигону нежелательна, а на аппендиксах — и подавно. Кроме того, минусовую ножку С5/6 следует подключать максимально короткой дорожкой прямо к ножке трансформатора, но не к линии Y-конденсатора.
Девайс в сборе

Россыпь деталюшек. Оптопара SMD. Это я зря. У нее пины расположены с точностью до наоборот по сравнению с тем, как надо. В результате — две перемычки. Расположена она как раз между ними.

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Илья Коршунов
Наш эксперт
Написано статей
134
Добавить комментарий