Fuente de alimentación conmutada de 24V 3A de entrada ancha, 72W de potencia, máxima eficiencia del 87.4%, basada en el chip UC3842, con rectificación sincronizada (UCC24612-1DB), que incluye el proceso de cálculo de la fuente y el diseño del transformador, esquema, PCB, modelo de simulación PSIM, especificaciones de fabricación del transformador, etc.
Prólogo
Es la primera vez que diseño una fuente de alimentación flyback, agradezco a los expertos cualquier sugerencia para mejorar o corregir errores.
- Cálculo de parámetros y selección de componentes de la fuente flyback, tutorial de cálculo y enhebrado del transformador flyback: https://blog.zeruns.com/archives/909.html
- Análisis y guía de selección de materiales de núcleo magnético, estructura de núcleo magnético: https://blog.zeruns.com/archives/897.html
De paso, estoy buscando trabajo en línea, si hay empleadores en Guangzhou/Foshan/Shenzhen interesados en contratar pueden considerar mi candidatura. Pueden ver mis proyectos abiertos en mi perfil de la plataforma de código abierto Lcsc: https://oshwhub.com/zeruns/works
Demostración en vídeo del proyecto: https://www.bilibili.com/video/BV1ES4GzQE19/
Enlace de proyecto abierto en la plataforma Lcsc: https://oshwhub.com/zeruns/24v3a-Flyback-Power-Supply-uc384x
Grupo de intercambio técnica electrónica / microcontroladores QQ: 2169025065
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Advertencia: La fabricación de fuentes de alimentación conmutadas es peligrosa. El autor no garantiza la corrección de ningún circuito, parámetro o fórmula. Es responsabilidad del usuario asumir todos los riesgos al replicar o usar este diseño.
Se estima que el costo unitario promedio para un pedido pequeño (20 unidades) es de aproximadamente 25 CNY (sin PCB ni transformador), con PCB y transformador incluidos no debería superar los 50 CNY.
Parámetros de diseño
| Parámetro | Valor |
|---|---|
| Tensión de entrada nominal V_{acnom} | 220VCA |
| Tensión de entrada mínima V_{acmin} | 85VCA |
| Tensión de entrada máxima V_{acmax} | 265VCA |
| Frecuencia de red f_L | 50Hz |
| Tensión de salida V_{out} | 24V |
| Corriente de salida I_{out} | 3A |
| Frecuencia de trabajo f_s | 150kHz |
| Eficiencia proyectada η | 85% |
Tamaño de PCB: 100x55mm
Especificación de PCB: placa doble capa, capa superior con componentes insertados, capa inferior con componentes SMD
Imágenes del prototipo
A continuación se muestran imágenes del prototipo versión 2 (arriba) y versión 1 (abajo, presenta problemas, puede dañar transistores fácilmente, la versión 2 lo soluciona).
Imagen del transformador de alta frecuencia:
Pruebas de funcionamiento y medición de indicadores
Primera prueba de encendido
Al encender por primera vez, se recomienda conectar una bombilla en serie para limitar la corriente en caso de fallo. El prototipo funcionó correctamente, con tensión de salida de 24.1 V (en la prueba se cargó con 0.9 A).
Propósito de la bombilla en serie: usa la resistencia limitada de la bombilla para proteger el resto del circuito. Cuando la fuente está normal, la bombilla brilla poco o nada; si hay un cortocircuito, la corriente aumenta rápidamente, la bombilla se ilumina más, limitando la corriente y protegiendo los componentes.
También se puede probar con una fuente de alimentación DC: 60 V CC, el diseño funciona correctamente, pero es necesario cambiar la resistencia de inicio (R24+R16) de 200 kΩ a 100 kΩ (conectar en corto una de las dos resistencias), ya que con la resistencia original de 200 kΩ no arranca a baja tensión.
Medición de eficiencia
Equipos de prueba:
- Batería portátil Jowat: https://u.jd.com/0gXabte
- Cargador electrónico Jowat: https://s.click.taobao.com/DvbzQ4q
Datos de prueba:
| Tensión entrada (V) | Corriente entrada (A) | Potencia aparente entrada (W) | Potencia activa entrada (W) | Tensión salida (V) | Corriente salida (A) | Potencia salida (W) | Eficiencia (%) | Factor de potencia |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 219.85 V | 0.029 A | 6.38 W | 2.10 W | 24.13 V | 0.00 A | — | — | 0.33 |
| 219.83 V | 0.251 A | 55.18 W | 28.69 W | 24.10 V | 1.00 A | 24.10 W | 83.99 % | 0.52 |
| 219.59 V | 0.438 A | 96.18 W | 55.78 W | 24.07 V | 2.00 A | 48.14 W | 86.30 % | 0.58 |
| 219.65 V | 0.637 A | 139.92 W | 82.55 W | 24.05 V | 3.00 A | 72.15 W | 87.40 % | 0.59 |
| 111.55 V | 0.036 A | 4.02 W | 1.81 W | 24.13 V | 0.00 A | — | — | 0.45 |
| 111.13 V | 0.406 A | 45.12 W | 28.88 W | 24.10 V | 1.00 A | 24.10 W | 83.46 % | 0.64 |
| 110.89 V | 0.753 A | 83.50 W | 56.78 W | 24.06 V | 2.00 A | 48.12 W | 84.75 % | 0.68 |
| 110.58 V | 1.097 A | 121.31 W | 84.91 W | 24.00 V | 3.00 A | 72.00 W | 84.79 % | 0.70 |
Eficiencia máxima medida: 87.4 %, potencia en vacío mínima: 1.81 W, la potencia en vacío es un poco alta.
En las pruebas se usó rectificación con diodo, no con rectificación sincronizada, porque el MOSFET de rectificación sincronizada seleccionado tiene una resistencia interna demasiado alta, lo que reduce la eficiencia. Se puede mejorar reemplazando por un MOSFET de menor resistencia, siempre que soporte 200 V o más (después de soldar una resistencia de 20 Ω y un condensador de 2.2 nF en paralelo al diodo se podría considerar un diodo de 150 V).
Medición de ripple en la salida
Osciloscopio: PRIMUX DHO914S: https://blog.zeruns.com/archives/764.html
La sonda del osciloscopio se conectó a un cable de 15 cm aproximadamente, sin anillo de masa ni conexión directa al condensador de salida, por lo que la medida de ripple podría estar algo alta.
Ripple en vacío: oscilación pico a pico ≈ 730 mV, frecuencia de ripple ≈ 138.96 kHz (cercana a la frecuencia de conmutación).
Ripple con carga de 3 A: oscilación pico a pico ≈ 562.08 mV.
Formas de onda del MOSFET de primario
Tensión de gate-drain y drain-source del MOSFET de primario cuando entrada CA 220 V, salida 24 V con carga de 1 A.
El pico máximo de tensión en drain-source al apagarse es ≈ 440 V (debido a que estaba conectada una bombilla, no en modo directo, por eso la tensión está más baja).
Imagen:
Ampliación de la forma de onda de gate-source:
Formas de onda del diodo de salida
Ripple en vacío (60 V CC entrada, 24 V salida vacía): pico ≈ 56 V (con resistencia R9 y condensador C8 soldados como 20 Ω y 2.2 nF, el pico baja a ≈ 42 V).
Ripple con carga (60 V CC entrada, 24 V 1 A salida): pico ≈ 190 V (con R9 y C8 soldados, baja a ≈ 81 V).
Forma de onda de arranque en vacío
Entrada 60 V CC, salida 24 V vacía. El tiempo de subida de 0 a 24 V es ≈ 7 ms.
Condiciones térmicas
Imagen térmica en vacío: temperatura máxima en la resistencia de arranque ≈ 60 °C (temperatura ambiente ≈ 25 °C), MOSFET de primario ≈ 48 °C.
Imagen térmica a carga (3 A): temperatura máxima en el MOSFET de primario o resistencia RCD > 88 °C (ambiente ≈ 26 °C), el diodo de rectificación secundario también podría estar sobre 60 °C.
Nota: a plena carga, la temperatura es alta. Se recomienda pener disipador de calor o hacer encapsulado térmico para el MOSFET de primario si se requiere funcionamiento continuo a plena carga.
Enlaces de compra de componentes
- BOM y proveedores sugeridos: consultar en el repositorio del proyecto.- 贴片电阻电容样品本：https://s.click.taobao.com/ngH2RGq\n- PQ变压器磁芯与骨架：https://s.click.taobao.com/EJtb04q\n- UC3842芯片：https://s.click.taobao.com/7pfvQGq\n- PC817A光耦：https://s.click.taobao.com/Le1X04q\n- MSB40M整流桥：https://s.click.taobao.com/7HqQQGq\n- SBDD10200CT二极管：https://s.click.taobao.com/izw104q\n- UCC24612-1同步整流控制器：https://s.click.taobao.com/K1gEQGq\n- TL431电压基准：https://s.click.taobao.com/DPxnz3q\n- UU10.5共模电感：https://s.click.taobao.com/D1t1z3q\n- 5D-11热敏电阻：https://s.click.taobao.com/IsOry3q\n- Condensador X2 de seguridad: https://s.click.taobao.com/vBeCPGq)
- Condensador Y de seguridad: https://s.click.taobao.com/sas5PGq)
Se recomienda comprar componentes en LCSC: https://activity.szlcsc.com/invite/D03E5B9CEAAE70A4.html
Al realizar el pedido en LCSC desde el enlace compartido, la lista de componentes puede importarse directamente al carrito de compras.
Esquema eléctrico
PCB
Capa superior
Capa inferior
Enlaces de descarga de documentos
A continuación se encuentran enlaces a: archivo de proyecto LCEDA, esquema en PDF, archivos Gerber para fabricación de PCB, herramienta de diseño de fuente de alimentación SMPSKit, libro de cálculo de transformador de retroalimentación (Mathcad), diagrama de silkscreen, especificaciones de fabricación de transformadores, hojas de datos de los chips, modelo de simulación PSIM, código Matlab para diagrama BODE, así como otros documentos y referencias (algunos recopilados de Internet).
- 123云盘：https://www.123684.com/s/2Y9Djv-2hTdH
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Versión en inglés del artículo: https://blog.zeruns.top/archives/74.html
