Fuente de alimentación flyback de 24V 3A de código abierto basada en UC3842, con cálculo de parámetros del transformador

Práctica de Proyectos Proyecto de Código Abierto
, , ,
1

Fuente de alimentación flyback conmutada de voltaje de entrada amplio, salida de 24V 3A. Este diseño de 72 vatios alcanza una eficiencia pico del 87.4% y se basa en el controlador UC3842 con rectificación sincrónica (UCC24612-1DB). Incluye el proceso completo de cálculo de parámetros del circuito y transformador, esquemáticos, PCB, modelos de simulación PSIM, especificaciones de fabricación del transformador, y más.

Prólogo

:round_pushpin:Esta es mi primera vez diseñando una fuente de alimentación flyback. ¡Bienvenidas todas las sugerencias o comentarios de mejora por parte de expertos!

:rocket:Por cierto, actualmente busco empleo. Si empresas en Guangzhou, Foshan o Shenzhen están contratando, por favor considerenme. Pueden ver mis proyectos de código abierto en mi página de OSHWHub: https://oshwhub.com/zeruns/works

Demostración en video del proyecto \u0026 video del proceso de diseño: https://www.bilibili.com/video/BV1ES4GzQE19/

Enlace de código abierto en OSHWHub: https://oshwhub.com/zeruns/24v3a-Flyback-Power-Supply-uc384x

Grupo de discusión técnica de electrónica/MCU QQ: 2169025065

¡Los enlaces de descarga están al final del artículo!

Advertencia: Construir fuentes de alimentación conmutadas puede ser peligroso. No garantizo la corrección de ningún circuito, parámetro o fórmula en este diseño. Usted asume todos los riesgos posibles si replica o referencia este proyecto.

El costo estimado promedio para un lote pequeño (20 unidades) es de aproximadamente 25 RMB (sin incluir PCB y transformador, basado en precios de componentes de LCSC Mall). Incluyendo PCB y transformador, el costo total no debería exceder los 50 RMB.

Parámetros de Diseño

Parámetro Valor
Tensión de entrada nominal V_{acnom} 220VAC
Tensión de entrada mínima V_{acmin} 85VAC
Tensión de entrada máxima V_{acmax} 265VAC
Frecuencia de línea f_L 50Hz
Tensión de salida V_{out} 24V
Corriente de salida I_{out} 3A
Frecuencia de operación f_s 150kHz
Eficiencia objetivo η 85%

Dimensiones PCB: 100x55mm

Especificaciones PCB: Tarjeta de doble capa, capa superior para componentes de orificio pasante, capa inferior para componentes SMD.

Fotos Físicas

La imagen inferior muestra la segunda versión.

5760×4320 846 KB

La imagen inferior muestra la primera versión, que tuvo algunos problemas y era propensa a dañar MOSFETs. Estos problemas se solucionaron en la segunda versión mostrada arriba.

5760×4320 2.01 MB

Transformador de alta frecuencia:

5997×3320 699 KB

5760×4320 753 KB

Pruebas de Funcionamiento y Medición de Rendimiento

Prueba Inicial de Encendido

Para la prueba inicial de encendido, conecte una bombilla en serie para evitar dañar múltiples componentes en caso de cortocircuito. La prueba confirmó funcionamiento normal, con una tensión de salida de 24.1V (la imagen inferior muestra la prueba con carga de 0.9A).

\u003e El propósito de la bombilla en serie es: aprovechar su efecto de protección limitadora de corriente. En condiciones normales, la resistencia de la bombilla es baja, causando una caída de tensión pequeña, por lo que se ilumina débilmente o se apaga, sin afectar la prueba de la fuente. Si ocurre un cortocircuito dentro de la fuente, la corriente del circuito aumentará bruscamente. La bombilla, con su resistencia fija, absorberá la mayoría de la tensión, limitando la corriente excesiva y evitando que los componentes de la fuente se quemen por corriente alta, proporcionando así protección.

Enchufe de protección y mantenimiento para fuente conmutada: https://s.click.taobao.com/OiMyz3q

También puede probarse con entrada DC. Lo probé con una entrada de 60V DC y arrancó normalmente produciendo 24V. Sin embargo, debe cambiar la resistencia de arranque de 200kΩ (R24+R16) a una de 100kΩ (puente una de ellas). La resistencia original era demasiado alta, impidiendo el arranque a bajas tensiones.

5760×4320 1.45 MB

5760×4320 1.2 MB

Prueba de Eficiencia de Conversión

Equipo utilizado para la prueba:

3072×4096 502 KB

Datos medidos:

Tensión de entrada (V) Corriente de entrada (A) Potencia Aparente de entrada (W) Potencia Activa de entrada (W) Tensión de salida (V) Corriente de salida (A) Potencia de salida (W) Eficiencia (%) Factor de Potencia
219,85 0,029 6,38 2,10 24,13 0,00 — — 0,33
219,83 0,251 55,18 28,69 24,10 1,00 24,10 83,99 0,52
219,59 0,438 96,18 55,78 24,07 2,00 48,14 86,30 0,58
219,65 0,637 139,92 82,55 24,05 3,00 72,15 87,40 0,59
111,55 0,036 4,02 1,81 24,13 0,00 — — 0,45
111,13 0,406 45,12 28,88 24,10 1,00 24,10 83,46 0,64
110,89 0,753 83,50 56,78 24,06 2,00 48,12 84,75 0,68
110,58 1,097 121,31 84,91 24,00 3,00 72,00 84,79 0,70

La eficiencia más alta medida es del 87,4%. El consumo de potencia sin carga más bajo es de 1,81W, lo cual es ligeramente alto.

Los datos anteriores se midieron utilizando rectificación con diodo, no rectificación sincrónica. Esto se debe a que la resistencia en el MOSFET de rectificación sincrónica que elegí era un poco alta, lo que resultó en una eficiencia ligeramente menor. Puedes reemplazarlo con un MOSFET mejor para realizar pruebas. La tensión de clasificación debe ser de 200V o más (un MOSFET con clasificación de 150V puede considerarse si soldaste un resistor de 20Ω y un condensador de 2,2nF para R9 y C8 respectivamente en el lado del rectificador sincrónico).

Prueba de Rizado de Tensión de Salida

El osciloscopio utilizado es un Rigol DHO914S: https://blog.zeruns.com/archives/764.html

Durante la prueba, la sonda del osciloscopio se conectó a un cable de salida de aproximadamente 15cm de longitud. No se utilizó un resorte de masa ni se conectó la sonda directamente a través del condensador de salida. Por lo tanto, el rizado de tensión de salida medido podría estar en el lado alto.

Rizado sin carga, con un valor pico a pico de alrededor de 730mV. La frecuencia del rizado es de 138,96kHz, cercana a la frecuencia de conmutación.

1024×600 113 KB

Rizado con carga de 3A, con un valor pico a pico de alrededor de 562,08mV.

1024×600 120 KB

Formas de Onda del MOSFET

Las formas de onda de tensión puerta-fuente (GS) y drenaje-fuente (DS) del MOSFET de conmutación en el lado primario con una entrada de 220V AC y una carga de 1A a 24V de salida. La forma de onda amarilla es la tensión entre la puerta y la fuente, y la forma de onda azul es la tensión entre el drenaje y la fuente.

Se puede observar en la figura que el pico máximo de tensión en el drenaje cuando el MOSFET se apaga es aproximadamente de 440V (una bombilla está conectada en serie, y olvidé cambiarla al modo de conexión directa; por lo tanto, la tensión de entrada de la fuente probablemente sea justo superior a 100V, lo que resulta en una tensión medida relativamente baja).

1024×600 84.3 KB

Una vista ampliada de la forma de onda de tensión en la puerta.

1024×600 80.4 KB

Formas de Onda del Diodo Rectificador de Salida

La forma de onda de tensión a través del diodo rectificador de salida con una entrada de 60V DC y salida sin carga de 24V se muestra a continuación. El pico de tensión alcanza un máximo de aproximadamente 56V. (Después de soldar un resistor de 20Ω y un condensador de 2,2nF a R9 y C8 respectivamente a través del diodo, el pico de tensión disminuye a 42V).

2318×1503 417 KB

La forma de onda de tensión a través del diodo rectificador de salida con una entrada de 60V DC y salida de 24V 1A se muestra a continuación. El pico de tensión alcanza un máximo de aproximadamente 190V. (Después de soldar un resistor de 20Ω y un condensador de 2,2nF a R9 y C8 respectivamente a través del diodo, el pico de tensión disminuye a 81V).

2318×1503 411 KB

2318×1503 420 KB

Forma de Onda de Tensión de Salida sin Carga

La forma de onda de tensión de salida con una entrada de 60V DC y salida sin carga de 24V. El tiempo que tarda la tensión en subir de 0V a 24V es de 7 milisegundos.

2318×1503 415 KB

Rendimiento Térmico

Imagen térmica del lado inferior de la fuente sin carga. El punto más caliente está en el resistor de arranque, con una temperatura de alrededor de 60°C (temperatura ambiente alrededor de 25°C). El MOSFET en el lado primario está a alrededor de 48°C.

1680×1260 141 KB

Imagen térmica del lado inferior de la fuente con carga de 3A. El punto más caliente está en el transistor de conmutación del lado primario o en el resistor del circuito amortiguador RCD, con una temperatura superior a 88°C (temperatura ambiente alrededor de 26°C). El diodo rectificador secundario probablemente también esté por encima de 60°C.

La temperatura en carga completa es un poco alta. Para operación prolongada a plena carga, el transistor de conmutación del lado primario necesitará un disipador de calor o encapsulamiento para transferir el calor al recinto.

1680×1260 137 KB

Enlaces de Compra de Componentes

Se recomienda comprar componentes en LCSC: https://activity.szlcsc.com/invite/D03E5B9CEAAE70A4.html

Al hacer clic en el botón "Comprar ahora" en la sección BOM del enlace de código abierto en LCSC, podrá importar todos los componentes requeridos a su carrito de compras con un solo clic.

Esquema

2062×1455 525 KB

PCB

Capa superior

1668×948 330 KB

Capa inferior

1692×953 343 KB

Enlaces de descarga

Los enlaces siguientes contienen: archivos de proyecto JLCEDA, PDF del esquema, archivos Gerber para fabricación de PCB, herramienta SMPS Design Tool SMPSKit, hoja de cálculo para transformador Flyback (Mathcad), diagrama de serigrafía, hoja de especificaciones del transformador, fichas técnicas de varios chips, modelos de simulación PSIM, código Matlab para gráficos de Bode y otros materiales de referencia y documentos. (Algunos materiales se recopilaron de internet)

Si encuentra útil esto, puede apoyarme donando a través del enlace de 123 Cloud Drive anterior. Si está leyendo esto en WeChat (Cuenta oficial: zeruns-gzh), también puede tocar el botón "Dar me gusta al autor" en la parte inferior del artículo. Gracias.

Proyectos de código abierto recomendados

Lecturas recomendadas