광범위 입력 전압, 24V 3A 출력 플라이백 스위칭 전원 공급 장치를 오픈소스로 공개합니다. 이 72와트 설계는 87.4%의 최대 효율성을 달성하며 UC3842 컨트롤러 칩과 동기 정류(UCC24612-1DB)를 기반으로 합니다. 회로 및 변압기 파라미터의 전체 계산 과정, 회로도, PCB 설계, PSIM 시뮬레이션 모델, 변압기 제작 사양 등이 포함되어 있습니다.
서문
이것은 제가 처음으로 설계한 플라이백 전원 공급 장치입니다. 전문가 여러분의 피드백이나 개선 제안을 환영합니다.
- 플라이백 전원 공급 장치 파라미터 계산 및 부품 선정, 플라이백 변압기 계산 및 권선 튜토리얼: https://blog.zeruns.com/archives/909.html
- 자기 부품/코어 재료/코어 구조 분석, 비교 및 선택 가이드: https://blog.zeruns.com/archives/897.html
부가적으로 말씀드리면, 현재 구직 중입니다. 광저우, 포산, 선전 지역에서 채용 중인 기업이 있다면 제 오픈소스 프로젝트를 확인해 주세요. OSHWHub 개인 페이지: https://oshwhub.com/zeruns/works
프로젝트 동영상 데모 및 설계 과정 동영상: https://www.bilibili.com/video/BV1ES4GzQE19/
OSHWHub 오픈소스 링크: https://oshwhub.com/zeruns/24v3a-Flyback-Power-Supply-uc384x
전자/마이크로컨트롤러 기술 토론 QQ 그룹: 2169025065
다운로드 링크는 문서 마지막에 있습니다!
경고: 스위칭 전원 공급 장치 제작은 위험할 수 있습니다. 이 설계의 회로, 파라미터, 공식의 정확성을 보장하지 않으며, 본 프로젝트를 복제하거나 참조할 경우 모든 위험에 대한 책임은 사용자에게 있습니다.
소량 생산(20개 기준)의 예상 평균 비용은 약 25위안입니다(기판 및 변압기 제외, LCSC 몰 부품 가격 기준). 기판 및 변압기를 포함한 총 비용은 50위안을 초과하지 않을 것입니다.
설계 사양
| 파라미터 | 값 |
|---|---|
| 정격 입력 전압 V_{acnom} | 220VAC |
| 최소 입력 전압 V_{acmin} | 85VAC |
| 최대 입력 전압 V_{acmax} | 265VAC |
| 선 주파수 f_L | 50Hz |
| 출력 전압 V_{out} | 24V |
| 출력 전류 I_{out} | 3A |
| 작동 주파수 f_s | 150kHz |
| 목표 효율성 η | 85% |
PCB 치수: 100x55mm
PCB 사양: 이중층 기판, 상단층은 스루홀 부품, 하단층은 SMD 부품용.
실물 사진
아래 사진은 두 번째 버전입니다.
다음 사진은 첫 번째 버전으로, 일부 문제로 인해 MOSFET이 손상되기 쉬웠습니다. 이 문제는 위의 두 번째 버전에서 수정되었습니다.
고주파 변압기:
작동 테스트 및 성능 측정
초기 전원 인가 테스트
초기 전원 인가 테스트 시, 단락 사고 시 부품 손상을 방지하기 위해 직렬로 전구를 연결합니다. 테스트 결과 정상 작동이 확인되었으며, 출력 전압은 24.1V였습니다(아래 사진은 0.9A 부하 상태에서 테스트한 것입니다).
직렬 전구의 목적: 전류 제한 보호 효과를 활용하는 것입니다. 정상 작동 시 전구의 저항이 낮아 전압 강하가 작아 어둡거나 꺼져 있어 전원 테스트에 영향을 주지 않습니다. 전원 공급 장치 내부에서 단락이 발생하면 회로 전류가 급증합니다. 고정 저항을 가진 전구는 대부분의 전압을 분배하여 과도한 전류를 제한하고, 고전류로 인한 부품 손상을 방지하는 보호 기능을 수행합니다.
스위칭 전원 공급 장치 유지보수 및 보호 소켓: https://s.click.taobao.com/OiMyz3q
DC 입력으로 테스트할 수도 있습니다. 저는 60V DC 입력으로 테스트했으며 정상적으로 구동되어 24V를 출력했습니다. 다만 200kΩ 시작 저항(R24+R16)을 100kΩ으로 변경해야 합니다(하나를 쇼트). 원래 저항 값이 너무 높아 저전압에서는 구동이 되지 않았습니다.
변환 효율성 테스트
사용된 테스트 장비:
- Jùwéi 전력 측정기: https://u.jd.com/0gXabte
- Jùwéi 전자 부하: https://s.click.taobao.com/DvbzQ4q
측정 데이터:
| 입력 전압 (V) | 입력 전류 (A) | 입력 피상 전력 (W) | 입력 유효 전력 (W) | 출력 전압 (V) | 출력 전류 (A) | 출력 전력 (W) | 효율 (%) | 역률 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 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 |
측정된 가장 높은 효율은 87.4%입니다. 무부하 상태에서 가장 낮은 전력 소모는 1.81W로 약간 높은 편입니다.
상기 데이터는 동기 정류가 아닌 다이오드 정류를 사용하여 측정되었습니다. 선택한 동기 정류용 MOSFET의 온저항(on-resistance)이 약간 높아 효율이 다소 낮아졌기 때문입니다. 테스트를 위해 더 나은 MOSFET으로 교체할 수 있습니다. 전압 등급은 200V 이상이어야 하며, 동기 정류기 측에 R9와 C8으로 각각 20Ω 저항과 2.2nF 커패시터를 납땜할 경우 150V 등급의 MOSFET도 고려할 수 있습니다.
출력 전압 리플 테스트
사용된 오실로스코프는 Rigol DHO914S입니다: https://blog.zeruns.com/archives/764.html
테스트 중 오실로스코프 프로브는 약 15cm 길이의 출력선에 연결되었습니다. 접지 스프링은 사용되지 않았으며, 출력 커패시터에 직접 연결하지 않았습니다. 따라서 측정된 출력 전압 리플은 다소 높을 수 있습니다.
무부하 리플은 피크-투-피크 값이 약 730mV입니다. 리플 주파수는 스위칭 주파수와 가까운 138.96kHz입니다.
3A 부하 조건의 리플은 피크-투-피크 값이 약 562.08mV입니다.
MOSFET 파형
220V AC 입력과 24V 출력 1A 부하 조건에서 1차측 스위칭 MOSFET의 게이트-소스(GS) 및 드레인-소스(DS) 전압 파형입니다. 노란색 파형은 게이트-소스 전압, 파란색 파형은 드레인-소스 전압입니다.
도표에서 MOSFET이 꺼질 때 드레인 전압 스파이크의 최대값은 약 440V인 것으로 보입니다(직렬로 연결된 전구를 직접 연결 모드로 전환하지 않아 전원 공급 장치의 입력 전압이 약 100V 이상일 가능성이 있으며, 이에 따라 측정된 전압이 상대적으로 낮습니다).
게이트 전압 파형의 확대 이미지입니다.
출력 정류 다이오드 파형
60V DC 입력과 24V 무부하 출력 조건에서 출력 정류 다이오드의 전압 파형입니다. 전압 스파이크의 최대값은 약 56V입니다(다이오드 양단에 R9와 C8으로 각각 20Ω 저항과 2.2nF 커패시터를 납땜한 후 전압 스파이크는 42V로 감소합니다).
60V DC 입력과 24V 1A 출력 조건에서 출력 정류 다이오드의 전압 파형입니다. 전압 스파이크의 최대값은 약 190V입니다(다이오드 양단에 R9와 C8으로 각각 20Ω 저항과 2.2nF 커패시터를 납땜한 후 전압 스파이크는 81V로 감소합니다).
무부하 시 출력 전압 상승 파형
60V DC 입력과 24V 무부하 출력 조건에서 출력 전압 파형입니다. 전압이 0V에서 24V까지 상승하는 데 걸리는 시간은 7밀리초입니다.
열 성능
무부하 상태에서 전원 장치 하부의 열화상 이미지입니다. 가장 뜨거운 부분은 시작 저항(startup resistor)으로 약 60°C이며, 주변 온도는 약 25°C입니다. 1차측 MOSFET은 약 48°C입니다.
3A 부하 조건에서 전원 장치 하부의 열화상 이미지입니다. 가장 뜨거운 부분은 1차측 MOSFET 또는 RCD 스너버 회로의 저항으로, 온도가 88°C 이상입니다(주변 온도는 약 26°C). 2차측 정류 다이오드도 60°C 이상일 것으로 예상됩니다.
정격 부하에서의 온도가 약간 높습니다. 장시간 정격 부하 운전 시 1차측 스위칭 트랜지스터에 히트싱크를 설치하거나 포팅하여 열을 외함으로 전달해야 합니다!
부품 구매 링크
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TL431 전압 기준: https://s.click.taobao.com/DPxnz3q
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UU10.5 공통 모드 코일: https://s.click.taobao.com/D1t1z3q
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