Mở nguồn thiết kế bộ nguồn chuyển mạch flyback có đầu vào điện áp rộng, đầu ra 24V 3A. Thiết kế 72 watt này đạt hiệu suất tối đa 87,4% và dựa trên chip điều khiển UC3842 với chỉnh lưu đồng bộ (UCC24612-1DB). Thiết kế bao gồm toàn bộ quá trình tính toán thông số mạch và biến áp, sơ đồ nguyên lý, PCB, mô hình mô phỏng PSIM, đặc tả sản xuất biến áp và nhiều thứ khác.
Lời mở đầu
Đây là lần đầu tiên tôi thiết kế một bộ nguồn flyback. Tôi rất hoan nghênh mọi góp ý hoặc đề xuất cải tiến từ các chuyên gia.
- Hướng dẫn tính toán thông số bộ nguồn flyback và chọn linh kiện, tính toán biến áp flyback và cách quấn: https://blog.zeruns.com/archives/909.html
- Hướng dẫn phân tích, so sánh và chọn thành phần từ tính / vật liệu lõi / cấu trúc lõi: https://blog.zeruns.com/archives/897.html
Ngoài lề, tôi hiện đang tìm việc. Nếu các nhà tuyển dụng tại Quảng Châu, Phật Sơn hoặc Thâm Quyến đang cần người, xin vui lòng cân nhắc tôi. Bạn có thể xem các dự án mở nguồn của tôi trên trang chủ OSHWHub: https://oshwhub.com/zeruns/works
Video demo dự án và quá trình thiết kế: https://www.bilibili.com/video/BV1ES4GzQE19/
Link mở nguồn OSHWHub: https://oshwhub.com/zeruns/24v3a-Flyback-Power-Supply-uc384x
Nhóm thảo luận kỹ thuật Điện tử/MCU trên QQ: 2169025065
Liên kết tải về nằm ở cuối bài viết!
Cảnh báo: Việc xây dựng các bộ nguồn chuyển mạch có thể rất nguy hiểm. Tôi không đảm bảo tính chính xác của bất kỳ mạch điện, thông số hay công thức nào trong thiết kế này. Bạn phải tự chịu mọi rủi ro có thể phát sinh nếu sao chép hoặc tham khảo dự án này.
Chi phí ước tính cho lô nhỏ (20 đơn vị) khoảng 25 Nhân dân tệ (không bao gồm PCB và biến áp, dựa trên giá linh kiện từ LCSC Mall). Bao gồm PCB và biến áp, tổng chi phí không vượt quá 50 Nhân dân tệ.
Thông số thiết kế
| Thông số | Giá trị |
|---|---|
| Điện áp đầu vào định mức V_{acnom} | 220VAC |
| Điện áp đầu vào tối thiểu V_{acmin} | 85VAC |
| Điện áp đầu vào tối đa V_{acmax} | 265VAC |
| Tần số nguồn vào f_L | 50Hz |
| Điện áp đầu ra V_{out} | 24V |
| Dòng điện đầu ra I_{out} | 3A |
| Tần số hoạt động f_s | 150kHz |
| Hiệu suất mục tiêu η | 85% |
Kích thước PCB: 100x55mm
Đặc tính PCB: Bảng hai lớp, lớp trên dành cho linh kiện lỗ xuyên, lớp dưới dành cho linh kiện dán bề mặt.
Hình ảnh thực tế
Hình ảnh dưới đây là phiên bản thứ hai.
Hình ảnh dưới đây là phiên bản đầu tiên, có một số vấn đề và dễ bị hỏng MOSFET. Các vấn đề này đã được khắc phục ở phiên bản thứ hai phía trên.
Biến áp tần số cao:
Thử nghiệm và đo lường hiệu năng
Thử nghiệm cấp điện lần đầu
Để thử nghiệm cấp điện lần đầu, hãy nối tiếp một bóng đèn để tránh làm hỏng toàn bộ linh kiện nếu xảy ra ngắn mạch. Thử nghiệm xác nhận hoạt động bình thường, với điện áp đầu ra 24,1V (hình dưới đây là thử nghiệm với tải 0,9A).
Mục đích của bóng đèn mắc nối tiếp là: tận dụng hiệu ứng bảo vệ hạn chế dòng điện của nó. Trong điều kiện bình thường, điện trở của bóng đèn thấp, gây sụt áp nhỏ, khiến bóng tối hoặc tắt, không ảnh hưởng đến thử nghiệm nguồn. Nếu xảy ra ngắn mạch bên trong nguồn, dòng điện sẽ tăng đột ngột. Bóng đèn với điện trở cố định sẽ chiếm phần lớn sụt áp, hạn chế dòng quá mức và ngăn linh kiện nguồn bị cháy do dòng cao, từ đó tạo hiệu ứng bảo vệ.
Ổ cắm bảo vệ và bảo trì bộ nguồn chuyển mạch: https://s.click.taobao.com/OiMyz3q
Bạn cũng có thể thử nghiệm với đầu vào DC. Tôi đã thử nghiệm với đầu vào DC 60V và nó khởi động bình thường, đầu ra 24V. Tuy nhiên, bạn cần thay đổi điện trở khởi động 200kΩ (R24+R16) thành 100kΩ (nối tắt một trong hai). Điện trở ban đầu quá cao, khiến không thể khởi động ở điện áp thấp.
Thử nghiệm hiệu suất chuyển đổi
Thiết bị đo sử dụng:
- Jùwéi Power Meter: https://u.jd.com/0gXabte
- Jùwéi Electronic Load: https://s.click.taobao.com/DvbzQ4q
Dữ liệu đo được:
| Điện áp đầu vào (V) | Dòng điện đầu vào (A) | Công suất biểu kiến đầu vào (W) | Công suất tác dụng đầu vào (W) | Điện áp đầu ra (V) | Dòng điện đầu ra (A) | Công suất đầu ra (W) | Hiệu suất (%) | Hệ số công suất |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 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 |
Hiệu suất cao nhất đo được là 87.4%. Công suất tiêu thụ không tải thấp nhất là 1.81W, giá trị này hơi cao.
Dữ liệu trên được đo khi sử dụng chỉnh lưu diode, không phải chỉnh lưu đồng bộ. Điều này xảy ra do điện trở dẫn (on-resistance) của MOSFET chỉnh lưu đồng bộ tôi chọn hơi lớn, dẫn đến hiệu suất thấp hơn một chút. Bạn có thể thay thế bằng MOSFET tốt hơn để thử nghiệm. Điện áp định mức nên từ 200V trở lên (nếu bạn hàn điện trở 20Ω và tụ điện 2.2nF vào vị trí R9 và C8 ở phía chỉnh lưu đồng bộ, có thể cân nhắc MOSFET có định mức 150V).
Kiểm tra gợn sóng điện áp đầu ra
Máy hiện sóng được sử dụng là Rigol DHO914S: https://blog.zeruns.com/archives/764.html
Trong quá trình kiểm tra, đầu dò máy hiện sóng được kẹp vào dây đầu ra dài khoảng 15cm. Không sử dụng lò xo nối đất và đầu dò cũng không được kết nối trực tiếp qua tụ điện đầu ra. Do đó, gợn sóng điện áp đầu ra đo được có thể hơi cao.
Gợn sóng không tải, giá trị đỉnh-đỉnh khoảng 730mV. Tần số gợn sóng là 138.96kHz, gần với tần số chuyển mạch.
Gợn sóng với tải 3A, giá trị đỉnh-đỉnh khoảng 562.08mV.
Dạng sóng MOSFET
Dạng sóng điện áp giữa cổng-nguồn (GS) và máng-nguồn (DS) của MOSFET chuyển mạch phía sơ cấp với đầu vào AC là 220V và tải 1A ở đầu ra 24V. Dạng sóng vàng là điện áp giữa cổng và nguồn, dạng sóng xanh là điện áp giữa máng và nguồn.
Từ hình có thể thấy, đỉnh điện áp máng tối đa khi MOSFET tắt là khoảng 440V (có nối tiếp bóng đèn, tôi quên chuyển sang chế độ nối trực tiếp nên điện áp đầu vào của nguồn có thể chỉ hơn 100V, dẫn đến điện áp đo được tương đối thấp).
Phóng đại dạng sóng điện áp cổng.
Dạng sóng diode chỉnh lưu đầu ra
Dạng sóng điện áp qua diode chỉnh lưu đầu ra với đầu vào DC 60V và đầu ra không tải 24V được hiển thị dưới đây. Đỉnh điện áp đạt khoảng 56V. (Sau khi hàn điện trở 20Ω và tụ điện 2.2nF vào R9 và C8 tương ứng trên diode, đỉnh điện áp giảm xuống 42V).
Dạng sóng điện áp qua diode chỉnh lưu đầu ra với đầu vào DC 60V và đầu ra 24V 1A được hiển thị dưới đây. Đỉnh điện áp đạt khoảng 190V. (Sau khi hàn điện trở 20Ω và tụ điện 2.2nF vào R9 và C8 tương ứng trên diode, đỉnh điện áp giảm xuống 81V).
Dạng sóng điện áp đầu ra khi khởi động không tải
Dạng sóng điện áp đầu ra với đầu vào DC 60V và đầu ra không tải 24V. Thời gian điện áp tăng từ 0V đến 24V là 7 mili giây.
Hiệu suất nhiệt
Hình ảnh nhiệt mặt dưới nguồn khi không tải. Vị trí nóng nhất nằm ở điện trở khởi động, nhiệt độ khoảng 60°C (nhiệt độ môi trường khoảng 25°C). MOSFET phía sơ cấp khoảng 48°C.
Hình ảnh nhiệt mặt dưới nguồn khi tải 3A. Vị trí nóng nhất nằm ở transistor chuyển mạch phía sơ cấp hoặc điện trở trong mạch snubber RCD, nhiệt độ vượt quá 88°C (nhiệt độ môi trường khoảng 26°C). Diode chỉnh lưu phía thứ cấp có thể cũng trên 60°C.
Nhiệt độ khi tải đầy hơi cao. Để vận hành tải đầy lâu dài, transistor chuyển mạch phía sơ cấp cần có tản nhiệt hoặc được bọc keo để truyền nhiệt ra vỏ ngoài!
